梁炬荣,陆金丹,杨伟明

(广东省科学院测试分析研究所(中国广州分析测试中心),广东省化学测量与应急检测技术重点实验室,广东 广州 510070)

氮元素是动植物生长过程中必不可少的营养元素之一,其中氮元素更是影响植物生长和导致其产量多少的首要元素,因此,若能对土壤中氮元素进行快速、准确地分析,对于农业的生产过程中氮元素的综合合理利用具有非常重要的意义。目前测定土壤中全氮最常用的检测方法是传统的凯氏定氮法,该方法准确度高,重现性好,但是其检测步骤操作过程繁琐复杂,分析检测速度较慢,而且实验过程中容易导致氮元素被污染或者因气密性不好导致其损失,所以凯氏定氮法不适用于大批量土壤样品中全氮的测定。因此,在农业生产过程中为了能够快速对土壤中的全氮进行准确分析并进行合理的利用,通过用石墨消解来对土壤样品进行消解,土壤样品经过快速消解后定容取滤液即可直接在气相分析吸收光谱仪上进行定量分析,按照此方法进行大批量的土壤样品进行测定,实践得出每小时能测定15个土壤样品,结果表明检测结果准确可靠。

测定的全氮是包括部分联氨、叠氮和偶氮等含氮元素的化合物,还包括有机氮,如氨基酸、蛋白质、尿素等。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1 凯氏定氮法

土壤中的全氮在高氯酸、硫代硫酸钠、浓硫酸和催化剂在高温消解的作用下,经氧化还原反应全部转化为以铵根形式存在的氮。将消解后的溶液加入氢氧化钠溶液碱化后,于蒸馏仪上蒸馏出的氨被硼酸吸收,用盐酸标准溶液滴定,根据标准盐酸溶液的消耗量来计算土壤中全氮含量。

1.1.2 气相分子吸收光谱法

水样经氧化剂酸化后,在气相分子吸收光谱仪的反应池中注入氧化剂,经过煮沸使得无水乙醇除去亚硝酸盐等干扰,并在试剂次溴酸盐氧化剂将铵态形式的氮转化成亚硝酸盐氮,检测系统以测定亚硝酸盐氮的形式采用气相分子吸收光谱法测定氨氮(以N计)的含量,通过计算得出土壤全氮含量。

1.2 仪器与试剂

1.2.1 仪器

石墨消解仪(DS-360),GMA3386 气相分子吸收光谱仪,JP-100S超声波清洗器,25 mL 酸式滴定管,一体化智能蒸馏仪,分析天平(万分之一、十万分之一),电炉。

1.2.2 试剂:(均为分析纯)

(1)重铬酸钾,硫酸钾,氢氧化钠,五水硫酸铜,五水硫代硫酸钠,二氧化钛,硼酸,溴酸钾,无水乙醇,浓硫酸,高氯酸,浓盐酸,溴化钾;

(2)氢氧化钠溶液(400 g/L);

(3)硼酸溶液(20 g/L);

(4)重铬酸钾—硫酸溶液(0.4 mol/L);

(5)催化剂:200 g硫酸钾、6 g五水硫酸铜和6 g二氧化钛于玻璃研钵中混匀,研细,贮于试剂瓶中保存;

(6)还原剂:五水合硫代硫酸钠研磨后过孔径0.25 mm筛(临用现配);

(7)25%盐酸+30%乙醇混合溶液;

(8)次溴酸盐氧化剂:取9.0 mL溴酸盐混合储备液(储备液配制:称取30 g溴化钾及2.81 g溴酸钾,溶于500 mL水,于棕色玻璃瓶保存)于棕色带塞试剂瓶中,加入18 mL盐酸(1+1)及300 mL蒸馏水,马上密塞摇匀后于暗处放置5 min,然后加入100 mL氢氧化钠溶液(400 g/L),摇匀即可,避光保存;

(9)混合指示剂:将0.1 g 溴甲酚绿和0.02 g甲基红溶解于100 mL 无水乙醇中;

(10)标准物质:0.100 0 mol/L 盐酸标准溶液(深圳市博林达科技有限公司);GBW07XXX(GSS-31)、GBW07388(GSS-32)、GBW07401a(GSS-1a)(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所)。

1.3 实验方法

1.3.1 凯氏定氮法

称适量试样0.200 0～1.000 0 g,精确到0.000 1 g,放入150 mL锥形瓶,加少量水湿润,加入4 mL浓硫酸,瓶口上盖曲颈小漏斗,转动150 mL锥形瓶,使其充分混合后,浸泡8 h以上。使用干燥的长颈漏斗将0.5 g五水合硫代硫酸钠加到150 mL锥形瓶底部,置于电热板上加热,待冒白色烟雾后停止加热,待冷却后。加入1.1 g混合催化剂,摇匀,继续在电热板上进行消煮。消煮时保持微沸状态。待消解液和土样全部变成灰白色稍带绿色后,表明消解完全,再继续消煮1 h,待消煮液完全冷却,加入氢氧化钠溶液碱化后,于蒸馏仪上蒸馏出的氨被硼酸吸收,用盐酸标准溶液滴定,根据标准盐酸溶液的消耗量来计算土壤中全氮含量。

