全自動凱氏定氮儀測定土壤全氮含量方法的優化探索

汪欣,向兆,李策,朱婧,吳晶,張明杰,汪岸,肖偉

全自動凱氏定氮儀測定土壤全氮含量方法的優化探索

汪欣1,向兆1,李策1,朱婧2*,吳晶1,張明杰1,汪岸1,肖偉1

1. 湖北省地質實驗測試中心, 湖北 武漢 430034 2. 安徽農業大學理學院, 安徽 合肥 210036

本文通過優化催化劑（硫酸鉀與五水硫酸銅）比例、升溫程序等條件，建立了一種全自動凱氏定氮儀測定土壤中全氮含量的分析方法。該方法硫酸鉀與五水硫酸銅質量比為9:1，升溫程序為升溫至220 ℃保持20 min后再升溫至400 ℃。方法檢出限低至20 μg/g，相對標準偏差小于2.8%，相對誤差小于1.1%，測定結果與傳統方法無顯著性差異。并對該方法的反應過程提出以下觀點：在消化過程中，濃硫酸中加入硫酸鉀與五水硫酸銅，溶液依數性增加，進而增高濃硫酸沸點，加速有機氮分解，提高消化效率。該方法簡單快捷、準確度高、精密度好，適用于土壤中全氮的批量測定。

全自動凱氏定氮儀; 土壤; 全氮; 測定方法

土壤中全氮含量是評價土壤資源，衡量土壤肥力的一項重要指標。其主要來源有以下幾個方面：動植物殘體的積累；含氮肥量的使用；微生物的固氮作用及大氣降水的引入。了解土壤中的全氮含量，可引導科學施肥，減少化肥不合理使用，降低農業污染，逐漸成為研究熱點[1,2]。因此，建立快捷、靈敏、高效的全氮含量檢測方法顯得尤為重要。目前，對于土壤中全氮含量的測定方法較多，如杜馬斯法[3-5]、凱氏法[6-8]、光譜法[9-11]、色譜法[12,13]等。其中，凱氏法作為一種傳統方法，已得到廣泛應用。但其前處理復雜，滴定終點受人為判斷的干擾較大，從而影響其分析結果的準確性[6]。全自動凱氏定氮儀具有高精度顏色傳感器判斷終點，智能化程序控制，全程無需人為干預，較好的解決了這一問題[14]。本文采用全自動凱氏定氮儀測定土壤中的全氮含量，并首次提出溶液依數性增加濃硫酸沸點，進而加速有機氮分解，提高消化效率的觀點，通過實驗條件優化，得到測定土壤中全氮含量的最優消化催化劑（硫酸鉀與硫酸銅）配比和升溫程序，進行了全自動凱氏定氮儀測定土壤中的全氮含量方法的有益探索。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

K1100全自動凱氏定氮儀（山東海能），SH220石墨消解儀（山東海能），BSA124S電子天平（德國賽多利斯），濃H2SO4（天津渤海），K2SO4（天津中津），CuSO4·5H2O（天津中津），硼酸溶液（20 g/L），氫氧化鈉溶液（400g/L），鹽酸標準溶液（0.1000 mol/L），甲基紅與溴甲酚綠指示劑（0.1 g甲基紅與0.5 g溴甲酚綠溶于無水乙醇中，定容至100 mL）。土壤成分分析標準物質GBW07423，GBW07426，GBW07427，GBW07447，實驗所用水為無氨水，所用試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

以土壤成分分析標準物質GBW07426為分析對象，稱取樣品1.0000 g，移入儀器配套消化管中，加入不同質量比的硫酸鉀與五水硫酸銅（質量比分別為3:1, 6:1, 9:1, 12:1）的混合物4 g后，加入濃硫酸5 mL，搖勻后放入SH220石墨消解儀加熱消煮。消煮條件分別為程序升溫和直接升溫，其中前者指升溫至220 ℃保持20 min后再升溫至400 ℃；后者為直接升溫至400 ℃。至土壤溶液變為透明的藍綠色或灰白色。取下冷卻，小心加入10~20 mL蒸餾水。再將加熱完成的消化管放入K1100全自動凱氏定氮儀中蒸餾測定。同時做三個試劑空白。

設定凱氏定氮儀參數為：重量0.1~1 g，蒸餾時間3 min，硼酸溶液20 mL，氫氧化鈉溶液20 mL，蒸餾水10 mL。蒸餾反應中釋放的氨氣與水蒸氣一起經過冷凝管冷凝后，被收集在加入硼酸吸收液（含混合指示劑）的接收杯中。而后自動滴定器進行滴定，并記錄標準滴定酸消耗體積，系統最終依據標準酸消耗體積和空白試樣滴定酸消耗體積來自動計算樣品含氮量。

2 結果與分析

2.1 消化升溫程序及硫酸鉀與硫酸銅比例的選擇

全自動凱氏定氮儀配套的石墨消解儀可設定溫度，保溫性比傳統的消化爐好。研究結果表明，爐溫設置在400 ℃時測量效果最佳[15]。但是在實際升溫過程中，由于表面張力的作用，消化管中的少量樣品會隨著氣泡的液膜噴出，造成樣品的損失。以GBW07426為例，將硫酸鉀、五水硫酸銅分別按照3:1、6:1、9:1和12:1的質量比對土壤標準物質GBW07426進行消解，用凱氏定氮儀進行測定，對比直接升溫至400 ℃和程序升溫（升溫至220 ℃保持20 min后再升溫至400 ℃），發現盡管所有測量結果（見表1）均在標準值范圍內，但程序升溫所得結果更接近標準值，且m(K2SO4)：m(CuSO4·5H2O)=9:1時，雙差最小，表明測試方法平行性最佳。故本方法采用硫酸鉀和五水硫酸銅為9:1的比例，程序升溫的方式進行前處理。

