基體效應對火焰光度計測定土壤和植株鉀素含量準確性的影響

任嘉欣，楊文娜，李忠意，*，胡艷燕

(1.西南大學 資源環境學院，重慶 400716； 2.重慶市風景園林科學研究院，重慶 401329)

鉀是植物必需的大量營養元素之一，對植物生長、農產品品質和農業發展均有重要影響[1-3]。因此，準確測定土壤、肥料和植株中各種形態的鉀素含量就顯得尤為重要[4]。隨著儀器分析技術的發展，鉀素的測定方法由早期的化學分析法(四苯硼鈉滴定法、亞硝酸鈷鈉法和冠醚測定法)發展到現在的以儀器分析法(離子選擇性電極法、電感耦合等離子體光譜法、原子吸收分光光度法和火焰光度法)為主[5-7]。儀器分析方法中，火焰光度法所使用的火焰光度計是一種最簡單的直讀式原子發射光譜儀，通常以液化氣作為使待測元素原子化和激發的燃氣[6]。但液化氣的火焰溫度較低，不能滿足大多數元素的原子化和激發條件，只適用于激發能較低的堿金屬元素和部分堿土金屬元素的測定。

火焰光度計結構簡單、價格低廉，在農業領域鉀素測定中的應用極其廣泛[8-11]：國家標準(GB 9836—88 《土壤全鉀測定法》)、農業行業標準(NY/T 889—2004 《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》、NY/T 2540—2014 《肥料鉀含量的測定》、NY/T 2420—2013 《植株全鉀含量測定》)和林業行業標準(LY/T 1254—1999 《森林土壤全鉀、全鈉的測定》、LY/T 1235—1999 《森林土壤緩效鉀的測定》、LY/T 1236—1999 《森林土壤速效鉀的測定》)等標準中均規定或建議采用火焰光度計測定土壤、植株或肥料中各種形態鉀素的含量。

在使用火焰光度計測定鉀素含量時，必須消除由于標準溶液和樣品待測液間基體不一致所產生的基體效應干擾。基體效應干擾會使測得的樣品鉀素含量存在誤差。雖然國家標準和行業標準，以及大部分土壤分析類的書籍或手冊均在實驗步驟中明確說明了鉀素測定中須保證標準曲線基體和樣品基體的一致性，以減小基體效應干擾帶來的誤差[5，8]；但是，在實際的土壤分析工作中仍有部分研究者未注意到基體效應對土壤鉀素測定的干擾，為了實驗操作的便捷，無論是土壤還是植株樣品中何種鉀素形態的測定，均在配制K標準溶液時直接采用純水定容，以純水作為標準溶液的基體[12]。這種基體的不一致到底能對土壤或植株鉀素測定產生多大的干擾，目前仍缺乏明確的定量研究報道。為此，本研究在保證實驗準確度的前提下，定量研究了不同鉀素測定指標(土壤水溶性鉀、土壤速效鉀、土壤緩效鉀、土壤全鉀和植株全鉀)在K標線以純水為基體時所產生的誤差，明確了不同基體種類和不同稀釋倍數條件下基體效應對測定的干擾，以期為相關實驗操作提供參考與借鑒，保障檢測結果的準確性。

1 材料與方法

1.1 供試標準樣品

供試的標準物質包括：ASA-3a(GBW07414a，四川紫色土)和ASA-9(GBW07460，陜西黃綿土)2個土壤有效態成分分析標準物質，用于土壤水溶性鉀、速效鉀和緩效鉀的測定；GSS-7(GBW07407，磚紅壤)和GSS-8(GBW07408，黃土)2個土壤成分分析標準物質，用于土壤全鉀的測定；GSV-2(GBW07603，灌木枝葉)植物成分分析標準物質，用于植株全鉀的測定。

