恒溫?fù)u床提取-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中有效硫

向 勇，謝莉蓉，易田芳，鄧 聶，李 發(fā)

［1．廣電計(jì)量檢測(cè)（湖南）有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方耕地污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410000］

硫是植物生長(zhǎng)過程中不可缺少的元素，近年來隨著含硫化肥的用量減少，土壤缺硫的現(xiàn)象逐漸增多。研究表明，農(nóng)作物合理施硫，不僅增加農(nóng)作物產(chǎn)量，而且可以改善農(nóng)作物的品質(zhì)［1］。有效硫是指直接作為硫營(yíng)養(yǎng)源而被作物根系吸收利用的硫［2］。因此，及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定土壤中有效硫，是對(duì)土壤硫素狀況進(jìn)行了解，確定土壤供硫能力，進(jìn)而合理指導(dǎo)使用硫肥的最有效途徑。

目前測(cè)定土壤有效硫的現(xiàn)行有效方法為比濁法［3-4］，比濁法前處理頻率和溫度難控制，導(dǎo)致結(jié)果偏差較大且測(cè)試方法穩(wěn)定性不佳，重復(fù)性較差。在大量樣品檢測(cè)中，此種方法不利于短時(shí)間內(nèi)出具權(quán)威性和可靠性的報(bào)告［5］。針對(duì)上述前處理不足，鄭國(guó)宏等［6］和王新華等［7］對(duì)前處理進(jìn)行改進(jìn)，主要對(duì)加入的比濁試劑進(jìn)行了優(yōu)化，校準(zhǔn)曲線的穩(wěn)定性有所提升，但是校準(zhǔn)曲線線性系數(shù)還是很難達(dá)到0.999，說明優(yōu)化的水平和程度還是不夠。對(duì)于比濁法測(cè)試不穩(wěn)定的問題，李優(yōu)琴等［8］和倪張林等［9］分別利用連續(xù)光源原子吸收光譜儀和火焰原子吸收儀測(cè)定硫的含量，曹華杰［10］和張聯(lián)勝［11］使用離子色譜法進(jìn)行上機(jī)測(cè)試硫的含量，蔣俊平等［12］和謝鑫［13］使用ICP-AES進(jìn)行上機(jī)測(cè)試硫的含量，以上測(cè)試方法研究都獲得了較好的檢測(cè)結(jié)果，但上述研究中缺少對(duì)前處理?xiàng)l件的系統(tǒng)優(yōu)化，特別是沒解決前處理不穩(wěn)定的問題。實(shí)際上土壤有效態(tài)硫的測(cè)定屬于條件選擇試驗(yàn)，前處理?xiàng)l件的細(xì)微改變將較大改變最終的測(cè)試結(jié)果，尤其是溫度和提取過程的控制，例如方法中指明提取溫度控制在20～25℃，劉婷琳等［14］對(duì)溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，浸提溫度達(dá)到30℃時(shí)，部分樣品測(cè)定結(jié)果明顯偏高，但是都沒有提及如何做到和保證在該溫度條件下浸提。鑒于此，本研究借助高精密的前處理設(shè)備恒溫?fù)u床（可精準(zhǔn)控制前處理溫度、振蕩頻率穩(wěn)定、容量大和智能化程度高）進(jìn)行前處理，結(jié)合電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，擬建立一種精密度好、準(zhǔn)確度高和快速簡(jiǎn)便的土壤中有效硫的檢測(cè)方法，適用于大批量土壤的檢測(cè)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Avio500電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PerkinElmer）。

恒溫?fù)u床：屬于水平往復(fù)振蕩器，BSDYF2600立式雙層智能精密搖床（上海博迅/上海越寅智能儀器科技有限公司），可以精確控制溫度4～60℃。

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心研制的江西紅壤GBW07416a（ASA-5a），為酸性土壤；陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所研制的黃土土壤，有效態(tài)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)陜西土（HTSB-1）、陜西黑壚土（HTSB-2）、寧夏灌淤土（HTSB-3）和甘肅灌漠土（HTSB-4），以上為堿性土壤。

硝酸為優(yōu)級(jí)純，其他試劑除有說明外，均為分析純；水均為去離子水。

磷酸鹽-乙酸提取液：稱取磷酸二氫鈣［Ca（H2PO4）2·H2O］2.04 g溶 于1 L乙 酸 溶 液［c（CH3COOH）=2 mol/L］中。

氯化鈣提取劑（用于石灰性土壤）：稱取氯化鈣（CaCl2）1.50 g溶于水，稀釋至1 L。

硫標(biāo)準(zhǔn)貯備液：ρ=1000 mg/L，市售有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，將此溶液準(zhǔn)確稀釋成含硫200 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液備用。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取通過2 mm篩的風(fēng)干試樣5.0 g于150 mL具塞錐形瓶中，加入25 mL磷酸鹽-乙酸提取液，蓋緊瓶塞，溫度為15～30℃，振蕩時(shí)間為30～120 min，振蕩頻率為120～250 r/min，提取完成后，用離心機(jī)離心，再用濾紙進(jìn)行干過濾，棄去最初的5～6 mL，再濾下的濾液置于25 mL具塞比色管中，準(zhǔn)確分取10.0 mL離心液于50 mL燒杯中，在電熱板上加熱，加入0.5 mL硝酸氧化有機(jī)物。待有機(jī)物分解完全后，繼續(xù)加熱至近干，將溶液無損移入10 mL比色管中，定容、搖勻和過0.45 μm水系微孔濾膜待測(cè)。

