比濁法快速測定土壤中速效鉀的研究進(jìn)展

楊張青，辛銀平，趙晴，王猛，秦一浪，胡峰，李國強(qiáng)

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究所，鄭州 450008；2河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450008；3鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程有限公司，鄭州 450002）

0 引言

鉀是作物生長發(fā)育必須的大量元素之一，與氮、磷同樣重要，對植物生長發(fā)育起著獨(dú)特的生理功能作用，對作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗逆性有著舉足輕重的作用[1-3]。土壤中鉀素可分為4 種狀態(tài)：含鉀礦物或受結(jié)構(gòu)束縛的難溶性鉀、非代換性遲效鉀、代換性鉀和水溶性鉀，后2種為速效鉀[4-5]。土壤全鉀含量一般在2%左右，高的可達(dá)3%～4%，低的可達(dá)0.1%～0.4%[6]；其中難溶性鉀約占90%～98%，遲效鉀占2%～8%，速效鉀占0.1%～2%[7]。土壤全鉀量的變化在理論上能準(zhǔn)確反映土壤鉀素變化，但土壤全鉀量遠(yuǎn)高于土壤中速效鉀量，其取樣或測定誤差即可掩蓋土壤速效鉀量的變化；再者，植物所能利用的鉀是以水溶性及代換性狀態(tài)存在的鉀。因此，土壤中速效鉀才能真正反映對植物的供鉀情況，及時(shí)測定土壤中速效鉀濃度變化，能夠很好地指導(dǎo)鉀肥的施用[8]。鉀的定量檢測常用方法分為化學(xué)分析法和儀器分析法。化學(xué)分析法常用四苯硼鈉重量法和容重法，其中容重法主要包括四苯硼鈉容重法、亞硝酸鈷鈉容重法、苦昧酸法、氯鉑酸法和高氯酸法等；儀器分析法包括冠醚—雙苦胺萃取分光光度法、原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、火焰光度計(jì)法、X 射線熒光譜法、中子活化法、電化學(xué)分析法（鉀電極法、示波極譜滴定法）、離子色譜法及電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等[9-12]。近年也有通過高光譜、TASI 熱紅外、激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對土壤全鉀、速效鉀進(jìn)行反演預(yù)測[13-17]，但土壤速效鉀預(yù)測結(jié)果尚不理想。速效鉀通常使用原子吸收分光光度計(jì)或火焰光度計(jì)法[18]，原子吸收分光光度計(jì)測定各種浸出液中鉀的含量非常理想，精度高于各種化學(xué)分析法，但是儀器價(jià)格昂貴，體型較大，送檢樣收費(fèi)較高，不適合基層或流動(dòng)檢測車測土施肥推廣使用；火焰光度計(jì)法是儀器分析法中鉀含量測定成熟方法之一，其價(jià)格依然較高，且汽油、液化氣等燃料不適于流動(dòng)檢測車攜帶和基層使用，對操作人員的技術(shù)水平也有一定的要求。為了滿足基層測土配方施肥需求，尋找一種低成本準(zhǔn)確測定土壤速效鉀的簡便方法，對準(zhǔn)確評價(jià)農(nóng)田土壤鉀素耗竭速率、指導(dǎo)鉀肥的合理分配和平衡施用及預(yù)測中國鉀肥市場需求均具有重要意義。四苯硼鈉比濁法是一種經(jīng)典的檢測土壤中速效鉀的方法[19-21]，但由于其用甲醛來掩蔽待測液中銨根離子造成環(huán)境污染。因此，筆者基于四苯硼鈉比濁原理，采用聯(lián)合浸提技術(shù)，以NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA 為浸提劑，用硫酸銅掩蔽銨根離子，對比濁法進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)快速、低劑量土壤中速效鉀、有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定，后三者非本文研究重點(diǎn)不再贅述。同時(shí)與1.0 mol/L 醋酸銨浸提—火焰光度法[22]做比對，結(jié)果理想，可推廣應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)