1.3.2 气相分子吸收光谱法

称取风干样品0.050 0～0.100 00 g(通过孔径0.15 mm筛)(精确到0.000 1 g),加入7～10 mL 0.4 mol/L重铬酸钾—硫酸溶液,于超声波清洗器中超声直至土壤均匀不结块,置于175±5 ℃的石墨消解仪中,待消解管出现水蒸气时开始计时,消解8～10 min后,取出放置冷却,转移至250 mL容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度标线,摇匀后静置收集上清液直接上机检测。

2 结果与讨论

2.1 样品取样量的选择

参考土壤有机质消解方法,石墨消解仪的硬质玻璃管允许最小取样量为0.050 0 g,最大容量为0.500 0 g,实际取样量大小由主要样品的含氮量决定。样品取样量越大越具代表性,重现性更好,但随着样品量的增大,样品中的有机物分解时间亦随之增加,并且会导致消解不完全,导致检测结果偏低。称取不同样品量,消解时间为10 min和10 mL 0.4 mol/L重铬酸钾-硫酸消解溶液,表1结果表明,土壤取样量在一般在0.050 0～0.100 0 g即能满足实验检测要求。

表1 不同取样量的测定结果

2.2 样品消解时间的选择

从表1可以得出在消解时间为10 min时土壤已经完全消解;土壤取样量在0.050 0～0.100 0 g之间,加入10 mL 0.4 mol/L重铬酸钾-硫酸消解溶液,分别在不同时间进行消解,消解时间分别是5,7,8 min,表2结果表明,土壤消解时间在一般在8～10 min即能满足实验检测要求。

表2 不同消解时间的测定结果

2.3 消解液体积的选择

从表1和表2可以得出土壤取样量在0.0500～0.100 0 g之间,加入10 mL 0.4 mol/L重铬酸钾-硫酸消解溶液,在消解时间为8～10 min时土壤已经完全消解;现在分别取不同体积的0.4 mol/L重铬酸钾-硫酸消解溶液进行消解,分别是5,6,7 mL,表3结果表明,土壤消解时间在一般在7～10 mL即能满足实验检测要求。

表3 不同消解溶液体积的测定结果

2.4 方法线性范围和检出限

气相分子吸收光谱仪对4.00 mg/L氨氮标准溶液进行自动稀释成0.100,0.200,0.400,0.800,2.00 mg/L的标准溶液系列,以质量浓度为横坐标,测得对应质量浓度的吸光度为纵坐标绘制标准曲线,线性回归方程为y=0.146 25x-0.000 55,相关系数r为0.999 9。

按照气相分子吸收光谱法测定氨氮的方法检出限为0.02 mg/L,土壤消解后消解液定量体积为250 mL,当土壤样品质量为0.100 0 g时,检出限为50 mg/kg。

2.5 方法准确度和精密度

土壤取样量0.050 0～0.100 0 g,加入7～10 mL 0.4 mol/L重铬酸钾-硫酸消解溶液在175±5 ℃下消解时间8～10 min,在此实验参数条件下,分3组分别准确称取3个不同浓度土壤标准物质,分别在每组样品中加入100 μg/mL氯化铵标准溶液(以N计)50,100,200 μL,同步进行6次平行测定,表4结果表明,在约1倍的加标浓度水平,平均回收率为89.3%～98.1%,相对标准偏差为3.8%～6.6%,方法的精密度和准确度符合HJ 717—2014的规定要求。

表4 方法回收率和相对标准偏差

2.6 方法对照实验

为了验证该方法的准确度,选用农业土和林业土两个类型土壤和低、中、高3种浓度的土壤标准物质GBW07388 (GSS-32)、GBW07XXX (GSS-31)、GBW07401a(GSS-1a),分别对其进行6次重复性测定,3个土壤标准物质的两种方法测定值均在标准值范围内,石墨消解-气相分子吸收光谱法的精密度在2.5%～7.8%之间,凯氏法的精密度在2.1%～5.2%之间,表5结果表明,2个土壤实际样品和GBW07388 (GSS-32)、GBW07XXX (GSS-31)、GBW07401a(GSS-1a)土壤标准物质两组数据间无显著性差异。

表5 本法与凯氏法结果比较

3 结论

(1)对样品取样量、石墨消解时间控制、重铬酸钾-硫酸消解溶液用量等实验影响要素进行了研究,得出最优实验参数是:土壤取样量在0.050 0～0.100 0 g、消解时间在8～10 min以及7～10 mL的重铬酸钾-硫酸消解溶液。

(2)在此实验参数下,方法检出限为50 mg/kg,方法的相对标准偏差为3.8%～6.6%,加标回收率为89.3%～98.1%;通过测量3个国家土壤标准物质,并与凯氏定氮法进行对照,结果表明两种方法间无显著性差异。

(3)采用石墨消解-气相分子吸收光谱法测定土壤中的全氮,样品前处理简单快捷,同时测定结果与凯氏法相比无明显差异。该方法操作简单,结果准确度高,快速检测,适用于大批量检测土壤样品中全氮含量。