1.2 樣品鉀素含量測定

1.2.1 樣品前處理

土壤水溶性鉀的前處理(純水浸提法)：稱取10.00 g土樣于100 mL三角瓶中，加入50 mL去離子水，振蕩5 min，過濾后獲得濾液。

土壤速效鉀的前處理(NH4Ac浸提法)：稱取5.00 g土樣于150 mL三角瓶中，加入50 mL 1 mol·L-1NH4Ac溶液，振蕩20 min后過濾。

土壤緩效鉀的前處理(熱HNO3浸提法)：稱取2.50 g土樣于150 mL三角瓶中，加入25 mL 1 mol·L-1HNO3溶液，加彎頸小漏斗，在電爐微沸10 min后趁熱將溶液過濾至100 mL容量瓶中，冷卻后定容。

土壤全鉀的前處理(NaOH熔融法)：稱取0.200 0 g土樣平鋪于鎳坩堝底部，加入3滴無水乙醇潤濕土樣，加入2 g固體NaOH平鋪于土樣表面。將鎳坩堝放置在盤式電爐上進行低溫預熔融，冷卻后轉入馬弗爐，在720 ℃下加熱保持15 min，冷卻后將熔塊用熱純水轉移至100 mL容量瓶，加入10 mL 4.5 mol·L-1H2SO4以中和堿度，待溶液冷卻后用純水定容。

植物全鉀的前處理(H2SO4-H2O2消煮法)：稱取0.500 0 g植物樣品于100 mL三角瓶中，加入濃硫酸5 mL，加入幾滴30%(體積分數) H2O2，用電爐加熱微沸5 min，冷卻后再加入幾滴30% H2O2，繼續加熱，如此反復消煮至溶液完全清亮。將消化好的溶液轉移至50 mL容量瓶，冷卻后定容。

所有樣品均進行5次以上的平行實驗，同時進行空白實驗。

1.2.2 樣品待測液的準備

根據樣品中鉀素的含量，將前處理好的溶液(制備液)按一定的倍數進行稀釋，以使稀釋后的待測液中鉀含量處于火焰光度計的最佳檢測范圍內：土壤水溶性鉀，直接測定制備液(稀釋倍數為1)；土壤速效鉀，吸取5 mL制備液至25 mL容量瓶中，用純水定容待測(稀釋倍數為5)；土壤緩效鉀，吸取5 mL制備液至25 mL容量瓶中，用純水定容待測(稀釋倍數為5)；土壤全鉀，土樣GSS-7直接測定原液(稀釋倍數為1)，土樣GSS-8吸取5 mL制備液至25 mL容量瓶中，用純水定容待測(稀釋倍數為5)；植株全鉀，吸取2 mL制備液至50 mL容量瓶中，用純水定容待測(稀釋倍數為25)。

1.3 火焰光度計操作步驟

本研究中測定鉀素含量的儀器為FP640型火焰光度計(上海傲譜分析儀器有限公司)。儀器的操作過程如下。

(1)開機。打開火焰光度計電源，選擇待測元素為K，打開空氣壓縮機電源，待空氣壓縮機壓力穩定后(0.25 MPa)打開液化氣罐閥門，點火，調節燃氣速率，使火焰呈三角錐形，預熱20 min。

(2)調標。由于儀器所能顯示的電信號值最大為200，最低為0。為減少測量誤差，既要盡可能地使低濃度溶液能獲得較大的電信號值，又得保證高濃度溶液的電信號值不超過200，使溶液鉀濃度與儀器所能顯示的電信號值之間建立最佳的對應關系。待儀器穩定后，測量濃度為0的K標準溶液，調節儀器面板上的“低標”旋鈕，使顯示的電信號值為0；測定濃度一定的K標液，調節儀器面板上的“高標”旋鈕使顯示的電信號值為一特定值。

(3)測定。先測定K系列標準溶液的電信號值，再測定樣品的電信號值。

(4)關機。測定結束后，關閉液化氣罐閥門，待火焰熄滅后關閉空氣壓縮機和火焰光度計電源。

1.4 火焰光度計最佳檢測范圍的確定

以純水為基體，配制濃度為0、1、3、5、7、10、15、20、25、30、35、40、50 mg·L-1的鉀標準溶液。按火焰光度計操作步驟測定不同濃度K標液的電信號值。“高標”調節時將10 mg·L-1的K標液電信號調至40。

