電感耦合等離子體發(fā)射光譜法快速測定土壤中有效硫的含量

王午豪賀平尚麗君孫紅梅魏紅王鐵良郭潔

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，河南 鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(鄭州)，河南 鄭州 450002；3.河南省糧食質(zhì)量安全與檢測重點實驗室，河南 鄭州 450002)

近年來，隨著低硫或者無硫肥料的過度使用，秸稈還田率的大幅度減少，土壤中儲備硫的含量逐年降低[1]。硫作為植物生長所必需的16種營養(yǎng)元素之一，在植物的發(fā)育過程中起著重要作用，其能夠?qū)χ参锏暮铣纱渭壌x產(chǎn)物、蛋白質(zhì)合成、氮元素固定、光合作用等過程產(chǎn)生重要影響[2]。目前已經(jīng)被列為氮、磷、鉀之后的第4大植物主要營養(yǎng)元素[3]。植物雖然能夠從空氣中的SO2吸收硫元素，但由于其含量較低，植物主要的硫元素來源還是通過根部吸收土壤中的硫，這部分以硫酸根的形式存在的硫元素，也被稱之為土壤中的有效硫。我國已有眾多地域出現(xiàn)土壤缺硫現(xiàn)象[4]，如何檢測土壤中的有效硫成分對于調(diào)查改善土壤種植、選擇合適作物播種、指導(dǎo)作物生產(chǎn)期間澆灌施肥具有重大意義[5]。

土壤中有效硫的傳統(tǒng)提取方法以浸提法為主[6]，將土壤中的有效硫通過化學(xué)溶劑提取出來，再對化學(xué)溶劑中的硫元素進(jìn)行檢測，從而判斷土壤中有效硫的含量。由于土壤的組成成分往往不同，浸提方式要根據(jù)土壤的酸堿類型、成土母質(zhì)、檢驗方法和提取量而定。常見的浸提液包括水、含氯離子的鹽溶液、含磷離子的鹽溶液、醋酸銨緩沖液等。其中以土壤酸堿度作為依據(jù)劃分，使用磷酸鹽-乙酸提取酸性土壤的體系與氯化鈣提取中性以及石灰性土壤的體系應(yīng)用最廣。在現(xiàn)行我國農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 1121.14-2006土壤檢測：土壤有效硫的測定》[7]中也以該體系為基礎(chǔ)。該方法是將處理后的土壤通過浸提劑在常溫下振蕩提取，再使用過氧化氫溶液除去試劑中的有機物，在高溫下將過剩的過氧化氫除去，再測量試劑中的硫元素。

現(xiàn)有的土壤中有效硫的檢測方法有4種，分別是比濁法、還原法、陰離子交換層析法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES法)。比濁法是運用最廣泛的方法，讓SO42-離子與Ba2+離子發(fā)生反應(yīng)，用分光光度計測量懸濁液的濁度，農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 1121.14-2006》中也使用了此方法。該方法操作簡便，成本低廉，但在土壤浸提過程中受到的干擾因素比較大[8]；還原法是向含有硫元素的樣品中加入磷酸，在鹽酸和甲醇化合物生成硫化氫后，通過測定硫化氫的濃度確定有效硫的濃度。此方法分析速度慢，且試劑毒害性較強[9]；陰離子交換層析法可以同時測定土壤中的多種陰離子成分，但是土壤中如果含有大量的PO43-時，會對硫的測定產(chǎn)生干擾，我國土壤中大多過度施用磷肥，因此該方法不適用于檢測[10]；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法是利用高溫將含硫樣品原子化，在一定紫外波長段下對其進(jìn)行測定[11]。該方法優(yōu)點是可以測量的樣品類型較廣，甚至植株消化液也可直接進(jìn)行測定[12]，具有靈敏度高，檢出限低，操作方便等特點[13]，故本文選用此方法進(jìn)行土壤中有效硫的測定。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

