全自動凱氏定氮儀測定干旱區土壤中全氮含量

王 磊 李艷紅＊ 袁 婕

（1新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊830054；2新疆維吾爾自治區重點實驗室 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，烏魯木齊830054）

0 引言

土壤肥沃的重要評定指標之一是土壤中氮的含量，氮在土壤中被認為是限制植物生長和最易耗竭的營養元素之一，土壤氮含量的多寡直接影響土壤的肥力［1］。測定土壤中元素的方法很多［2－3］，但分析土壤中全氮的報道不多。隨著現代儀器的發展，凱氏定氮法在教學、科研和生產實踐中有著極為廣泛的應用［4－5］。凱氏定氮儀普遍被各類實驗室接受，用于土壤全氮，飼料粗蛋白等的測定［6］。現在盡管有很多先進的自動或半自動凱氏定氮儀，可以實現自動蒸餾，自動滴定，但由于干旱區土壤鹽漬比較嚴重、含氮量的匱乏導致操作方法以及各試劑的用量與一般的方法有所不同，基于此，對UDK159凱氏定氮儀測定干旱區土壤全氮含量的方法、實驗中的影響因素進行研究，為科研、實驗教學和生產實踐提供一種經濟、環保和省時的氮含量測定方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

UDK159－全自動型凱氏定氮儀（意大利VELP公司）；溫控消解器：DK8S消解爐（8孔）；萬分之一電子天平：檢定最大允許誤差±0.1mg；容量瓶（100mL，1L），移液管（10mL）。

1.2 試劑

實驗所用水系二次蒸餾水，試劑均系分析純。混合催化劑（K2SO4∶CuSO4＝10∶1，磨碎混勻）、氫氧化鈉溶液（350～400g／L）、硼酸溶液（40g／L）、混合指示劑（甲基紅∶溴甲酚綠乙醇溶液＝0.7∶1）、鹽酸標準溶液（0.100 0和0.100 6mol／L）、硫酸銨（氮含量為21.19%）。

1.3 實驗原理

在室溫下，土壤樣品與催化劑和濃硫酸一同加熱消解，使土壤中有機物質的氮分解，分解成氨的形式與硫酸結合成硫酸銨分子。然后在堿性條件下蒸餾使氨游離，用硼酸吸收后再以鹽酸或硫酸標準溶液滴定，根據消耗的酸量，計算出氮的含量。

1.4 試樣采集與處理

實驗所用樣品均來自于干旱區艾比湖濕地國家級自然保護區，采集土壤樣品（500袋），將土壤樣品進行風干、研磨、過篩（0.25mm）、標記和裝袋密封處理。

1.5 實驗步驟

1.5.1 樣品處理

準確稱取樣品2.000 0g土壤樣品倒入消解管中，加入7.0g混合催化劑，用量筒量取20mL硫酸緩慢倒入消解管并混勻。將消解管置于溫控消解器上，起初應先設置好溫控消解器程序。加熱過程：在150℃下加熱10min（去除樣品水分），350℃下加熱10min（接近硫酸沸點），420℃下加熱60min（充分消解樣品）。最后直至消解溶液呈清亮透明，此為CuSO4溶液的顏色。最后待樣品液冷卻后（50～60℃），可用全自動凱氏定氮儀進行蒸餾滴定（滴定時間一般為5min）。

1.5.2 標準溶液的標定

稱取0.200 0g于270～300℃灼燒至恒重的基準無水碳酸鈉，溶于50mL水中，加10滴溴甲酚綠－甲基紅混合指示劑，用配好的鹽酸溶液滴定至溶液由綠色變為灰紅色，煮沸2min，冷卻后繼續滴定至溶液再呈現灰紅色。終點記錄鹽酸溶液的用量，同時做一空白對照實驗。鹽酸溶液的濃度計算公式如式（1）所示。

式中：C（HCl）——鹽酸標準溶液之物質的量的濃度，mol／L；

m——無水碳酸鈉之質量，g；

V1——鹽酸溶液之用量，mL；

V2——空白實驗鹽酸溶液之用量，mL；

1.5.3 測定土壤樣品

首先進行儀器的檢查，再進行參數的設定，其次檢查各容器中氫氧化鈉、硼酸、蒸餾水等表液是否足夠，打開冷凝水管，開啟電源開關，儀器預熱5min后，進行自檢，設定空白、硫酸氨溶液及待測樣品的參數（重量、方法、組數、編號等），設定好后進行空白溶液及硫酸氨溶液的測定，待硫酸氨校正值氮測定值為（21.19±0.2）%時，進入樣品檢測。即放入冷卻并且消解好的樣品，即可自動蒸餾、滴定。根據標準酸消耗量進行自動計算，得出結果，導出數據。土壤中全氮計算公式如式（2）所示。