1.5 不同基體標準溶液的測定

1.5.1 不同基體的系列濃度(0、1、3、5、7 mg·L-1)K標準溶液

分別準確吸取0、1、3、5、7 mL 100 mg·L-1的K標準母液于100 mL容量瓶中，用純水定容即得水溶性K標液；用1 mol·L-1NH4OAc溶液定容即得速效K標液；加入5 mL 1 mol·L-1HNO3后用純水定容即得緩效K標液；加入5 mol·L-1NaOH+4.5 mol·L-1H2SO4混合溶液2 mL后用純水定容，得土壤全K標液1，該標液基體與土樣GSS-8待測液的基體相同；加入5 mol·L-1NaOH+4.5 mol·L-1H2SO4混合溶液10 mL后用純水定容，得土壤全K標液2，該標液基體與土樣GSS-7待測液的基體相同；加入植株K空白處理的制備液4 mL，純水定容，即得植株K標液。

“高標”調節時將基體為水的7 mg·L-1的K標液電信號調至70，依次測定不同基體的系列濃度K標準溶液的電信號值，然后再測定樣品待測液的電信號值。

1.5.2 不同基體濃度的15 mg·L-1K標準溶液

速效鉀：準確吸取15 mL 100 mg·L-1的K標準母液于100 mL容量瓶中，分別用1 mol·L-1NH4OAc溶液定容和分別加入20、10、4 mL的1 mol·L-1NH4OAc溶液用純水定容，這樣獲得的15 mg·L-1K標準溶液的基體與速效K樣品待測液稀釋1、5、10、25倍的基體相同。

緩效K：準確吸取15 mL 100 mg·L-1的K標準母液于100 mL容量瓶中，分別加入25、5、2.5、1 mL的1 mol·L-1HNO3溶液后用純水定容，這樣獲得的15 mg·L-1K標準溶液的基體與緩效K樣品待測液稀釋1、5、10、25倍的基體相同。

土壤全K：準確吸取15 mL 100 mg·L-1的K標準母液于100 mL容量瓶中，分別加入10、2、1 mL的5 mol·L-1NaOH+4.5 mol·L-1H2SO4混合溶液，純水定容，這樣獲得的15 mg·L-1K標準溶液的基體與土壤全K樣品待測液稀釋1、5、10倍的基體相同。

植株全K：準確吸取15 mL 100 mg·L-1的K標準母液于100 mL容量瓶中，加入植株K空白處理的制備液20、10、4 mL，純水定容，這樣獲得的15 mg·L-1K標準溶液的基體與植株全K樣品待測液稀釋5、10、25倍的基體相同。

“高標”調節時將基體為水的15 mg·L-1的K標液電信號調至150，依次測定不同基體濃度K標準溶液的電信號值。

不同基體和濃度的K標準溶液均進行3次以上的平行實驗。

1.6 數據處理

利用Excel 2010軟件和SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析。文中數據表示方式為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 儀器測量的準確性驗證

圖1 基體為水時不同濃度K標液的電信號值Fig.1 Signals of K+ standard solutions when matrix is deionized water

為獲得準確的測量結果，需要先確定火焰光度計的最佳檢測范圍。測量基體為水、濃度為0～50 mg·L-1的鉀標準溶液的電信號值(圖1)。可以看出，當鉀標液的濃度小于10 mg·L-1時，鉀標液濃度與測得的電信號值間具有極好的線性關系(R2=0.999 8)。但隨著溶液中K+濃度的進一步升高，K+濃度與電信號間不再呈線性關系，測得的電信號值與溶液K濃度間的倍數關系逐漸降低。這是由于“自吸收干擾”的存在使得測得的電信號強度不再隨待測元素濃度的增加而線性增加。自吸收干擾是火焰光度計等原子發射光譜儀分析的主要干擾，它是由于基態自由原子激發后產生的光輻射通過含有相同元素的原子蒸氣時，被同元素的基態原子吸收，而使譜線的強度減弱(這種現象被稱為“自吸收現象”)。自吸收干擾的存在決定了原子發射光譜分析的檢測上限。由于自吸收干擾的存在，原子發射光譜的定量分析只能控制在一定的濃度之下。本研究中測定鉀標液的線性范圍為0～10 mg·L-1，當K標準溶液和待測液中的K+含量在此濃度范圍內時，才有可能獲得準確的測定結果。

