李朝英，郑 路,

(1.中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西凭祥 532600；2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，广西凭祥 532600)

氮素是植物生长必须的养分，土壤氮量体现了氮循环状况，是评价土壤肥力的重要指标[1-3]。土壤氮素形态分为有机态氮和无机态氮两大类，其中无机态氮含量少，仅占全氮的2%以内，90%以上的氮素以有机态氮形式存在，如酰胺态、脂胺、芳胺和杂环氮等。有机态氮结构复杂，不易分解[4-6]。土壤全氮测定方法主要有干烧法和湿法消解-蒸馏法两类。干烧法在高温下氧化氮素，所用仪器自动化程度高，价格昂贵，使用不普及。湿法消解-蒸馏法以强酸或强氧化剂将有机态氮氧化分解成为铵根离子，蒸馏测定全氮含量，设施简单，应用广泛[7-8]。湿法消解因所用的酸和氧化剂不同而有多种方法，其中凯式法为经典方法[9-11]。在国标、环境保护及林业行业标准中，凯式法以无温显装置的电炉消解样品，通过观察试验现象变化消解样品，这种方式易存在人为偏差，且操作不便。随着科技进步，很多实验室配备了可调温控时的石墨炉、红外消解仪代替电炉消解样品[12-14]。石墨炉的加热管铺设在石墨板下方，以石墨为导热介质，消解管置于孔洞中加热，而红外消解仪的消解管悬于石英加热管上方辐射加热，操作方便。目前对土壤全氮的消解条件有些讨论[15-16]，但对不同消解仪器的消解条件鲜见讨论分析，不同消解仪器的消解条件差异并不清楚。为此，本试验使用石墨炉、红外消解仪以凯式法在不同温度、时间及不同氮质量分数样品等条件下消解土壤，对所测结果进行比较分析，以期探讨土壤全氮的适宜消解条件，为实验室高效利用消解仪及准确测定土壤全氮提供有效可行的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试剂及仪器 硫酸、硫酸钾、硫酸铜、盐酸、硼酸指示剂、氢氧化钠，均为分析纯级别。

主要仪器有电子分析天平(BSA224S-CW 赛多利斯科学仪器公司)、石墨炉(SH2201 山东海能仪器公司)、红外消解仪(SKD-48S2上海沛欧分析仪器公司)、恒温培养箱(BPG-9240A上海一恒科技有限公司)。

1.1.2 样品采集与处理 以黑龙江黑土(S1)[质量分数1.62±0.07 g/kg和安徽潮土(S2)质量分数1.09±0.07 g/kg]为标准物质。2016年12月采集广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站伏波实验人工林的2个土样。自然风干后，过10目筛，铺平，四分法取一半，过60目筛，装袋标识，分别作为实验室内标土样S3和S4(S3重复检测10次，氮质量分数为8.80±0.45 g/kg，S4重复检测10次，氮质量分数为 0.237±0.012 g/kg)。

1.2 试验方法

1.2.1 不同温度消解 称取标准土样S1、S2各0.650 0 g，分别置于红外消解仪、石墨炉的消解管中，加5 mL硫酸，1.8 g催化剂[硫酸钾∶硫酸铜=9∶1(质量比)混合]，分别在360、370、380、390和 400 ℃消解100 min。消解液清洗入50 mL比色管，用水定容后摇匀。抽取待测液5 mL加入扩散皿外室，内室加入硼酸指示剂2.5 mL，快速加入10 mol/L NaOH 10 mL，封盖置于 40 ℃恒温箱中培养24 h，以0.01 mol/L的盐酸滴定至紫红色。同时做空白2个，以上试验重复4次。

1.2.2 不同消解时间消解 称取标准土样S3 0.650 0 g，S3与S4混合样0.650 0 g(2个样各 0.325 0 g，混合样氮质量分数为4.52 g/kg)、称取S1、S1与S4混合样0.650 0 g(2个样各 0.325 0 g，混合样氮质量分数0.93 g/kg)、称取S4 0.65 g，分别放入红外消解仪、石墨炉的消解管中，样品消至灰绿色(称前消解)，后消解时间分别为42、60和76 min，其他同“1.2.1”操作，同时做空白2个。以上试验重复3次。