2.0mm(10目)尼龍篩、100mL塑料瓶、100mL燒杯、水系0.45μm濾膜、電熱板、電感耦合等離子體發(fā)射儀、往復(fù)式恒溫振蕩器；磷酸二氫鈣、氯化鈣、乙酸、過氧化氫、硫酸根標(biāo)準(zhǔn)溶液(SO42-=1000mg·L-1)。

1.2 浸提液的配置

磷酸鹽-乙酸浸提液(用于pH<6.5酸性土壤)：稱取磷酸二氫鈣[Ca(H2PO4)2·H2O]2.04g溶于1L乙酸[CH3COOH(c=2mol·L-1)]溶液中。

氯化鈣浸提液(用于pH≥6.5堿性土壤)：稱取氯化鈣(CaCl2)1.50g溶于水，稀釋至1L。

1.3 試樣的制備

土壤樣品于通風(fēng)處自然陰干，去除樣品中的雜質(zhì)，處理后的樣品過2.0mm尼龍篩，采取四分法取出一部分作為待測樣品。先進(jìn)行酸堿性的測定，將pH<6.5歸為酸性土壤，pH≥6.5歸為堿性土壤。用1.2中的浸提液進(jìn)行浸提，稱取10g上述樣品于100mL塑料瓶中，根據(jù)其pH加50mL對應(yīng)的浸提劑，擰緊瓶蓋，20～25℃條件下，恒溫振蕩器振搖1h，于100mL燒杯中進(jìn)行干過濾，棄掉初濾液，加入3～5滴過氧化氫溶液，將燒杯放置于電熱板上加熱煮沸片刻后立即取下，待冷卻后使用0.45μm水系微孔濾膜過濾于15mL離心管中，24h內(nèi)進(jìn)行上機測定，同時做樣品空白。

1.4 儀器方法

發(fā)射功率1100W，輔助氣流量0.1L·min-1，冷卻氣流量20L·min-1，霧化器壓力38psi，觀測高度左背景點3，右背景點13，硫元素檢測波長182.034nm。內(nèi)標(biāo)使用錸元素，檢測波長197.313nm，濃度0.5mg·L-1，在線混合加入。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線與加樣回收率

1.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

使用硫酸根標(biāo)液[SO42-]=1000mg·L-1，標(biāo)液中硫元素計算約為333.8mg·L-1，配置如表1所示標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.5.2 加樣回收率

向樣品中添加0.750mL硫酸根標(biāo)準(zhǔn)溶液后進(jìn)行5次平行測定，計算回收率與相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 硫元素標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.6 檢出限與定量限

參考國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IU-PAC)于1975年發(fā)表的檢出限的概念及相應(yīng)估算方法，原子吸收光譜分析的檢出限為當(dāng)吸光度為試劑空白噪音的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍時所對應(yīng)的被測離子的濃度或質(zhì)量。具體實施方法：連續(xù)測定全試劑空白12次，并求出噪音信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差S，方法檢出限為3SV/m，方法定量限為10SV/m(V為定容體積，m為稱樣量)。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸性土壤

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與樣品結(jié)果

在182.034nm下，硫元素標(biāo)準(zhǔn)曲線有良好的線性效果，結(jié)果見圖1，相關(guān)系數(shù)R2能達(dá)到0.9999，對每個樣品進(jìn)行5次平行測定，實驗共進(jìn)行2組，組間計算平均值，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與極差從而計算重復(fù)性，2組數(shù)據(jù)分析計算相對相差從而得到重現(xiàn)性。結(jié)果見表2。

從表2可以看出，該樣品較為穩(wěn)定，RSD平均值為4.85%，具有良好的重復(fù)性，2組數(shù)據(jù)組間進(jìn)行對比，相對相差為7.1%，重現(xiàn)性良好。