在確定儀器的最佳測量范圍后，測量不同基體K標液的電信號值(圖2)。可以看出，各基體的系列K標液均具有極好的線性關系，決定系數(R2)均大于0.999。不同基體間K標線的斜率不同，可見相同濃度的K標液在不同基體條件下測得的電信號值存在一定的差異。根據各基體K標液的標準曲線和對應相同基體待測液的電信號值計算得到標準樣品的各種形態鉀素含量(表1)。測得的標準樣品鉀素含量和標準認定值具有極好的一致性，樣品回收率在90.7%～111%。說明在火焰光度計的最佳測定范圍內，當不存在基體效應干擾時，所測得的標準樣品鉀素含量具有極好的回收率，證明本研究中包括樣品前處理和待測液測定在內的所有實驗步驟和后續的結果計算均是準確的，可以用于進一步研究和分析基體效應干擾對土壤和植株鉀素測定的影響。

圖2 不同基體下K標液的電信號值Fig.2 Signals of K+ standard solutions with different matrixes

2.2 不同鉀素形態基體的電信號差異

從圖2可以看出，不同基體鉀標液的斜率從大到小依次為水溶性鉀>速效鉀>緩效鉀>土壤全鉀1>植株全鉀>土壤全鉀2，其中速效鉀和緩效鉀的斜率差異不大。在相同的鉀標液濃度條件下，測得的水溶性鉀基體電信號值均高于其他基體。因此，在土壤或植株鉀素測定工作中，若鉀的標準溶液均以純水為基體，則可能產生較大的負誤差。對圖2的數據做進一步處理，獲得不同基體鉀標液的電信號誤差值(純水基體-其他基體)和相對誤差值[(純水基體-其他基體)/其他基體](圖3、圖4)。可以看出，在非水溶態鉀素的測定中，若以純水作為標準溶液的基體，會使標準溶液測得的電信號值產生正誤差，且誤差隨著鉀標準溶液濃度的增大而增大。不同形態鉀素測定以純水作為標液基體時導致的誤差大小不同，從大到小依次為土壤全鉀2>植株全鉀>土壤全鉀1>緩效鉀>速效鉀(圖3)。標液基體差異產生的相對誤差大小隨K+濃度變化的關系如圖4所示。

表1 標準樣品的鉀素含量測定結果

Table1Content of K in different standard samples

指標Index水溶性鉀Water soluble K/( mg·kg-1)ASA-3aASA-9速效鉀Rapidly available K/(g·kg-1)ASA-3aASA-9緩效鉀Slowly available K/(g·kg-1)ASA-3aASA-9土壤全鉀(K2O)Total K of soil(K2O)/(g·kg-1)GSS-7GSS-8植株全鉀Total K ofplant/(g·kg-1)GSV-2標準認定值36±529±50.38±0.030.33±0.020.88±0.081.2±0.22.0±0.224.2±0.49.2±1.0Certified value測得結果(n=5)36.5±0.428.3±0.40.349±0.0030.323±0.0040.890±0.0121.18±0.012.00±0.0924.5±0.59.99±0.20Measured value回收率(n=5)Recovery rate/%99.6～10295.6～98.990.7～92.496.6～98.599.6～10297.5～99.497.0～10898.1～103106～111

圖3 純水基體K標液與其他基體K標液的電信號差值Fig.3 Variation of signals between K+ standard solution with matrix of water and K+ standard solution with other matrix

