2種消解儀不同消解條件對凱氏定氮法測定結果的影響

李朝英，鄭 路,

(1.中國林業科學研究院 熱帶林業實驗中心，廣西憑祥 532600；2.廣西友誼關森林生態系統國家定位觀測研究站，廣西憑祥 532600)

氮素是植物生長必須的養分，土壤氮量體現了氮循環狀況，是評價土壤肥力的重要指標[1-3]。土壤氮素形態分為有機態氮和無機態氮兩大類，其中無機態氮含量少，僅占全氮的2%以內，90%以上的氮素以有機態氮形式存在，如酰胺態、脂胺、芳胺和雜環氮等。有機態氮結構復雜，不易分解[4-6]。土壤全氮測定方法主要有干燒法和濕法消解-蒸餾法兩類。干燒法在高溫下氧化氮素，所用儀器自動化程度高，價格昂貴，使用不普及。濕法消解-蒸餾法以強酸或強氧化劑將有機態氮氧化分解成為銨根離子，蒸餾測定全氮含量，設施簡單，應用廣泛[7-8]。濕法消解因所用的酸和氧化劑不同而有多種方法，其中凱式法為經典方法[9-11]。在國標、環境保護及林業行業標準中，凱式法以無溫顯裝置的電爐消解樣品，通過觀察試驗現象變化消解樣品，這種方式易存在人為偏差，且操作不便。隨著科技進步，很多實驗室配備了可調溫控時的石墨爐、紅外消解儀代替電爐消解樣品[12-14]。石墨爐的加熱管鋪設在石墨板下方，以石墨為導熱介質，消解管置于孔洞中加熱，而紅外消解儀的消解管懸于石英加熱管上方輻射加熱，操作方便。目前對土壤全氮的消解條件有些討論[15-16]，但對不同消解儀器的消解條件鮮見討論分析，不同消解儀器的消解條件差異并不清楚。為此，本試驗使用石墨爐、紅外消解儀以凱式法在不同溫度、時間及不同氮質量分數樣品等條件下消解土壤，對所測結果進行比較分析，以期探討土壤全氮的適宜消解條件，為實驗室高效利用消解儀及準確測定土壤全氮提供有效可行的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試劑及儀器 硫酸、硫酸鉀、硫酸銅、鹽酸、硼酸指示劑、氫氧化鈉，均為分析純級別。

主要儀器有電子分析天平(BSA224S-CW 賽多利斯科學儀器公司)、石墨爐(SH2201 山東海能儀器公司)、紅外消解儀(SKD-48S2上海沛歐分析儀器公司)、恒溫培養箱(BPG-9240A上海一恒科技有限公司)。

1.1.2 樣品采集與處理 以黑龍江黑土(S1)[質量分數1.62±0.07 g/kg和安徽潮土(S2)質量分數1.09±0.07 g/kg]為標準物質。2016年12月采集廣西友誼關森林生態系統國家定位觀測研究站伏波實驗人工林的2個土樣。自然風干后，過10目篩，鋪平，四分法取一半，過60目篩，裝袋標識，分別作為實驗室內標土樣S3和S4(S3重復檢測10次，氮質量分數為8.80±0.45 g/kg，S4重復檢測10次，氮質量分數為 0.237±0.012 g/kg)。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同溫度消解 稱取標準土樣S1、S2各0.650 0 g，分別置于紅外消解儀、石墨爐的消解管中，加5 mL硫酸，1.8 g催化劑[硫酸鉀∶硫酸銅=9∶1(質量比)混合]，分別在360、370、380、390和 400 ℃消解100 min。消解液清洗入50 mL比色管，用水定容后搖勻。抽取待測液5 mL加入擴散皿外室，內室加入硼酸指示劑2.5 mL，快速加入10 mol/L NaOH 10 mL，封蓋置于 40 ℃恒溫箱中培養24 h，以0.01 mol/L的鹽酸滴定至紫紅色。同時做空白2個，以上試驗重復4次。