室內(nèi)試驗(yàn)于2022年8月6日—2023年1月20日在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料和儀器

NK-S1000型土壤養(yǎng)分快檢儀（自主研制）；ZD-85型雙功能氣浴恒溫振蕩器。

碳酸氫鈉— 硫酸鈉— 氫氧化鈉—DTPA(NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA)浸提劑：在燒杯中依次加入21.20 g NaHCO3，52.20 g Na2SO4，2.00 g NaOH，1.98 g DTPA，用水溶解，繼續(xù)加水稀釋至約950 mL，調(diào)節(jié)酸堿度至pH 8.6±0.1，轉(zhuǎn)移至1 L 容量瓶中，用水定容至刻度，其中NaHCO3、Na2SO4、NaOH、DTPA 的摩爾濃度分別為0.2524、0.3675、0.050、0.005 mol/L。

氫氧化鈉溶液：取80.00 g NaOH用水溶解并定容至1 L，配制成2.00 mol/L氫氧化鈉溶液。

硫酸溶液：取100 mL濃硫酸用水稀釋至1 L，配制成1.80 mol/L硫酸溶液。

硫酸銅溶液：取5.00 g CuSO4·5H2O 用1.80 mol/L硫酸溶液溶解并定容至1 L，配制成0.02 mol/L硫酸銅溶液。

乙二胺四乙酸二鈉溶液：取67.24 g 乙二胺四乙酸二鈉并用2.00 mol/L氫氧化鈉溶液溶解并定容至1 L，配制成0.20 mol/L乙二胺四乙酸二鈉溶液。

四苯硼鈉溶液：取64.85 g四苯硼鈉用水溶解并定容至1 L，配制成0.20 mol/L四苯硼鈉溶液。

活性炭：用Na2CO3—NaHCO3—Na2SO4浸提劑洗脫氮磷鉀并烘干后備用。

土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：100 mg/L，以氧化鉀計(jì)。

土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液系列：取適量鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用Na2CO3—NaHCO3—Na2SO4浸提劑逐級(jí)稀釋配制成0、1.2500、1.5625、2.1875、2.500、3.1250、4.3750、5.0000、6.2500、7.5000、8.7500、10.0000、12.5000、15.0000、17.5000、20.0000、25.0000、30.0000 mg/L 鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

試劑均為分析純，水為二次去離子水。

1.3 儀器工作條件

工作溫度范圍5～35℃；濕度范圍20%～80%；直流電源電壓為12 V。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 檢測步驟取2.00 g 風(fēng)干土樣或2.00×（1＋土壤百分含水量）g 新鮮土樣于土壤浸提瓶中，加入40 mL NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA浸提劑和0.5 g活性炭，于溫度為25℃、頻率為220次/min氣浴恒溫振蕩器上往復(fù)振蕩5 min，然后過濾于干燥的三角瓶中，即為土壤速效鉀待測液。取2 mL 土壤速效鉀待測液于一個(gè)干凈小反應(yīng)瓶中，依次加入0.02 mol/L 硫酸銅溶液100 μL，0.20 mol/L 乙二胺四乙酸二鈉溶液300 μL，0.20 mol/L四苯硼鈉溶液300 μL，搖勻，靜止10 min后上機(jī)測定。隨同試驗(yàn)做空白。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，Origin進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸收光譜

按試驗(yàn)方法，測定質(zhì)量濃度為10 mg/L 土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液在380～760 nm區(qū)間的濁度光譜曲線，結(jié)果表明：濁度溶液沒有明顯的最大吸收波長，本試驗(yàn)選擇相對平滑的680 nm作為測定波長（圖1）。

圖1 吸收光譜

2.2 試驗(yàn)條件的選擇

2.2.1 體系酸堿度 按試驗(yàn)方法，測定質(zhì)量濃度為10 mg/L土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)及空白溶液的吸光度差值(△A)，結(jié)果表明：體系的酸堿度直接影響濁度大小，酸堿度分別為pH 8～14 和pH 1～3 時(shí)吸光度差值較大，pH 5～6時(shí)濁度較小，考慮到強(qiáng)堿體系中濁度液更穩(wěn)定，同時(shí)考慮到2.3干擾試驗(yàn)中消除銨根離子對體系的干擾，本試驗(yàn)選擇體系pH 11～14之間（圖2）。