式中：V—滴定試液時所用的鹽酸標準溶液體積，mL；

V0—滴定空白時所用的鹽酸標準溶液體積，mL；

C—鹽酸標準溶液的質量濃度，mol／L；

14—氮原子的摩爾質量，g／mol；

M—風干試樣質量，g。

2 結果與討論

2.1 消解時間的選擇

為考察混合法是否已把土壤中的有機物完全消解，首先對消解時間進行優化，結果見表1。由表1可以看出，消解時間過短（10～20min），則土壤樣品未完全消解，致使檢測結果偏低；時間過長（40～60min），測定結果也會偏低，梁芳珍等［6］研究表明可能是因為小部分氮隨水蒸汽一起逸出引起的。消

表1 消解時間對測定結果的影響Table 1 Effect of digestion time on the determination of TN（n＝4） ／%

2.2 濃硫酸用量的選擇

準確稱取2.000 0g的土壤樣品，加7.0g混合催化劑，改變濃硫酸的用量，按混合法消解30min，測土壤中全氮含量（表2）。結果表明：濃硫酸用量小于或等于5mL時，無法滿足消解過程中所需要的酸用量，硫酸燒干與消解管緊貼，消解管中土壤樣品發生碳化，最終造成測定結果偏低；當硫酸用量大于或等于25mL時，由于硫酸過量，儀器自動蒸餾時加入的氫氧化鈉溶液會引起劇烈的強酸和強堿中和反應，導致大量放熱，瞬間產生大量氨氣無法完全冷凝吸收，導致裝置漏氣，以至于使結果偏低，甚至滴定不準確。因此，對于干旱區凱式定氮儀對全氮測量中硫酸用量應控制在10～15mL。解30min所測平均結果基本一致、平均偏差為0.001 0%、變異系數最為0.008 8，表明土壤中有機物在30min已完全消解，因此實驗選擇消解時間為30min，所測干旱區土壤中氮含量為（0.260±0.003）%（P＝0.95）。

表2 濃硫酸用量不同對總氮測定結果的影響Table 2 Effect of the volume of concentrated sulfuric acid on the determination of TN ／%

2.3 精密度實驗

精密度實驗是以氮含量為21.19%的分析純硫酸銨為樣品，硫酸銨在105℃的烘箱中烘3h，冷卻后稱樣并直接蒸餾，測量其氮含量。分別測定6次，計算測定結果的相對標準偏差（RSD），結果見表3。由表1～6樣品可知，測得的結果基本一致，相對標準偏差在0.092%～0.11%，說明儀器正常，并且本方法的準確度符合GB／T 8572—2001中規定的同一實驗室測定結果的絕對差值不大于0.30%的要求。

表3 測定干旱區土壤全氮含量的實驗結果Table 3Analytical results of TN in soil samples in arid area（n＝6） ／%

3 結語

通過對混合法測定干旱區土壤中全氮含量條件的優化，硫酸用量在10～15mL時為最佳酸用量，有機物在30min時已完全消解；NaOH標準溶液消耗體積設定在50mL；干旱區土壤中氮一般含量為（0.260±0.003）%。

采用改進凱氏定氮法，消解裝置可以縮短消解時間，節約試劑的使用，明顯減少了CO2，SO2，SO3等氣體的排放量，既經濟又環保。

［1］方萬東 .氮元素在生物－地球－化學循環過程中的生態環境問題［J］.陜西教育學院學報，1999（2）：85－87.

［2］徐子優 .固體直接進樣石墨爐原子吸收法測定土壤中鎘元素［J］.中國無機分析化學，2013，3（3）：8－12.

［3］趙春燕 .離子色譜法測定東下馮遺址土壤中的無機陰離子［J］.中國無機分析化學，2012，2（3）：22－23，34.

［4］中華人民共和國衛生部，中國國家標準化管理委員會.GB／T 5009.5—2003食品中蛋白質的測定［S］.北京：中國標準出版社，2004.

［5］王雅 .蛋白質測定實驗的研究［J］.實驗室研究與探索，2005，24（4）：58－59.

［6］梁芳珍 .無腺體棉仁蛋白粉kjeldahl定氮法的有效消解劑［J］.中國油酯，1999，22（5）：36.