1.2.2 不同消解時間消解 稱取標準土樣S3 0.650 0 g，S3與S4混合樣0.650 0 g(2個樣各 0.325 0 g，混合樣氮質量分數為4.52 g/kg)、稱取S1、S1與S4混合樣0.650 0 g(2個樣各 0.325 0 g，混合樣氮質量分數0.93 g/kg)、稱取S4 0.65 g，分別放入紅外消解儀、石墨爐的消解管中，樣品消至灰綠色(稱前消解)，后消解時間分別為42、60和76 min，其他同“1.2.1”操作，同時做空白2個。以上試驗重復3次。

1.3 數據處理

試驗數據采用 Microsoft Excel 2003統計及繪圖，使用SPSS 17.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 2種消解儀適宜消解溫度的選擇

由表1可知，紅外消解儀在360 ℃和400 ℃消解與石墨爐在360 ℃消解所測結果偏低；紅外消解儀在390、380和370 ℃消解與石墨爐在370、380、390和400 ℃消解所測結果趨于一致，且無顯著性差異。紅外消解儀在360 ℃和400 ℃及石墨爐在360 ℃消解所測結果與其他條件下所測結果差異顯著。紅外消解儀在360、370、380、390和400 ℃消解所測結果相對標準偏差(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 ℃消解所測結果RSD均大于5%，且有的樣品RSD高達8%以上；380 ℃所測結果的RSD較360、390和400 ℃小，但有樣品的RSD趨近6%，說明精密度仍欠佳，而370 ℃消解所測結果RSD均低于5%，精度度良好。石墨爐在360、370、380、390和400 ℃消解所測結果RSD分別為6.71%～10.78%、3.81%～6.48%、 3.10%～4.67%、1.82%～3.81%、 2.50%～ 2.70%。360 ℃消解所測結果RSD可高達10%以上，精密度較差，370 ℃消解所測結果RSD較360 ℃的有所降低，但有樣品的RSD大于6%，說明精密度仍欠佳；380、390和400 ℃消解所測結果RSD小于5%，精密度良好。紅外消解儀在360 ℃和400 ℃消解樣品的回收率低于92%， 390 ℃消解樣品的回收率在92.66%～94.44%，均低于95%，380 ℃消解樣品的回收率為 94.49%～97.53%。有的樣品回收率小于95%，370 ℃消解樣品的回收率在97.24%～98.77%，樣品回收率均在95%～100%，故 370 ℃消解樣品的準確性較高。石墨爐在360 ℃消解樣品的回收率均低于92%。370 ℃消解樣品的回收率在93.58%～ 96.91%，有的樣品回收率小于95%；380、390和 400 ℃回收率在96.33%～ 101.85%，樣品的回收率均在95%～102%，故380、390和400 ℃消解樣品的準確性較高。

表1 2種消解儀在不同溫度條件下的測定結果Table 1 The results determined by two digest instruments under different temperatures

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

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

由上可見，紅外消解儀適宜消解溫度為 370 ℃，石墨爐適宜消解溫度為380～400 ℃，2種消解儀的適宜消解溫度有所不同。

2.2 消解時間的選擇

由表2可知，氮質量分數0.237、0.93～ 1.62、4.52和8.8 g/kg樣品以石墨爐消解至灰綠色用時(前消解時間)分別為18、25、35和54 min。紅外消解儀消解樣品至灰綠色用時分別為15、18、22、30和47 min。石墨爐前消解用時大于紅外消解儀。氮質量分數 0.237 g/kg的樣品，石墨爐消解60、78和94 min，紅外消解儀分別消解57、75和91 min的回收率大于95%，RSD小于4.2%。氮質量分數0.93～8.8 g/kg的樣品，2種消解儀后消解42 min的回收率在91.36%～94.71%,RSD在4.00%～5.75%;后消解時間等于或大于60 min的回收率為96.04%～ 101.85%，RSD在1.82%～4.18%。以上說明含氮量低的樣品有機氮量低，易于消解充分，消解用時不到60 min。樣品含氮量達到一定程度時，有機氮量增加，樣品不易消解充分。樣品完成前消解，后消解時間低于60 min，消解不充分，導致所測結果偏低，精密度及準確性欠佳；樣品后消解時間等于或長于60 min，消解充分。2種消解儀所測全氮質量分數相對相差為0.25%～ 5.10%，測定結果趨于一致，且精密度及準確性良好。因此，后消解時間至少為60 min。含氮0.237、 0.93、 1.62、4.52和8.8 g/kg的樣品，石墨爐適宜消解時間為60、85、87、95和114 min，紅外消解儀適宜消解時間為57、78、82、90和107 min。2種消解儀的消解時間隨樣品氮質量分數升高呈增加趨勢。對于相同氮質量分數樣品，2種消解儀的適宜消解時間差低于10 min。“2.1”中所用樣品的氮質量分數為1.09～1.62 g/kg，石墨爐、紅外消解儀采用消解時間均為100 min，與上述消解時間相吻合，確保樣品消解充分。