石灰性土壤（pH值≥7.5）用氯化鈣溶液提取時(shí)，其土液比、振蕩時(shí)間、提取溫度及其他操作與磷酸鹽-乙酸提取一樣，只是提取劑種類發(fā)生改變。

1.3 儀器參考條件

射頻功率為1.5 kW，載氣為高純氬氣，霧化氣流量為0.8 L/min，輔助氣流量為0.2 L/min，冷卻氣流量為15 L/min，垂直觀測(cè)高度為15 mm，元素分析譜線為181.975 nm。

1.4 校準(zhǔn)曲線繪制

分別吸取含硫200 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液0.00、1.00、3.00、5.00、7.00、10.0、15.0 mL于100 mL容量瓶中，測(cè)定酸性土壤有效硫的校準(zhǔn)曲線使用磷酸鹽-乙酸提取劑定容，測(cè)定石灰性土壤有效硫的校準(zhǔn)曲線使用氯化鈣提取劑定容，分取10.0 mL標(biāo)準(zhǔn)系列溶液參照樣品消解步驟進(jìn)行消解后定容于10 mL比色管中，即為含硫0.00、2.00、6.00、10.0、14.0、20.0和30.0 mg/L的工作曲線溶液（該系列校準(zhǔn)點(diǎn)曲線范圍線性關(guān)系好，絕大多數(shù)樣品的上機(jī)測(cè)試結(jié)果能落在曲線范圍內(nèi)，不經(jīng)過稀釋可直接測(cè)定的樣品濃度范圍為2～150 mg/kg）。

1.5 試樣測(cè)定

分析前，先將儀器設(shè)備開機(jī)預(yù)熱30 min以上，用（1+99）硝酸溶液沖洗系統(tǒng)直到空白強(qiáng)度值降至最低，待分析信號(hào)穩(wěn)定后，建立校準(zhǔn)曲線，在建立校準(zhǔn)曲線相同的條件下依次測(cè)定空白和試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取溫度選擇試驗(yàn)

土壤有效硫是典型的條件選擇性試驗(yàn)，前處理任何條件的改變均會(huì)使得結(jié)果出現(xiàn)較大的變化，提取溫度對(duì)有效硫的測(cè)定影響明顯，本試驗(yàn)選取土壤有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：江西紅壤土GBW07416a（ASA-5a）、陜西土（HTSB-1）、陜西黑壚土（HTSB-2）、寧夏灌淤土（HTSB-3）和甘肅灌漠土（HTSB-4），試驗(yàn)考察了提取溫度分別為15、18、20、22、25、30℃時(shí)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，在提取時(shí)間固定在60 min、振蕩器頻率固定在180 r/min條件下，使用恒溫?fù)u床進(jìn)行不同溫度下條件選擇試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果見表1（條件選擇試驗(yàn)均為3次測(cè)定的平均結(jié)果）。

表1 不同提取溫度對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響 （mg/kg）

由表1可知，溫度過低（15℃）時(shí)部分結(jié)果會(huì)低于證書下限值，溫度過高（25℃和30℃）時(shí)部分結(jié)果會(huì)超過證書上限值，當(dāng)提取溫度為18～22℃時(shí)所有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定結(jié)果都在證書給定的保證值范圍內(nèi)，實(shí)際工作中溫度可以控制在（20±2）℃。

2.2 提取頻率選擇試驗(yàn)

振蕩頻率選擇試驗(yàn)在提取時(shí)間60 min、提取溫度控制在20℃條件下，使用進(jìn)行不同振蕩頻率條件進(jìn)行試驗(yàn)，選取頻率范圍為120～250 r/min，具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同提取頻率對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響 （mg/kg）

由表2可知，振蕩頻率為160～200 r/min時(shí)結(jié)果較好，所有檢測(cè)結(jié)果均在有證物質(zhì)給出的保證值范圍內(nèi)，頻率低于160 r/min時(shí)測(cè)試結(jié)果會(huì)偏低，頻率高于200 r/min時(shí)結(jié)果會(huì)有偏高的風(fēng)險(xiǎn)，且一般在振蕩頻率大于200 r/min的條件下不易穩(wěn)定。由此，實(shí)際測(cè)試過程中可以選擇控制振蕩頻率為（180±20）r/min。

2.3 提取時(shí)間選擇試驗(yàn)