1.3 数据处理

试验数据采用 Microsoft Excel 2003统计及绘图，使用SPSS 17.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 2种消解仪适宜消解温度的选择

由表1可知，红外消解仪在360 ℃和400 ℃消解与石墨炉在360 ℃消解所测结果偏低；红外消解仪在390、380和370 ℃消解与石墨炉在370、380、390和400 ℃消解所测结果趋于一致，且无显著性差异。红外消解仪在360 ℃和400 ℃及石墨炉在360 ℃消解所测结果与其他条件下所测结果差异显著。红外消解仪在360、370、380、390和400 ℃消解所测结果相对标准偏差(RSD)在 6.25%～10.20%、3.75%～4.71%、4.43%～ 5.83%、6.53%～8.91%、8.00%～11.46%，360、390和400 ℃消解所测结果RSD均大于5%，且有的样品RSD高达8%以上；380 ℃所测结果的RSD较360、390和400 ℃小，但有样品的RSD趋近6%，说明精密度仍欠佳，而370 ℃消解所测结果RSD均低于5%，精度度良好。石墨炉在360、370、380、390和400 ℃消解所测结果RSD分别为6.71%～10.78%、3.81%～6.48%、 3.10%～4.67%、1.82%～3.81%、 2.50%～ 2.70%。360 ℃消解所测结果RSD可高达10%以上，精密度较差，370 ℃消解所测结果RSD较360 ℃的有所降低，但有样品的RSD大于6%，说明精密度仍欠佳；380、390和400 ℃消解所测结果RSD小于5%，精密度良好。红外消解仪在360 ℃和400 ℃消解样品的回收率低于92%， 390 ℃消解样品的回收率在92.66%～94.44%，均低于95%，380 ℃消解样品的回收率为 94.49%～97.53%。有的样品回收率小于95%，370 ℃消解样品的回收率在97.24%～98.77%，样品回收率均在95%～100%，故 370 ℃消解样品的准确性较高。石墨炉在360 ℃消解样品的回收率均低于92%。370 ℃消解样品的回收率在93.58%～ 96.91%，有的样品回收率小于95%；380、390和 400 ℃回收率在96.33%～ 101.85%，样品的回收率均在95%～102%，故380、390和400 ℃消解样品的准确性较高。

表1 2种消解仪在不同温度条件下的测定结果Table 1 The results determined by two digest instruments under different temperatures

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters in same column indicated is significantly different (P<0.05).

由上可见，红外消解仪适宜消解温度为 370 ℃，石墨炉适宜消解温度为380～400 ℃，2种消解仪的适宜消解温度有所不同。

2.2 消解时间的选择

由表2可知，氮质量分数0.237、0.93～ 1.62、4.52和8.8 g/kg样品以石墨炉消解至灰绿色用时(前消解时间)分别为18、25、35和54 min。红外消解仪消解样品至灰绿色用时分别为15、18、22、30和47 min。石墨炉前消解用时大于红外消解仪。氮质量分数 0.237 g/kg的样品，石墨炉消解60、78和94 min，红外消解仪分别消解57、75和91 min的回收率大于95%，RSD小于4.2%。氮质量分数0.93～8.8 g/kg的样品，2种消解仪后消解42 min的回收率在91.36%～94.71%,RSD在4.00%～5.75%;后消解时间等于或大于60 min的回收率为96.04%～ 101.85%，RSD在1.82%～4.18%。以上说明含氮量低的样品有机氮量低，易于消解充分，消解用时不到60 min。样品含氮量达到一定程度时，有机氮量增加，样品不易消解充分。样品完成前消解，后消解时间低于60 min，消解不充分，导致所测结果偏低，精密度及准确性欠佳；样品后消解时间等于或长于60 min，消解充分。2种消解仪所测全氮质量分数相对相差为0.25%～ 5.10%，测定结果趋于一致，且精密度及准确性良好。因此，后消解时间至少为60 min。含氮0.237、 0.93、 1.62、4.52和8.8 g/kg的样品，石墨炉适宜消解时间为60、85、87、95和114 min，红外消解仪适宜消解时间为57、78、82、90和107 min。2种消解仪的消解时间随样品氮质量分数升高呈增加趋势。对于相同氮质量分数样品，2种消解仪的适宜消解时间差低于10 min。“2.1”中所用样品的氮质量分数为1.09～1.62 g/kg，石墨炉、红外消解仪采用消解时间均为100 min，与上述消解时间相吻合，确保样品消解充分。

