基于小管密封法的土壤有機質(zhì)測定探究

張 偉

（山西省運城生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 運城 044000）

0 引言

在土壤環(huán)境的監(jiān)測過程中，土壤有機質(zhì)測定是其中的一項重要監(jiān)測內(nèi)容，其測定準(zhǔn)確性直接影響到環(huán)保和農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域的工作質(zhì)量，因此采用高效精準(zhǔn)的土壤有機質(zhì)測定方法就成為研究人員的一項研究重點[1-2]。以往的土壤有機質(zhì)測定過程中，多采用化學(xué)氧化法，需要加熱和滴定等多個步驟，不僅實驗操作步驟繁瑣，而且實驗測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也難以保障[3-5]。針對上述問題，應(yīng)用小管密封法進行實驗測試則更具可行性，應(yīng)當(dāng)以此為基礎(chǔ)展開進一步探究。

1 實驗材料與儀器

本次實驗的主要原材料為某地采集的土壤試樣，將土壤試樣放置于干燥箱內(nèi)烘干后，將其過0.25 mm篩備用。除此之外，使用的其他藥品則包括重鉻酸鉀、濃硫酸、硫酸亞鐵，鄰菲羅啉，以上4 種試劑均為分析純，均采購自北京化工廠。在確定上述藥品后，稱取一定量的重鉻酸鉀和硫酸配制成0.4 mol/L 的重鉻酸鉀-硫酸溶液，再稱取一定量的硫酸亞鐵和硫酸，配置為0.1 mol/L 的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液。

本次實驗使用的主要儀器則如表1 所示。

表1 實驗主要儀器

2 實驗過程

實驗主要步驟如下：首先，使用分析天平精準(zhǔn)稱取一定量的土壤樣品，將土壤樣品放入消解管中，并加入適量0.4 mol/L 的重鉻酸鉀-硫酸溶液充分混勻。其次，將消解管嚴(yán)密封閉，放入多孔消解器中。再次，設(shè)定好多孔消解器的消解溫度與時間，進行消解作業(yè)，當(dāng)消解完成后，從消解器上取下消解管進行冷卻處理。最后，使用蒸餾水對消解管中的物質(zhì)進行充分沖洗，將混合物倒入三角燒瓶中，加入適量的鄰菲羅啉指示劑后，使用上文配制的0.1 mol/L 的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液進行滴定。

滴定完成后，應(yīng)用公式（1），對土壤中有機質(zhì)的含量進行計算：

式中：c 為硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的真實值，mol/L；V為試樣滴定過程中消耗的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；M 為稱量的土壤樣品質(zhì)量，g；MC為碳原子的毫摩爾質(zhì)量的1/4，g/mol，參考相關(guān)文獻后確定其取值為0.003 g/mol；K1和K2分別表示有機碳換算為有機質(zhì)的系數(shù)和氧化校正系數(shù)，無量綱，參考相關(guān)文獻后確定上述兩個指標(biāo)的取值分別為1.724 和1.10；公式中的“乘以1 000”主要作用則是將土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算為每千克的含量。在上述變量的數(shù)據(jù)均已知后，即可求得土壤中的有機質(zhì)含量，單位為g/kg。

3 實驗結(jié)果與討論

為進一步探究如何提升實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次從以下兩個方面對影響因素進行分析。

3.1 消解溫度對實驗測試結(jié)果的影響

在該環(huán)節(jié)中，對消解器的運行溫度進行調(diào)整，分別設(shè)置為140、150、160、165、170、175 ℃，消解時間相同，均設(shè)置為30 min，由此進行6 組平行實驗，分別測定其有機質(zhì)含量，得到消解溫度與有機質(zhì)含量的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 不同消解溫度下所測定得到的有機質(zhì)含量