提取時(shí)間選擇試驗(yàn)是在振蕩頻率選擇為180 r/min、提取溫度控制在20℃條件下，改變提取時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，選取時(shí)間范圍為30～120 min，具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同提取時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響 （mg/kg）

由表3可知，提取時(shí)間為60～90 min時(shí)結(jié)果較好，所有檢測(cè)結(jié)果均在有證物質(zhì)給出的保證值范圍內(nèi)，時(shí)間較少（30 min）會(huì)導(dǎo)致提取不夠完全，使得結(jié)果偏低，說明振蕩時(shí)間較短，不能充分提取出土壤標(biāo)樣中的有效硫；時(shí)間過長(zhǎng)（120 min）結(jié)果會(huì)偏高，有部分結(jié)果不在保證值范圍內(nèi)，說明時(shí)間過長(zhǎng)提取液中除了有效硫外，其他形態(tài)的硫也有可能被提取出來。考慮到前處理工作的效率，可選取60 min作為最佳提取時(shí)間。

根據(jù)表1～3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和具體分析，可以得出最佳的前處理?xiàng)l件為：提取溫度為（20±2）℃，振蕩器振蕩頻率為（180±20）r/min，提取時(shí)間為60 min。基于以上條件的確定，進(jìn)行以下方法檢出限、精密度、準(zhǔn)確度和實(shí)際樣品比對(duì)試驗(yàn)。

2.4 校準(zhǔn)曲線和檢出限

按儀器工作條件對(duì)硫工作曲線系列進(jìn)行測(cè)定，以硫的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果表明當(dāng)硫含量的線性范圍為0～30 mg/L時(shí)，工作曲線線性方程較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.999。

方法的檢出限按照《合格評(píng)定 化學(xué)分析方法確認(rèn)和驗(yàn)證指南》（GB/T 27417-2017）中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。分為酸性和石灰性土壤分別對(duì)空白樣品進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試10次，檢出限=空白平均值+3s（標(biāo)準(zhǔn)偏差），結(jié)果見表4，酸性和石灰性土壤檢出限基本一致，略低于或等于0.5 mg/kg，由此可統(tǒng)一本方法檢出限為0.5 mg/kg。

表4 檢出限結(jié)果 （mg/kg）

2.5 方法準(zhǔn)確度和精密度

選擇了3種有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，為體現(xiàn)標(biāo)樣的代表性，其中有1種是酸性土壤，2種是堿性土壤（表5）。由表5可知，土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定結(jié)果均在保證值范圍內(nèi)，相對(duì)誤差小（<5%），準(zhǔn)確度好；土壤標(biāo)準(zhǔn)有證樣品相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=6）為2.47%～4.59%，表明該方法檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，精密度高。

表5 方法準(zhǔn)確度和精密度

2.6 實(shí)際樣品與標(biāo)準(zhǔn)方法比對(duì)測(cè)試

為了充分證明方法的實(shí)用性，選取全國(guó)具有代表性耕作區(qū)的9種土壤實(shí)際樣品進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，每種土壤樣品平行測(cè)定3次，以平均結(jié)果作為最終比對(duì)結(jié)果（表6）。

表6 本文方法與標(biāo)準(zhǔn)方法比對(duì)結(jié)果

本文方法與標(biāo)準(zhǔn)方法（NY/T 1121.14-2006）進(jìn)行比對(duì)表明，實(shí)際土壤測(cè)試中有效硫測(cè)試結(jié)果相對(duì)偏差為0.63%～8.38%，均小于10%，說明該方法在測(cè)定不同實(shí)際土壤樣品時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)方法無顯著差異，也說明該方法具有普遍的適用性。

3 結(jié)論

恒溫?fù)u床擁有控溫精準(zhǔn)、振蕩平穩(wěn)、空間較大和智能化程度高的特點(diǎn)，能徹底解決普通振蕩器無法控溫、處理批次少和頻率不穩(wěn)定等問題。使用恒溫?fù)u床進(jìn)行土壤有效硫的前處理，極大地提升了前處理的可靠性，可同時(shí)處理200個(gè)以上的樣品，前處理效率明顯提升。通過研究恒溫?fù)u床不同的溫度、時(shí)間和頻率對(duì)土壤有效硫的影響，確定了最佳前處理?xiàng)l件為：提取溫度為（20±2）℃，振蕩時(shí)間為60 min，振蕩頻率為（180±20）r/min。結(jié)合使用電感耦合等離子發(fā)射光譜法進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，對(duì)方法檢出限、精密度、準(zhǔn)確度、不同類型實(shí)際樣品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果滿意。本研究建立的恒溫?fù)u床提取-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中有效硫具有精密度好、準(zhǔn)確度高和快速簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，它不僅提高了土壤有效硫測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，更大幅度提升了樣品處理及分析能力，并降低了檢測(cè)成本，豐富了農(nóng)業(yè)土壤的檢測(cè)方法，促進(jìn)了科學(xué)農(nóng)業(yè)施肥，適用于不同類型土壤的大批量樣品檢測(cè)。