自动蒸馏装置-滴定法测定土壤中水解性氮

杨娜，王若男，蒋侃俊，黄华

（1.上海市园林科学规划研究院，上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 200230；2.上海市崇明区农产品质量安全中心，上海 200230； 3.上海市崇明区新村乡农业综合技术推广服务中心，上海 200230）

土壤水解性氮，又称土壤有效氮，是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮的总和，能够反映土壤近期的氮素供应情况，是衡量土壤肥力的重要指标，与作物生长关系更为密切［1］，因此，快速准确的测定土壤中水解性氮含量是制定行之有效的氮肥施肥方案的关键技术环节之一。

目前，水解性氮的测定方法有生物培养法、酸水解法、碱解扩散法和碱解蒸馏法等［2］。现有的林业行业标准LY／T 1228—2015中水解性氮的测定［3］采用的是碱解扩散法，在扩散皿的外室中，加入一定量的土壤样品，在强碱和硫酸亚铁-锌存在条件下进行水解还原，使易水解氮转化为氨气被扩散皿内室的硼酸溶液吸收，用盐酸标准溶液滴定吸收液中的氨，根据消耗盐酸标准液的量计算水解性氮的含量［3］，但该方法测定周期长，操作过程容易发生内室污染，且由于扩散皿的设计缺陷，容易出现结果重复性较差的情况下［4］。因此，学者研究了各类可以替代碱解扩散法的检测方法，如吕晓慧［5］和石欣［6］均用凯氏定氮管蒸馏法准确测定了土壤中的水解性氮；郑福丽等［7］和王国桢等［8］采用自动定氮仪碱解蒸馏准确测定了土壤中的水解性氮；随着科学技术的发展，近红外光谱技术也日渐运用到土壤水解性氮的检测中来，彭海根等［9］结合竞争自适应重加权采样变量选择算法快速测定了土壤水解性氮含量。但以上方法均有一定缺点，凯氏定氮装置体积较大，易碎且高温加热危险性较高，其设计缺陷容易出现空白偏高的问题；全自动定氮仪操作简便，但价格相对比较高昂，不利于推广；近红外光谱技术则需要结合CARS 有效特征波长筛选方法和偏最小二乘（PLS）建模方法等，对检测人员的要求过高，且需要大批量的土壤进行分析，价格也比较昂贵。

自动蒸馏装置依据经典凯氏定氮法设计，将样品消化装置和自动测氮蒸馏装置集于一体，该仪器安装、操作简单、测量准确，使用安全可靠、省时省力。自动蒸馏装置可兼顾测定土壤及肥料全氮，测定过程中，由仪器自动加入氢氧化钠，而土壤、有机肥料和绿化用有机基质中全氮、水解性氮检测标准中对于氢氧化钠的浓度要求不同，不同待测物需要配制多次氢氧化钠并分别测量，可见氢氧化钠浓度的统一也成为了提高检测效率的关键点之一。为了能够减少配制不同浓度的氢氧化钠，林永峰等［10］在碱解蒸馏法中利用6 mol／L 的氢氧化钠准确了测定土壤水解性氮含量，但是由于土壤全氮及有机肥料全氮的检测中均采用的是10 mol／L的氢氧化钠，以上研究仍旧无法兼顾。基于此，笔者采用自动蒸馏装置作为检测手段，用碱解蒸馏（氢氧化钠浓度为10 mol／L）的方法测定土壤水解性氮，操作过程较为简单，适合于大批量样品的测定，大大提高了检测效率。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

自动蒸馏装置：KDN-812 型，上海纤检仪器有限公司。

纯水仪：ELGA Purelab Option Q7 型，英国埃尔格公司。

硼酸、甲基红、溴甲酚绿：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

氢氧化钠：优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

液体石蜡：化学纯，国药集团化学试剂有限公司。

盐酸标准溶液：质量浓度为0.100 6 mol／L，编号为210507，上海市计量研究院。

土壤成分分析标准物质：编号分别为GBW 07412a（辽宁棕壤）、GBW 07413a（河南黄潮土）、GBW 0715a（湖北水稻土）和GBW 07460（山西黄绵土），其水解性氮标准值分别为(57±4)、(76±10)、(165±10)、(45±4) mg／kg，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

土壤样品：质地为壤土，pH 8.0～8.5，有机质质量分数为11.0～42.9 g／kg，全氮质量分数为0.946～2.17 g／kg，来源于上海市某郊野公园及上海某公园。

实验室用水为超纯水，由纯水仪直接制备。

1.2 溶液配制

10 mol／L 氢氧化钠：称取400.0 g 氢氧化钠溶于水中，用超纯水定容至1 L。

0.1 mol／L 氢氧化钠：称取0.40 g 氢氧化钠溶于水中，用超纯水定容到100 mL。

甲基红-溴甲酚绿混合指示剂：称取0.50 g 溴甲酚绿与0.10 g 甲基红于玛瑙研钵中研细，用少量95%乙醇研磨至全部溶解，用95%乙醇定容至100 mL。

硼酸-指示剂溶液：称取10.0 g 硼酸溶于1 L水中，使用前，每升硼酸溶液中加入5.0 mL 甲基红-溴甲酚绿混合指示剂，并用0.1 mol／L 氢氧化钠调节至紫红色（pH 值约为4.5）。

