加熱模塊快速消解-分光光度法測定土壤中有機質的含量探析

蒲亞梅，王文澤，趙玉琳，楊 丹，謝洪琳

（四川中潤智遠環境監測有限公司，四川 成都 610100）

引 言

土壤有機質主要來源于土壤中動植物的殘體以及微生物生命活動所產生的有機物質，其對土壤的養分結構、理化性狀起著關鍵性作用，是土壤養分的主要來源。傳統的土壤有機質測定方法主要是油浴-重鉻酸鉀滴定法以及燃燒氧化法。

油浴-重鉻酸鉀滴定法是被延用多年的經典方法，根據《第三次全國土壤普查技術規程（試行）》和專題技術規范（試行），該方法也是第三次全國土壤普查耕地園地土壤理化性狀檢測推薦方法。該方法主要通過重鉻酸鉀-濃硫酸將土壤中的有機碳氧化，再通過硫酸亞鐵滴定進行定量分析。在實際操作過程中，油浴加熱溫度波動大，容易使樣品消解不完全。在消解樣品時，既要保持油浴處于微沸的狀態，又要精確控制加熱時間5分鐘，且消煮時間對實驗結果影響較大，操作繁瑣，實驗注意事項多。另外，甘油在消解過程中易附著于消解管表面，轉移時被帶入滴定瓶，會造成測定結果偏高。燃燒氧化法是比較新的方法，主要原理是加酸去除土壤中的無機碳，后置于高溫灼燒，將土壤中的有機碳轉化為二氧化碳，然后將產生的二氧化碳通過紅外光譜法或電導法進行測量，以此轉化有機質的濃度。該方法做樣速度快，制備流程簡單，可操作性強，但儀器使用較為復雜，儀器價格較高，并且氧化溫度難以控制，背景值高，容易有空白污染。近年來也有土壤有機質全自動分析儀法[1]、石墨消解法[2]、微波消解法[3]、電熱板消解法[4]等方法。智能機械臂可將每個步驟自動化、標準化，方法精密度高，但儀器價格都相對較高，對小型實驗室不友好。

快速消解分光光度法測定土壤中有機質的含量，應采用加熱模塊并預設加熱程序，使得消解過程更加簡便、準確。消解液直接比色，可快速測定結果。加熱模塊價格便宜，儀器簡單，在實驗室中可用于化學需氧量、總磷、總氮、金屬指標等的樣品前處理，使用率高，使用成本較低。

1 原理

1.1 標準系列

以鄰苯二甲酸氫鉀配制標準液時，鄰苯二甲酸氫鉀溶于水生成鄰苯二甲酸，再被酸性重鉻酸鉀氧化為二氧化碳和水，公式為式（1）、式（2）：

1.2 樣品

在加熱強硫酸介質過程中，以硫酸銀作為催化劑，土壤中的有機質被過量的重鉻酸鉀溶液氧化，重鉻酸鉀中的六價鉻被還原為三價鉻，其含量與土壤樣品中的有機質成反比，在600 nm波長處測定吸光度，根據三價鉻的含量計算有機質的含量。

2 實驗部分

2.1 儀器

2.1.1 加熱模塊

（1）多功能智能消解儀：配套25 mL的消解管，加熱孔的孔深應高出消解管內液面，消解管外壁應能緊貼加熱孔內壁，否則不能保證消解完全。

（2）可見分光光度計：具有600 nm波長，并配有10 mm比色皿。

（3）電子天平：感重為0.000 1 g。

2.1.2 試劑

（1）硫酸銀-硫酸溶液：將1.0 g硫酸銀加入到100 mL硫酸中，溶解，備用。

（2）有機質標準溶液（C=5.0 g/L）：準確稱取鄰苯二甲酸氫鉀（優級純，105 ℃下干燥至恒重）0.616 4 g，溶解于適量水中，轉移至100 mL容量瓶，加水至刻度，即為5.0 g/L的有機質標準溶液儲備液。（注：根據分子式，1 g鄰苯二甲酸氫鉀中含有的有機碳為，有機碳轉換為有機質的Bemmelen系數為1.724。本實驗中配置6.164 g/L的鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液，換算為有機質標準溶液即為5.0 g/L。）