2.1.2 添加回收實驗

對該土壤進(jìn)行添加回收實驗，添加0.750mL硫酸根標(biāo)液([SO42-]=1000mg·L-1折合[S]≈333.8mg·L-1)標(biāo)準(zhǔn)溶液，結(jié)果見表3。

表2 酸性土壤測試結(jié)果

表3 酸性土壤添加回收測試結(jié)果

從表3可以看出，該樣品具有良好的加樣回收率。

2.1.3 檢出限與定量限

使用磷酸鹽-乙酸浸提液，測得12次全試劑空白濃度分別為0.2114mg·L-1、-0.2545mg·L-1、-0.1513mg·L-1、-0.1978mg·L-1、0.0338mg·L-1、0.2699mg·L-1、-0.2883mg·L-1、-0.0851mg·L-1、0.2210mg·L-1、-0.0569mg·L-1、-0.1294mg·L-1、0.0718mg·L-1。

算數(shù)平均值為0.0295mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)為0.1905mg·L-1，計算3S=0.57mg·L-1，10S=1.91mg·L-1。

代入公式可得,

方法檢出限：3SV/m=0.57×50.00/10.00=2.85≈2.9mg·L-1

方法定量限：10SV/m=1.91×50.00/10.00=9.55≈9.6mg·L-1

2.2 堿性土壤結(jié)果

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與樣品結(jié)果

堿性土壤標(biāo)準(zhǔn)曲線同樣有良好的線性效果，見圖2，相關(guān)系數(shù)R2為0.9997，測定方式同2.1，結(jié)果見表4。

表4 堿性土壤結(jié)果

從表4可以看出，堿性土壤樣品有效硫含量低于酸性土壤樣品，也較為穩(wěn)定，RSD平均值為3.9%，重復(fù)性良好，2組數(shù)據(jù)組間進(jìn)行對比，相對相差為11%，重現(xiàn)性略低于酸性土壤。

2.2.2 添加回收實驗

對該土壤同樣進(jìn)行添加回收實驗，添加零添加0.750mL硫酸根標(biāo)液([SO42-]=1000mg·L-1折合[S]≈333.8mg·L-1)標(biāo)準(zhǔn)溶液，結(jié)果見表5。

表5 堿性土壤添加回收測試結(jié)果

從表5可以看出，堿性土壤樣品回收低于酸性土壤，且組間有一定差距，在儀器狀況良好的時候仍具有良好的加樣回收率。

2.2.3 檢出限與定量限

使用氯化鈣浸提液，測得12次全試劑空白濃度分別為0.2313mg·L-1、0.0242mg·L-1、-0.2020mg·L-1、-0.1147mg·L-1、0.1658mg·L-1、-0.1968mg·L-1、0.4392mg·L-1、0.0356mg·L-1、-0.0615mg·L-1、0.0991mg·L-1、-0.0442mg·L-1、0.0032mg·L-1。算數(shù)平均值為0.0316mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)為0.1839mg·L-1，計算3S=0.55mg·L-1，10S=1.84mg·L-1。

代入公式可得,

方法檢出限：3SV/m=0.55×50.00/10.00=2.75≈2.8mg·kg-1。

方法定量限：10SV/m=1.84×50.00/10.00=9.20≈9.2mg·kg-1。

3 討論

使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法對土壤中的有效硫進(jìn)行了測定，標(biāo)準(zhǔn)品曲線擬合度良好，不同酸堿度的土壤在適宜的浸提劑下測定均有良好的重復(fù)性與重現(xiàn)性，同時對檢出限與定量限進(jìn)行了測量，為相關(guān)從業(yè)者進(jìn)行土壤檢驗提供了一些依據(jù)。該方法解決了原有比濁法復(fù)雜、干擾因素多的缺點，能夠?qū)ν寥乐械挠行Я蜻M(jìn)行快速、穩(wěn)定、高效測定，適用于實驗室以及檢驗檢測機構(gòu)對土壤的分析檢定。