圖4 純水基體K標液與其他基體K標液的電信號相對誤差Fig.4 Relative error of signal values between standard K+ solution with matrix of water and standard K+ solution with other matrix

當溶液中K+濃度在0～2 mg·L-1時，相對誤差隨溶液濃度的增加而增加，隨后趨于穩定或有微弱降低。當溶液中K+濃度大于2 mg·L-1時，基體差異產生的電信號值相對誤差分別約為67%(土壤全鉀2)、39%(植株全鉀)、28%(土壤全鉀1)、18%(緩效鉀)和16%(速效鉀)。可以看出，測定有效態鉀時，基體效應造成的標液電信號值誤差和相對誤差較低，而測定全量鉀素時，基體效應對標液電信號值的影響極大。若本研究中標準樣品的鉀素含量按基體為純水的鉀標液進行計算，則會產生較大的測量誤差(表2)，計算得到的標準樣品鉀素含量回收率較低(59.1%～93.4%)，相對誤差較大(7.4%～39.0%)。

2.3 不同基體稀釋倍數的電信號差異

對樣品進行前處理獲得測定鉀素的制備液后，常需要根據火焰光度計的最佳檢測范圍和樣品的鉀素含量對制備液進行一定倍數的稀釋，使稀釋后的待測液中鉀素含量恰好處于火焰光度計的最佳檢測范圍內。由于樣品間各形態鉀素的含量不一，各待測液的稀釋倍數也不相同，因此不同稀釋倍數待測液的基體也不相同。以本研究中的制備液為例，標準樣品GSS-8的全鉀含量較高，待測液的稀釋倍數為5倍，而標準樣品GSS-7的全鉀含量較低，直接以制備液為待測液(稀釋倍數為1)，與這2個待測液基體一致的鉀標準溶液分別編號為“土壤全鉀1”和“土壤全鉀2”。從圖2～4可以看出，測得的2個基體稀釋倍數的全鉀標液電信號值差異極大。在植株樣品農業化學分析中，由于不同種類、不同部位(莖、根、葉和種子)的鉀素含量差異較大，常須對制備液進行5～25倍的稀釋。土壤全鉀、速效鉀和緩效鉀待測液的稀釋倍數通常在1～25不等。從圖5可以看出，不同稀釋倍數的不同基體的15 mg·L-1鉀標液的電信號值存在一定的差異。相同稀釋倍數條件下，不同基體的鉀標液電信號從大到小表現為速效鉀≈緩效鉀>土壤全鉀>植株全鉀。相同基體的鉀標液電信號強度隨稀釋倍數的增加而增加，其中速效鉀和緩效鉀基體在稀釋倍數大于25倍后，所產生的電信號值與純水基體接近。但土壤全鉀和植株全鉀基體在稀釋倍數范圍內與純水基體的電信號值仍差異較大。如當基體稀釋倍數為10倍時，純水基體、速效鉀基體和緩效鉀基體標液的電信號均值分別為150、145和138，而土壤全鉀和植株全鉀基體標液的電信號值僅為116和106。

表2 當鉀標液基體為純水時測得的各標準樣品鉀素含量誤差

Table2Error of K content in standard samples when matrix of standard K+solutions was water

指標Index速效鉀Rapidly available KASA-3aASA-9緩效鉀Slowly available KASA-3aASA-9土壤全鉀Total K of soil(K2O)GSS-7GSS-8土壤全鉀Total K of soil(K2O)GSV-2測定值0.276±0.0020.256±0.0030.815±0.0101.06±0.0121.22±0.05619.2±0.3787.23±0.142Measured value/(g·kg-1)回收率71.7～73.076.8～78.291.3～93.487.6～89.259.1～65.976.9～80.776.5～80.3Recovery rate/%相對誤差27.422.47.411.739.020.721.4Relative error/%