由图1可见，石墨炉与红外消解仪在适宜消解温度及时间条件下所测全氮质量分数拟合的回归方程y=1.027x-0.014，相关系数R2=0.999 9。说明2种消解仪所测结果趋势一致，P=0.301 2，2种消解仪所测结果呈显著性相关。

表2 2种消解仪不同消解时间的回收率及RSD(n=4)Table 2 Recovery rate and RSD (n=3) of different digestion times of two kinds of digestion instruments

图1 2种消解仪所测结果拟合的线性方程Fig.1 Regression equations for fitting the results measured by two digestion instruments

2.3 2种消解仪的比较

由表3可见，红外消解仪的消解管内径(D1)小，受热高度(L1)为14.5 cm，受热表面积(S1)为118.32 cm2，是石墨炉消解管受热面积(S2)的 4.5倍。石墨炉的消解管内径(D2)大，是红外消解仪的1.58倍，受热高度(L2)为4.1 cm，仅占消解管高度(H2)的14.14%。红外消解仪受热表面积(S1)大，样品升温快，开机10 min达到设定温度。石墨炉升温平缓，20～25 min达到设定温度(t)。由此可见，红外消解仪的样品先进入高温消解状态，故样品消至灰绿色的时间早于石墨炉，消解时间短于石墨炉。同“2.2”所述。

红外消解仪受热高度(L1)占消解管高度(H1)的50%，红外消解仪内径(D1)小，红外消解仪大部分管体处于高温。硫酸在高温条件下快速

表3 2种消解仪的比较Table 3 Comparison of two kinds of digestion instruments

分解为三氧化硫以及水，三氧化硫非常活跃并分解为二氧化硫及原子氧，原子氧接着氧化一氧化碳令其变为二氧化碳，大量高温气体产生一定气压，消解反应产生的气体上升至管口，温度变化不大，气压使红外消解仪易出现管口漏斗被喷离，造成消解液喷溅，引起氮损失。红外消解仪在370、380、390和400 ℃消解样品，漏斗喷离管口频次随着温度升高而增加。石墨炉受热高度(L2)占消解管高度(H2)的14.14%，石墨炉的消解管底部在加热区，大部分管体未加热。消解反应产生的大量气体的温度不断下降，气压随之减小，故无漏斗喷离管口，不易出现氮损失。以上说明2种消解仪所用消解管内径、受热部位表面积、受热部位高度对仪器升温速度、反应剧烈程度及氮损失有一定影响。故如“2.1”所述，红外消解仪在 370 ℃，石墨炉在380、390和400 ℃消解样品，精密度与准确性良好，红外消解仪在380、390和400 ℃消解样品，精密度与准确性欠佳。