圖2 體系酸堿度選擇

2.2.2 濁度液穩(wěn)定時(shí)間按試驗(yàn)方法，測定質(zhì)量濃度為10 mg/L 土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)及空白溶液的吸光度差值，反應(yīng)體系濁度時(shí)間從0～15 min 的吸光度差值變化情況表明：濁度反應(yīng)在前5 min內(nèi)有一個(gè)較大的吸收峰，之后曲線逐漸趨于平緩，形成較為穩(wěn)定的四苯硼鉀白色濁度溶液，濁度液在放置6 min 后吸光度差值基本趨于穩(wěn)定，本試驗(yàn)選擇上機(jī)時(shí)間為10 min 進(jìn)行測試（圖3）。

圖3 濁度液穩(wěn)定時(shí)間選擇

2.2.3 濁度劑濃度和用量在試驗(yàn)條件下，考察了濁度劑用量對溶液吸光度的影響，結(jié)果表明：0.20 mol/L四苯硼鈉溶液用量在250～350 μL時(shí)，溶液吸光度比較穩(wěn)定，本試驗(yàn)選擇濁度劑用量為300 μL（圖4）。

圖4 濁度劑用量選擇

2.3 干擾試驗(yàn)

鉀離子與四苯硼鈉溶液形成四苯硼鉀白色渾濁液，在適量四苯硼鈉條件下，可通過分光光度法來進(jìn)行定量檢測。但銨根離子也會(huì)與四苯硼鈉形成渾濁影響檢測結(jié)果，因此消除或掩蔽銨根離子對體系的干擾非常重要。首先，選擇強(qiáng)堿體系，銨根屬于弱離子，水解反應(yīng)生成一水合氨和氫離子，氫離子與氫氧根反應(yīng)從而推動(dòng)銨根的水解，故銨根不能在堿性溶液中大量存在。其次，銅離子在堿性條件下與銨根絡(luò)合生成銅氨絡(luò)離子，從而消除銨根對鉀測定的干擾。按試驗(yàn)方法對30 mg/L 鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行銨根干擾測定，當(dāng)相對誤差在±5%時(shí)，銨根的允許量為30 mg/L。

2.4 工作直線和檢出限

按試驗(yàn)方法對系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行濁度反應(yīng)，以吸光度為縱坐標(biāo)，土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)，建立工作直線，土壤速效鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度在1.25～30 mg/L 范圍內(nèi)服從朗伯比耳定律，線性回歸方程為A=0.0454ρ-0.2291，相關(guān)系數(shù)為0.9996，方法檢測限(0.01/b)為0.22 mg/L。

2.5 精密度和回收試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法對土樣速效鉀低、中、高、極高4 個(gè)濃度水平進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，每個(gè)濃度水平做6個(gè)平行樣，計(jì)算回收率和測定值的RSD。表1的數(shù)據(jù)顯示，土壤中速效鉀的回收率為90.71%～109.14%，測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.61%～4.32%，表明該方法測值準(zhǔn)確度較高。

表1 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n=6)

2.6 2種方法的對比

本方法按照1.3進(jìn)行試驗(yàn)操作?；鹧婀舛扔?jì)法：稱取通過1 mm孔徑篩的風(fēng)干土試樣5 g（精確至0.01 g）于200 mL 塑料瓶中，加入50 mL 乙酸銨溶液，蓋緊瓶蓋，在20～25℃下，150～180 r/min振蕩30 min，過濾，濾液直接在火焰光度計(jì)上測定。同時(shí)做空白試驗(yàn)。