3 討論

火焰光度計中基體效應產生的干擾屬于物理干擾，主要是組成樣品待測液與標準溶液的離子種類、離子濃度或酸堿度存在差異，使得試樣和標準樣的黏度、表面張力和相對密度等物理性質不一樣，從而使試樣和標準樣的進樣速率和霧化效率不一致而帶來干擾[13]。消除基體效應干擾的有效方法是使樣品待測液和標準溶液的溶液組成盡量一致[14-15]。本研究結果證明，若鉀素樣品待測液和標準溶液的基體不一致，會使測得的樣品鉀含量產生較大的負誤差。陳嘉勛等[16]在分析酸度對火焰光度計測定食品中鉀、鈉含量的影響時發現，硝酸和高氯酸均會對測定結果產生干擾，只有當標準曲線和樣品待測液酸度匹配時或待測液酸度小于1.0%時，酸度造成的基體效應干擾才能忽略不計。相比于土壤速效鉀和緩效鉀基體標液的電信號值，土壤全鉀和植株全鉀基體標液的電信號值與純水基體鉀標液的電信號值差異更大。這是由于土壤全鉀和植株全鉀溶液基體中含有密度和黏度較高的鹽和H2SO4，在相同的儀器條件下，樣品的進樣速率和霧化效率更低，從而使測得的電信號強度更低。王敬等[6]在研究火焰光度計抗酸干擾時也得出，不同酸對火焰光度計電信號影響的大小關系為H2SO4>HCl>HNO3，可見H2SO4產生的基體效應干擾極大。隨著待測液稀釋倍數的增加，待測液的基體濃度減小，基體效應干擾降低[17]。如速效鉀待測液在稀釋10倍時，基體效應干擾基本消失。但在通常的稀釋倍數范圍內，土壤全鉀和植株全鉀待測液與純水基體鉀標液間仍存在較大的基體效應干擾。

盡管增加待測液的稀釋倍數能夠降低基體效應干擾，但待測液的稀釋倍數并不能隨意增加，而是由制備液中K+含量和火焰光度計的最佳檢測范圍共同確定的。通常，只有當制備液中元素濃度足夠高時方可進行稀釋[18]。此外，計算得到的樣品中的鉀素含量由待測液電信號強度、稀釋倍數和樣品稱樣量等因素共同決定。因此，基體效應干擾引起的樣品鉀素含量的測定誤差可能比測得的電信號誤差更大。與其他行業的鉀素測定不同，在農業化學分析中，需要測定土壤、植株和肥料等樣品中各種形態的鉀素含量，測定指標多，溶液基體組成復雜，基體濃度倍數存在一定差異。在采用火焰光度計測定樣品鉀素含量時，為消除基體效應產生的干擾，必須保證鉀標準溶液的基體與待測液的基體相同。對于不同形態鉀素的測定，應分別配制含相應形態鉀素基體的標準溶液；當待測液鉀素含量過高需要進行稀釋時，鉀標準曲線也應含有同樣稀釋倍數的基體。

4 結論

標準溶液和待測液基體不同而導致的基體效應會對土壤和植株中各種形態鉀素的測定產生較為嚴重的干擾。本研究表明，受基體黏度、表面張力和相對密度等因素的影響，不同形態鉀素基體的電信號值從大到小依次為水溶性鉀>速效鉀>緩效鉀>土壤全鉀1>植株全鉀>土壤全鉀2。不同形態鉀素以純水基體為標準曲線時，會產生較大的負誤差，電信號值的相對誤差大小分別為67%(土壤全鉀2)、39%(植株全鉀)、28%(土壤全鉀1)、18%(緩效鉀)和16%(速效鉀)。速效鉀和緩效鉀基體在稀釋倍數大于25倍后，基體效應干擾影響較小，但土壤全鉀和植株全鉀基體制備液在1～25倍的稀釋倍數范圍內與純水基體的電信號值仍差異較大。在采用火焰光度計測定樣品鉀素含量時，為消除基體效應產生的干擾，應當保證鉀標準溶液的基體與待測液相同。