2种消解仪同以360 ℃消解样品，排布在外围加热位有样品不沸，前消解用时超过60 min。以上说明2种消解仪排布外围的样品温度偏低，不易消解充分。故如“2.1”所述，2种消解仪在360 ℃消解样品所测结果精密度与准确性欠佳。2种消解仪同以370 ℃消解样品，石墨炉370 ℃消解样品所测结果偏低，精密度及准确性低于石墨炉380、390和400 ℃以及红外消解仪，红外消解仪370 ℃与石墨炉380 ℃消解样品所测结果的精密度及准确性相当。以上表明，石墨炉在370 ℃消解不充分，红外消解仪在370 ℃消解充分。这是因为石墨炉消解管仅底部小面积加热，管径大，消解反应放出的大量热量易于分散，温度高于370 ℃易于保持消解充分。红外消解仪的消解管大面积加热，管径小，消解反应放出的大量热量不易分散，提升了消解温度，促使样品在370 ℃充分消解。可见，2种消解仪的加热方式、消解管设计尺寸等差异影响了消解温度的选择。

3 讨 论

现有研究提出土壤全氮消解温度有在360～410 ℃，还有在300～360 ℃等多种[15-19]。本试验结果表明，2种消解仪在360 ℃不易将样品消解充分，适宜设定温度分别在370 ℃、380～400 ℃。这是因为2种消解仪加热方式、消解管尺寸及受热面积等设计特征各不相同，直接影响升温速度、温度保持、消解反应剧烈程度、氮损失，致使消解温度与消解时间存有差异。本试验从消解仪角度提出消解仪设计特征对消解条件选择的影响，以及不同消解仪消解条件差异的原因。

有文献提出凯式法消解时间为4 h，林业行标的消解时间约为1.5 h，还有研究指出样品消解2.5 h，消解液干结[17-18]。本试验结果表明，氮质量分数0.237 g/kg的样品消解1 h即达到消解终点，氮质量分数在0.93～8.8 g/kg的样品，2种消解仪消解时间在78～114 min。由于土壤样品的氮质量分数通常小于5 g/kg，称样量保持在0.65 g，消解时间控制在90～95 min即能保证消解充分，消解时间与林业行标的一致，但不同的是，本试验消解时间适用于氮质量分数小于4.52 g/kg的样品。本试验结果还表明前消解时间随样品氮质量分数升高而呈延长趋势，故总消解时间也随之延长。在现有研究中，样品氮质量分数与消解时间关联性未见讨论。本试验结果为不同样品的消解时间确定提出了重要的参考依据，对现有消解技术进行了补充。

通常认为人为误差是影响土壤全氮测定精密度及准确性的主要因素，结合消解仪探讨测定误差的讨论甚少。本试验中观察到2种消解仪外围与中间加热位的样品状态变化快慢有差异。这说明2种消解仪不同加热位有一定温差。红外消解仪适宜设定温度范围较小，超出适宜设定温度 10 ℃及其以上，测定结果的精密度与准确性呈下降趋势；石墨炉适宜设定温度上下限差异在20 ℃以内，精密度及准确性呈稳定状态。表明红外消解仪各加热位的温差大于石墨炉，测定结果的RSD及回收率变幅大于石墨炉。这是因为温度存在差异影响样品消解的一致性，造成一定检测误差，降低精密度及准确性。而各加热位的温度差异主要由加热源面积及热量损失等消解仪的设计要素决定。由于准确测量加热位温度有一定困难，本试验未进行温度实测，未能进一步探讨温度差异对检测稳定性的影响。

本试验在对2种消解仪消解条件的优化讨论中，提出消解仪的设计特征对消解条件及检测精密度和准确性的重要影响，还指出土壤氮质量分数对适宜消解时间确定的影响。本研究结果为合理选择使用消解仪，优化消解条件，准确测定土壤全氮提供可行的依据。

4 结 论

消解仪的设计特征直接影响样品消解温度、消解时间以及检测精密度和准确性。土壤全氮质量分数与消解时间选择密切关联。综合考虑消解仪设计特征、土壤全氮质量分数是确定适宜的消解条件，确保消解充分，检测准确稳定的重要前提。氮质量分数小于4.5 g/kg的样品，石墨炉设定温度在 380～400 ℃，红外消解仪设定370 ℃，消解时间95 min，检测准确。2种消解仪所测全氮量趋于一致，相关性良好(R2=0.999 9)。本研究结果对同类消解仪的消解条件选择优化有一定的参考性。