盐酸标准溶液：0.01 mol／L，用0.01 mol／L 硼砂溶液标定。

1.3 仪器工作条件

硼酸用量：25 mL；加入蒸馏水体积：60 mL；加入氢氧化钠体积：10 mL；蒸馏时间：380 s。

1.4 实验方法

称取5.00 g 土壤标准物质置于蒸馏管中，用少量去离子水湿润样品后加入1 mL 液体石蜡，用定氮仪蒸馏装置进行蒸馏，吸收液用0.01 mol／L 的盐酸标准溶液进行滴定，由蓝绿色刚变为紫红色且30 s 不褪色时为终点。记录所用酸标准溶液的体积(mL)，随同样品做空白试验，水解性氮计算公式如下：

式中：WN——水解性氮含量，g／kg；

V——滴定样品溶液所用盐酸标准溶液的体积，mL；

V0——滴定空白溶液所用盐酸标准溶液的体积，mL；

c——盐酸标准溶液的浓度，mol／L；

14——氮原子的毫摩尔质量，mg／mmol；

m——土壤样品风干后质量，g；

k1——土壤样品水分换算系数。

2 结果与讨论

2.1 前处理条件优化

正交试验设计法［11］是研究多因素多水平试验运用较广的一种设计方法，根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点［12］，能在多实验条件下选出代表性强的少数实验方案［13］。

在单因素试验的基础上，选取蒸馏水加入量（A，mL），NaOH 溶液的加入量（B，mL），蒸馏时间（C，s）3 个影响水解性氮回收率的主要因素，各因素选取6 个水平U6（63）进行试验，试验结果列于表1。采用均匀性设计方案选取标准物质（编号为GBW 07415a），按1.4 步骤进行试验，测定数据列于表2。

表1 均匀性设计因素与水平

表2 均匀性设计实验水解性氮回收率

由表2 可知，5 号试验所得的水解性氮回收率最高，且6 次测定值均在标准物质证书提供的标准值误差范围内。由此可得最优实验条件：蒸馏水加入量为60 mL，NaOH 溶液加入量为10 mL，蒸馏时间为380 s。

根据表2 均匀性实验的结果，以5 号最优组合的各因素水平为基准，上下浮动取值，按正交设计表L15(33)设计正交试验，各因素、水平列于表3。每组试验测定6 个平行样品，计算测定结果的相对标准偏差（RSD），以此为参考进一步选出最优水平条件，得到最为稳定的微波消解土壤样品前处理条件，结果列于表4。

表3 正交设计因素与水平

表4 正交设计测定结果相对标准偏差（n=6）

由表4 可看出，5 号试验的相对标准偏差最低，为0.88%，即当蒸馏水加入量60 mL，NaOH 溶液加入量10 mL，蒸馏时间380 s 时，为最佳水解性氮测定的蒸馏条件。

2.2 方法的检出限

在优化的蒸馏条件下，测定样品空白溶液11次，以空白测定数据的平均值，并将称样量代入1.4中的公式计算得到检出限。由表5 可知，优化的条件下，土壤水解性氮的检出限为2.34 mg／kg。

表5 空白测定数据及检出限

2.3 精密度和准确度试验

选取土壤标准物质GBW 07412a、GBW 07413a、GBW 07415a、GBW 07460 作为测定对象，其水解性氮含量的参考值来自证书，分别称取6 个平行样品，按照1.4 的方法进行测定，计算土壤样品中水解性氮含量的相对标准偏差（RSD），以此来评价该方法的精密度。

同时采用碱解扩散法进行测定，与碱解蒸馏法测定结果的平均值和绝对差值进行比较，以评价碱解蒸馏法的准确度，结果见表6。

表6 精密度和准确度试验结果

由表6 可知，使用碱解蒸馏法得到的测定结果的相对标准偏差为1.90%～3.75%，碱解扩散法得到的测定结果的相对标准偏差为4.16%～5.82%，试验结果表明碱解蒸馏法较传统碱解扩散法具有较高的精密度，能够满足实验室检测的相关要求。同时，碱解蒸馏法测定的各标准物质水解性氮的测定值都在证书提供参考值的允差范围内，且与碱解扩散法测定值相比，两种方法的绝对差值为1.0～2.0 mg／kg，符合LY／T 1288—2015 中当水解性氮的含量在200～50 mg／kg，绝对偏差为10～2.5 mg／kg；当水解性氮的含量小于50 mg／kg，绝对偏差小于2.5 mg／kg。因此，碱解蒸馏法能够准确的测定土壤水解性氮。

2.4 实际样品分析

应用预先筛选的土壤水解性氮碱解蒸馏的最佳条件，对上海市某郊野公园土壤及上海某公园种植土（共计45 个）进行土壤水解性氮进行测定，同时使用本方法和碱解扩散法［3］进行对比，部分结果列于表7。由表7 可知，采用两种方法对不同区域土壤水解性氮的测定结果绝对偏差为1.1～4.0 mg／kg，均满足LY／T 1288—2015 中的相关要求，表明碱解蒸馏法与碱解扩散法的测定结果无明显差异，且碱解蒸馏法的标准相对偏差为1.50～2.57%，较碱解扩散法小，表明其具有更高的精密度。因此，碱解蒸馏法能够准确的测定土壤中水解性氮的含量。

表7 实际样品分析结果（部分）

3 结语

研究了适用于测定土壤水解性氮的碱解蒸馏法，通过对蒸馏水加入量、氢氧化钠加入量、蒸馏时间进行了优化，确定了最佳蒸馏条件：蒸馏水加入量为60 mL，氢氧化钠加入量为10 mL，蒸馏时间为380 s，固体样品的检出限为2.34 mg／kg。该方法便于操作且节约时间，具有较好的精密度和准确度，可以满足快速测定土壤中水解性氮的需要。