取新疆10 個(gè)土樣、內(nèi)蒙古5 個(gè)土樣、四川德陽20個(gè)土樣、湖南懷化市（鶴城區(qū)、新晃縣、芷江縣、通道縣、中方縣、靖州縣）60個(gè)土樣、河南三門峽30個(gè)土樣和駐馬店36個(gè)土樣，共計(jì)161個(gè)土樣，按試驗(yàn)方法對土樣中速效鉀進(jìn)行測定，并與NY/T889—2004《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》中火焰光度計(jì)法檢測土壤速效鉀進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5。以火焰光度計(jì)法測定值為橫坐標(biāo)，以本法測得值為縱坐標(biāo)建立線性回歸方程為y=0.6437x-3.5714，相關(guān)系數(shù)r為0.9732，表明本方法與火焰光度法檢測土壤中速效鉀的測定值達(dá)到了極顯著水平(n=161，P<0.01)。

圖5 2種檢測方法相關(guān)性

表2結(jié)果表明：本方法土樣測定最小值為4.27 mg/kg，最大值為509.12 mg/kg；新疆、內(nèi)蒙古、四川德陽、湖南懷化、河南三門峽和駐馬店的土壤速效鉀平均值分別為214.28、156.75、99.36、43.93、81.11、181.72 mg/kg，由低到高分別為湖南懷化＜河南三門峽＜四川德陽＜內(nèi)蒙古＜河南駐馬店＜新疆，基本呈現(xiàn)南低北高趨勢。河南三門峽30 個(gè)土樣速效鉀測定值區(qū)間范圍為50.28～149.03 mg/kg；變異系數(shù)為25.78%，遠(yuǎn)低于其他區(qū)域土樣變異系數(shù)47.86%～73.25%，因此導(dǎo)致平均值偏低。建議同區(qū)域選擇變異系數(shù)大于50%的土壤樣本將更具有代表性。

表2 樣品分析結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究速效鉀工作直線中標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為1.25～30 mg/L，方法檢測限為0.22 mg/L；土壤速效鉀待測液水土比為20:1，換算為土壤速效鉀工作直線的線性區(qū)間為25～600 mg/kg，檢出限為4.4 mg/kg。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，廣東省連州市九陂鎮(zhèn)白石村土壤速效鉀平均含量95.25±13.91 mg/kg[23]。云南洱海流域2011—2020年植煙土壤速效鉀的平均值為192.0 mg/kg[24]。貴州省桐梓縣研究區(qū)耕地表層土壤速效鉀含量范圍為22.40～684.00 mg/kg，平均值為112.66 mg/kg[25]。陜西省農(nóng)田土壤速效鉀含量范圍為55～301 mg/kg，平均值為181 mg/kg[26]；陜西省蘋果主產(chǎn)區(qū)土壤速效鉀含量平均值為160.4 mg/kg[27]。河南宿州市蕭縣、碭山縣、靈璧縣、泗縣和埇橋區(qū)耕地土壤速效鉀平均值為149.37 mg/kg[28]；洛陽市孟津區(qū)黃河河岸帶土壤速效鉀含量平均值為184.36 mg/kg[29]。內(nèi)蒙古通遼市農(nóng)田土壤的速效鉀含量為133 mg/kg[30]。以上六地報(bào)道中土壤速效鉀含量平均值范圍為81.34～192.0 mg/kg；最大值為684.00 mg/kg，與本方法土壤速效鉀測定區(qū)間相符，滿足實(shí)際使用要求。

3.2 結(jié)論

以NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA 為浸提劑，用硫酸銅掩蔽銨根離子，對土壤中速效鉀進(jìn)行比濁法快速測定，既克服了常規(guī)儀器價(jià)格昂貴、送檢樣收費(fèi)較高的問題，又避免了經(jīng)典比濁法中用甲醛掩蔽銨根離子帶來的環(huán)境污染，同時(shí)，該法實(shí)現(xiàn)了氮磷鉀聯(lián)合浸提，大大節(jié)約了測試時(shí)間。本方法為及時(shí)快速反映土壤速效鉀變化情況提供了檢測手段，可指導(dǎo)田間鉀肥平衡施用。因此，可以作為快檢方法推廣使用。