（3）重鉻酸鉀溶液：準確稱取24.515 4 g重鉻酸鉀（優級純，120 ℃下干燥至恒重），溶解于適量水中，轉移至500 mL容量瓶，加水至刻度。（注：根據反應方程式，1 mol鄰苯二甲酸氫鉀完全被氧化需要的重鉻酸鉀。本實驗中配置的鄰苯二甲酸氫鉀為0.03 mol/L，配置0.16 mol/L的重鉻酸鉀即能被完全氧化。）

2.2 樣品的制備

將土壤樣品置于風干盤中，攤成1～3 cm的薄層，剔除植物根系、動物殘體、樹枝等雜物，適時壓碎、翻動，自然風干。將風干后的樣品倒在牛皮紙上，用木錘、木棒再次壓碎，挑出雜質，采用四分法取壓碎的樣品，過0.25 mm孔徑篩（20目）的土壤篩，過篩后的樣品充分攪拌均勻，再采用四分法取其兩份，一份交樣品庫存放，另一份裝入棕色具塞玻璃瓶中，待測。

2.3 實驗步驟

2.3.1 標準曲線的繪制

分別取土壤有機質標準溶液0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于10 mL比色管，加水至刻度，即為0.0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g/L的有機質標準系列。

用移液管準確吸取2.0 mL標準系列于25 mL具塞消解管中，加入2.0 mL的重鉻酸鉀溶液，緩慢小心加硫酸銀-硫酸溶液6 mL（此過程要注意防止濃硫酸沸騰而飛濺），輕輕搖勻。將消解管放入加熱器中，設置加熱器溫度為165 ℃，保持時間為15 min。消解完全后，加水至25 mL，搖勻，靜置，在600 nm處，以水為參比，使用1 cm比色皿，測定其吸光度。以有機質質量為橫坐標，以對應的吸光度減去空白吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。

2.3.2 試樣的測定

準確稱取風干過篩的土壤樣品0.05～0.1 g（精確至0.000 1 g），放入25 mL消解管中，加入2.0 mL水，輕搖消解管使樣品充分離散，準確加入2.0 mL重鉻酸鉀溶液、6 mL硫酸銀-硫酸溶液，輕輕搖勻（此過程要注意防止濃硫酸沸騰而飛濺）。將消解管放入加熱器中，設置加熱器溫度為165 ℃，保持時間為15 min。消解完全后，加水至25 mL，搖勻，靜置，取上清液（若不能澄清，此過程也可離心后取上清液待測），在600 nm處，以水為參比，使用1 cm比色皿，測定其吸光度。

2.3.3 空白試樣

以0.1 g石英砂代替土壤樣品，按試樣操作步驟測定其吸光度。

2.4 結果計算

根據標準曲線計算的有機質含量除以土壤的稱樣量（g），即為試樣中有機質含量（mg/kg），見式（3）：

式中：p為土壤樣品有機質含量，mg/kg；m1為試樣中干物質的量，g；m為試樣取樣量，g；w為土壤的干物質含量，%；A為消解液吸光度；A0為空白試樣消解液吸光度；a為校準曲線截距；b為校準曲線斜率。

3 結果與討論

3.1 校準曲線

以有機質標準溶液質量對應儀器響應值（扣除空白），標準曲線吸光度見表1。

表1 標準曲線吸光度

根據表1繪制土壤有機質校準曲線，見圖1，校準曲線為y=0.056 1x-0.007 3，相關系數為0.999 6，符合實驗要求。

圖1 土壤有機質標準曲線圖

3.2 方法檢出限和測定 下限

根據《環境監測分析方法標準制訂技術導則》（HJ 168—2020）[5]附錄A中A.1.1空白試驗中未檢出目標物規定，對估計方法檢出限值3～5倍進行7次加標測定，分別以MDL=3.143×S和RQL=4MDL計算方法的檢出限和測定下限。吸光度及檢測結果見表2。