根據(jù)圖1 可見，隨著溫度的升高，實驗測試得到的土壤有機質(zhì)含量也隨之提升。但溫度超過165 ℃后，則逐步趨于平衡。初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，當(dāng)溫度較低時，土壤中的大部分有機物尚未達到消解所需的溫度，因此測定值也相對較低。而在溫度超過165 ℃后，土壤有機物的消解基本趨于完全，因此有機質(zhì)含量的測定值增長也相應(yīng)趨緩。在此基礎(chǔ)上，進一步參考NY/T 1121.6—2006 的有關(guān)要求后，確定在溫度低于160 ℃時，樣品測定得到的有機質(zhì)含量不在要求范圍內(nèi)，因此應(yīng)當(dāng)控制溫度在165 ℃或更高。

在確定溫度的控制要求后，進一步將溫度范圍縮小至165～175 ℃之間，對土壤有機質(zhì)含量進行測試，并引入第三方標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的測試數(shù)據(jù)，對比測試結(jié)果的相對誤差，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同溫度下有機質(zhì)含量測定的相對誤差

根據(jù)圖2 可見，當(dāng)消解溫度在170 ℃時，土壤有機質(zhì)含量實驗測定的相對誤差壓縮至最小，由此確定本實驗消解溫度設(shè)置為170 ℃最為合理。

3.2 分析消解時間對實驗測試結(jié)果的影響

在本環(huán)節(jié)的各組實驗中，均設(shè)置消解溫度為170℃，而后分別設(shè)置消解時間為5、10、20、30、40 min，分別測定各組實驗的有機質(zhì)含量，得到測定結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同消解時間下土壤有機質(zhì)含量的測定結(jié)果

根據(jù)圖3 可見，在初始階段，隨著消解時間的延長，土壤有機質(zhì)含量的測定值也快速上升，而在20 min后該數(shù)值的上升則趨緩。初步分析，其主要原因是在消解時間過短時，大部分有機物尚未達到所需消解溫度而引起測定值偏低。而當(dāng)消解時間在20 min 以上時，大部分有機物已經(jīng)充分消解，因此有機質(zhì)含量的上升也趨于緩慢。針對本環(huán)節(jié)的測定數(shù)據(jù)，進一步參考NY/T 1121.6—2006 的有關(guān)要求后，確定在消解時間20 min 以上時才能滿足測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)要求。

在此基礎(chǔ)上，進一步將消解時間范圍壓縮至20～40 min，對土壤有機質(zhì)含量進行測試，并引入第三方標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的測試數(shù)據(jù)，對比測試結(jié)果的相對誤差，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同消解時間下的土壤有機質(zhì)測定誤差

根據(jù)圖4 可見，當(dāng)消解時間為30 min 時，土壤有機質(zhì)測定的相對誤差處于最低水平，因此確定本次實驗測試的最合理消解時間為30 min。

在確定以上兩項參數(shù)后，應(yīng)用本次設(shè)計的小管密封法實驗對隨機分開的幾種土壤樣品進行測試，并將測試結(jié)果與傳統(tǒng)的化學(xué)氧化法（該方法的主要區(qū)別是應(yīng)用油浴鍋進行加熱）以及第三方標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的檢驗結(jié)果進行對比分析，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 不同實驗方法的土壤有機質(zhì)含量測定結(jié)果 單位：g/kg

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)對比可知，本次應(yīng)用的小管密封法在準(zhǔn)確性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)氧化法，表明本次實驗方法具有一定的可行性，可在今后的實驗中逐步推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

整體來看，本次研究中，通過對土壤樣品的大量測定實驗可知，當(dāng)消解溫度為170 ℃且消解時間為30 min 時，本次設(shè)計的小管密封法在土壤有機質(zhì)測定方面相較于傳統(tǒng)化學(xué)氧化法更具優(yōu)勢。同時，小管密封法所應(yīng)用的消解裝置更具操作便利性、安全性和可控性，能夠?qū)崿F(xiàn)對大批量土壤樣品的同時處理。因此在今后的工作中，有必要對小管密封法做進一步的研究與優(yōu)化，推動土壤樣品有機質(zhì)測定準(zhǔn)確率的不斷提升。