表1 直接升溫和程序升溫的測試結果/μg/g

2.2 方法性能評價

2.2.1 檢出限采用K2SO4:CuSO4·5H2O=9:1的比例（質量比），按升溫至220 ℃保持20 min后再升溫至400 ℃的程序升溫條件消化，對7個空白樣品進行測量，方法檢出限（MDL）的計算公式：MDL=3.143×S，S為測定7個平行樣的標準偏差，結果見表2。從中可知，方法檢出限低至20 μg/g，達到HJ 717-2014相關標準規范的要求[17]，適用于土壤中全氮含量的測定。

表 2 方法檢出限

2.2.2 精密度和準確度實驗為考察方法的精密度和準確度，選取GBW07423，GBW07426，GBW07427，GBW07447四種國家標準物質，分別進行12次分析。以12次分析結果的相對標準偏差（RSD）來表示方法的精密度，分析結果的平均值與標準值之間的相對誤差（RE）來表示方法準確度，見表3。從結果可知，該方法準確度小于1.1%，精密度小于2.8%，方法的準確度和精密度滿足對土壤樣品中全氮含量的要求。

表3 分析方法的準確度和精密度

2.2.3 定氮儀測定與標準方法的比較采用上述優化條件，即硫酸鉀和五水硫酸銅質量比為9:1的比例，程序升溫條件為升溫至220 ℃保持20 min后再升溫至400 ℃，其他按照上述樣品前處理和測定進行分析，對四種國家一級標準物質（GBW07423、GBW07426、GBW07427、GBW07447）進行測定，并與標準方法[16]比較。結果表明該方法的結果與標準方法無顯著性差異，二者均與標準值一致（圖1），由此可見該方法滿足實際土壤中全氮含量的分析要求。

圖1 定氮儀測定與標準方法測定土壤全氮含量同標準值一致（t檢驗，NS：P>0.05）

3 討 論

由于溶液依數性，濃硫酸中加入硫酸鉀可提高濃硫酸沸點，進而提高消化效力，加速有機氮的分解[17]，使其轉化為銨鹽。硫酸銅同樣可以起到催化消化作用，其反應式如下：

K2SO4+H2SO4=2KHSO4

2KHSO4= K2SO4+H2O+SO3↑

2CuSO4=Cu2SO4+SO2↑+O2↑

C（有機）+2CuSO4=Cu2SO4+CO2↑+SO2↑

Cu2SO4+2H2SO4=2CuSO4+2H2O+SO2↑

此反應不斷進行，待有機物被消化完后，不再有硫酸亞銅（褐色）生成，溶液呈現清澈的藍綠色，可以指示消化終點的到達。當硫酸銅與硫酸鉀比例增大時，硫酸溶液中溶質的物質的量增大，不再滿足拉烏爾定律的稀溶液前提條件，故測試結果雙差偏大。

采用本方法后，每人每天可分析200~300件樣品，相比于傳統方法每人每天僅可分析約100件樣品，速度顯著提高，更適合于批量分析。

4 結 語

本文采用全自動凱氏定氮儀測量土壤中的全氮含量。提出溶液依數性增加濃硫酸沸點，進而加速有機氮分解，提高消化效率的觀點。通過實驗條件優化，得到測定土壤中全氮含量的最優消化催化劑（硫酸鉀與硫酸銅）配比和升溫程序等條件。方法檢出限低至20 μg/g，相對標準偏差小于2.8%，相對誤差小于1.1%，滿足土壤中全氮含量分析的質量要求。并且相比于傳統方法每人每天僅能分析100件樣品的速率，該方法每人每天可分析200~300件左右樣品，更適于批量分析。該方法具有操作簡便、靈敏度高、分析速度快等優點，可用于土壤中全氮含量的批量分析，為科學合理施肥提供技術支持。

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Optimization of the Method for Determination of Total Nitrogen in Soil by Automatic Kjeldahl Apparatus

WANG Xin1, XIANG Zhao1, LI Ce1, ZHU Jing2*, WU Jing1, ZHANG Ming-jie1, WANG An1, XIAO Wei1

1.430034,2.210036,

In this paper, by optimizing the ratio of catalyst (potassium sulfate to copper sulfate pentahydrate), heating program and other conditions, a fully automatic Kjeldahl nitrogen determination instrument was established to determine the total nitrogen content in soil. the mass ratio of potassium sulfate to copper sulfate pentahydrate was 9:1, and the heating procedure was to increase the temperature to 220 ℃ for 20min and then to 400 ℃. The detection limit was as low as 20 g/g, the relative standard deviation was less than 2.8%, and the relative error was less than 1.1%. There was no significant difference between the results and the traditional methods. The following points of view are put forward for the reaction process of this method. In the process of digestion, potassium sulfate and copper sulfate pentahydrate were added to the concentrated sulfuric acid to increase the boiling point of concentrated sulfuric acid, accelerate the decomposition of organic nitrogen and improve the digestion efficiency. The method is simple, quick, accurate and precise, and is suitable for the batch determination of total nitrogen in soil.

Automatic Kjeldahl apparatus; soil; total nitrogen; test methods

S151.9

A

1000-2324(2020)03-0438-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.009

2017-10-26

2018-05-05

國家青年科學基金(51702004);安徽省自然科學基金(1808085QE158);安徽農業大學穩定與引進人才基金(yj2017-06)

汪欣(1985-),男,碩士研究生,工程師,從事環境分析檢測工作. E-mail:283111221@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zhujing@ahau.edu.cn