表2 土壤有機質方法檢出限和測定下線

本實驗對7個空白樣品進行0.5 mg的加標測試，根據結果計算出方法檢出限為0.19 mg/kg，方法測定下限為0.76 mg/kg。

3.3 消解時間和溫度的選擇

為了探討消解條件對土壤有機質含量測定的影響，本實驗分別設置了四種不同溫度、時間的消解條件，測定了不同批次土壤樣品HTSB-4（甘肅灌漠土）、HTSB-5（青海栗鈣土），結果見表3。

表3 不同消解方案實驗結果單位：mg/kg

由表3可以看出，消解溫度過低、消解時間過短，可能導致消解不完全，有機質氧化不充分，被還原的三價鉻含量偏低，從而導致檢測結果的有機質含量偏低。溫度為165 ℃，保持時間為15 min，即可達到比較滿意的消解效果。

3.4 準確度和精密度實驗

選取2種不同土壤底質樣品，165 ℃消解15 min，使用分光光度法與傳統油浴法比較，結果見表4。

表4 不同樣品準確度和精密度實驗結果單位：mg/kg

由表4可以看出，不同批次土壤樣品使用加熱模塊消解-快速消解分光光度比色法與傳統油浴-重鉻酸鉀滴定法相比，方法精密度相似。樣品有機質含量更高時，加熱模塊消解-快速消解分光光度比色法具有更高的準確度。

3.5 干擾和消除

本實驗的干擾主要來自土壤中的亞鐵離子、二價錳離子和氯離子，亞鐵離子、二價錳離子、氯離子易被重鉻酸鉀氧化，導致結果值偏高。在樣品前處理過程中，可適當延長土壤攤晾時間，樣品盡量攤成薄層，使其在空氣中充分暴露，使亞鐵離子、二價錳離子氧化以消除干擾；在消解過程中，可加入適量的硫酸汞，生成氯化汞的沉淀，以消除氯離子的干擾。

4 注意事項

注意事項如下：（1）測定土壤有機質時必須采用風干樣品，因為一些長期漬水土壤有較多的還原性物質存在，可能導致檢測結果值偏高。（2）本實驗結論最佳消解條件是溫度為165 ℃，消解時間為15 min。根據實驗原理推測，在一定范圍內適當提高消解溫度，也能取得比較滿意的實驗結果，但應注意溫度不可太高，溫度過高可能導致重鉻酸鉀受熱分解[6]，使得有機質結果值偏高。（3）不同類型土壤的有機質含量存在顯著差異，應根據土壤的顏色、類型，稱取適宜的量，以達到最好的消解效果。若消解后溶液呈綠色或有懸浮的炭粒時，表明有機質氧化不完全，應減少稱樣量，重新進行消解。常見土壤有機質含量見表5。（4）為了保證受熱時間，加熱模塊應在達到165 ℃后再開始計時。（5）鉻酸根離子有潛在的毒性，硫酸有比較強的化學腐蝕性，實驗人員在操作中應注意個體防護，實驗完畢的廢液應妥善處理。

表5 不同類型土壤有機質一般含量

5 結論

研究結論如下：（1）加熱模塊快速消解分光光度法測定土壤有機質方法是可行的。（2）加熱模塊快速消解分光光度法測定土壤有機質的最佳消解條件是溫度為165 ℃，消解時間為15 min。（3）加熱模塊快速消解分光光度法測定土壤有機質，針對不同類型土壤精密度良好，能保證測定結果有較高的準確度。（4）加熱模塊快速消解分光光度法測定土壤有機質，通過消解儀的選擇，能在短時間內處理多個、多批次樣品，且儀器價格低廉，對工作環境要求不高，非常適合大批量的土樣測定工作。