由圖1可見，石墨爐與紅外消解儀在適宜消解溫度及時間條件下所測全氮質量分數擬合的回歸方程y=1.027x-0.014，相關系數R2=0.999 9。說明2種消解儀所測結果趨勢一致，P=0.301 2，2種消解儀所測結果呈顯著性相關。

表2 2種消解儀不同消解時間的回收率及RSD(n=4)Table 2 Recovery rate and RSD (n=3) of different digestion times of two kinds of digestion instruments

圖1 2種消解儀所測結果擬合的線性方程Fig.1 Regression equations for fitting the results measured by two digestion instruments

2.3 2種消解儀的比較

由表3可見，紅外消解儀的消解管內徑(D1)小，受熱高度(L1)為14.5 cm，受熱表面積(S1)為118.32 cm2，是石墨爐消解管受熱面積(S2)的 4.5倍。石墨爐的消解管內徑(D2)大，是紅外消解儀的1.58倍，受熱高度(L2)為4.1 cm，僅占消解管高度(H2)的14.14%。紅外消解儀受熱表面積(S1)大，樣品升溫快，開機10 min達到設定溫度。石墨爐升溫平緩，20～25 min達到設定溫度(t)。由此可見，紅外消解儀的樣品先進入高溫消解狀態，故樣品消至灰綠色的時間早于石墨爐，消解時間短于石墨爐。同“2.2”所述。

紅外消解儀受熱高度(L1)占消解管高度(H1)的50%，紅外消解儀內徑(D1)小，紅外消解儀大部分管體處于高溫。硫酸在高溫條件下快速

表3 2種消解儀的比較Table 3 Comparison of two kinds of digestion instruments

分解為三氧化硫以及水，三氧化硫非常活躍并分解為二氧化硫及原子氧，原子氧接著氧化一氧化碳令其變為二氧化碳，大量高溫氣體產生一定氣壓，消解反應產生的氣體上升至管口，溫度變化不大，氣壓使紅外消解儀易出現管口漏斗被噴離，造成消解液噴濺，引起氮損失。紅外消解儀在370、380、390和400 ℃消解樣品，漏斗噴離管口頻次隨著溫度升高而增加。石墨爐受熱高度(L2)占消解管高度(H2)的14.14%，石墨爐的消解管底部在加熱區，大部分管體未加熱。消解反應產生的大量氣體的溫度不斷下降，氣壓隨之減小，故無漏斗噴離管口，不易出現氮損失。以上說明2種消解儀所用消解管內徑、受熱部位表面積、受熱部位高度對儀器升溫速度、反應劇烈程度及氮損失有一定影響。故如“2.1”所述，紅外消解儀在 370 ℃，石墨爐在380、390和400 ℃消解樣品，精密度與準確性良好，紅外消解儀在380、390和400 ℃消解樣品，精密度與準確性欠佳。

2種消解儀同以360 ℃消解樣品，排布在外圍加熱位有樣品不沸，前消解用時超過60 min。以上說明2種消解儀排布外圍的樣品溫度偏低，不易消解充分。故如“2.1”所述，2種消解儀在360 ℃消解樣品所測結果精密度與準確性欠佳。2種消解儀同以370 ℃消解樣品，石墨爐370 ℃消解樣品所測結果偏低，精密度及準確性低于石墨爐380、390和400 ℃以及紅外消解儀，紅外消解儀370 ℃與石墨爐380 ℃消解樣品所測結果的精密度及準確性相當。以上表明，石墨爐在370 ℃消解不充分，紅外消解儀在370 ℃消解充分。這是因為石墨爐消解管僅底部小面積加熱，管徑大，消解反應放出的大量熱量易于分散，溫度高于370 ℃易于保持消解充分。紅外消解儀的消解管大面積加熱，管徑小，消解反應放出的大量熱量不易分散，提升了消解溫度，促使樣品在370 ℃充分消解。可見，2種消解儀的加熱方式、消解管設計尺寸等差異影響了消解溫度的選擇。

3 討 論

現有研究提出土壤全氮消解溫度有在360～410 ℃，還有在300～360 ℃等多種[15-19]。本試驗結果表明，2種消解儀在360 ℃不易將樣品消解充分，適宜設定溫度分別在370 ℃、380～400 ℃。這是因為2種消解儀加熱方式、消解管尺寸及受熱面積等設計特征各不相同，直接影響升溫速度、溫度保持、消解反應劇烈程度、氮損失，致使消解溫度與消解時間存有差異。本試驗從消解儀角度提出消解儀設計特征對消解條件選擇的影響，以及不同消解儀消解條件差異的原因。

有文獻提出凱式法消解時間為4 h，林業行標的消解時間約為1.5 h，還有研究指出樣品消解2.5 h，消解液干結[17-18]。本試驗結果表明，氮質量分數0.237 g/kg的樣品消解1 h即達到消解終點，氮質量分數在0.93～8.8 g/kg的樣品，2種消解儀消解時間在78～114 min。由于土壤樣品的氮質量分數通常小于5 g/kg，稱樣量保持在0.65 g，消解時間控制在90～95 min即能保證消解充分，消解時間與林業行標的一致，但不同的是，本試驗消解時間適用于氮質量分數小于4.52 g/kg的樣品。本試驗結果還表明前消解時間隨樣品氮質量分數升高而呈延長趨勢，故總消解時間也隨之延長。在現有研究中，樣品氮質量分數與消解時間關聯性未見討論。本試驗結果為不同樣品的消解時間確定提出了重要的參考依據，對現有消解技術進行了補充。

通常認為人為誤差是影響土壤全氮測定精密度及準確性的主要因素，結合消解儀探討測定誤差的討論甚少。本試驗中觀察到2種消解儀外圍與中間加熱位的樣品狀態變化快慢有差異。這說明2種消解儀不同加熱位有一定溫差。紅外消解儀適宜設定溫度范圍較小，超出適宜設定溫度 10 ℃及其以上，測定結果的精密度與準確性呈下降趨勢；石墨爐適宜設定溫度上下限差異在20 ℃以內，精密度及準確性呈穩定狀態。表明紅外消解儀各加熱位的溫差大于石墨爐，測定結果的RSD及回收率變幅大于石墨爐。這是因為溫度存在差異影響樣品消解的一致性，造成一定檢測誤差，降低精密度及準確性。而各加熱位的溫度差異主要由加熱源面積及熱量損失等消解儀的設計要素決定。由于準確測量加熱位溫度有一定困難，本試驗未進行溫度實測，未能進一步探討溫度差異對檢測穩定性的影響。

本試驗在對2種消解儀消解條件的優化討論中，提出消解儀的設計特征對消解條件及檢測精密度和準確性的重要影響，還指出土壤氮質量分數對適宜消解時間確定的影響。本研究結果為合理選擇使用消解儀，優化消解條件，準確測定土壤全氮提供可行的依據。

4 結 論

消解儀的設計特征直接影響樣品消解溫度、消解時間以及檢測精密度和準確性。土壤全氮質量分數與消解時間選擇密切關聯。綜合考慮消解儀設計特征、土壤全氮質量分數是確定適宜的消解條件，確保消解充分，檢測準確穩定的重要前提。氮質量分數小于4.5 g/kg的樣品，石墨爐設定溫度在 380～400 ℃，紅外消解儀設定370 ℃，消解時間95 min，檢測準確。2種消解儀所測全氮量趨于一致，相關性良好(R2=0.999 9)。本研究結果對同類消解儀的消解條件選擇優化有一定的參考性。