FOSS Kjeltec 8400全自动凯式定氮仪测定土壤全氮方法探讨

高 飞，陈素贤，杜晓玉，周 欣，王 熹

（北京市耕地建设保护中心，北京 100101）

氮是植物生长的必要营养元素之一，土壤全氮含量的高低，反映了土壤的潜在供氮水平。因此，全氮分析是土壤检测的重要指标。在土壤科学、植物科学等领域对土壤营养供应、植物营养吸收等的研究均需测定土壤全氮含量。测定土壤全氮的经典方法是采用半微量开氏法。该方法原理是用浓硫酸消煮土壤样品，使有机氮转化为氨，并与硫酸结合成硫酸铵，向消煮液中加入过量氢氧化钠后蒸馏，将铵盐转化成氨，随水馏出后用过量硼酸溶液吸收，然后以标准酸滴定，计算出土样中全氮含量。该方法虽然所需仪器设备简单，但操作复杂，且结果受环境和人为因素影响较大，分析效率较低。基于经典的半微量开氏法设计的FOSS Kjeltec 8400型全自动凯式定氮法，可实现样品消煮、蒸馏、滴定等过程全自动化控制。FOSS Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪应用高精度颜色传感器和智能化程序控制判断滴定终点，可自动完成加水、加酸、加碱、蒸馏、滴定、滴定杯清洗、消化管排空等步骤。在检测过程中无需人为干预，避免了蒸馏、滴定过程中的人为误差，整个过程只需几分钟，大大提高了工作效率。FOSS Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪法在测定土壤全氮过程中，主要有3个过程：消化分解过程、碱解蒸馏过程和标准酸滴定过程。笔者通过测定标准土样和耕层土样中的全氮，进行对比试验，分析了2种方法的精密度和准确度，旨为采用FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪测定土壤全氮含量提供数据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验样品

土壤样品：采自北京市各区县耕层土壤，样品数量为10个，采样深度为0~20 cm。采集的土壤样品平铺于样品盘，去除残根、石块等杂物，室温（25℃左右）条件下自然风干。风干后的土壤样品平铺在制样板上，剔除杂物，用木棍碾压、研磨，过0.25 mm筛，用于土壤全氮测定。

标准土样：选取广州广电计量检测股份有限公司研制的农用地土壤有效态成分参比物质（编号为SAS-1、SAS-2、SAS-3）。

1.2 主要仪器与试剂

全自动凯氏定氮仪：Kjeltec 8400型，瑞士FOSS公司；凯氏定氮管：250mL，瑞士FOSS公司；电子天平：ME104型，感量为0.000 1 g，瑞士梅特勒公司；电热消解仪：DigiBlock EHD 20型，北京莱伯泰科有限公司。试验所用试剂均为分析纯。试验用水为去离子水。

氢氧化钠溶液[c(NaOH)=10 mol·L]：称取400 g氢氧化钠，溶解于少量水中，移入1 L容量瓶中，加水至刻度，摇匀。

硫酸标准溶液[c(1/2 HSO)=0.02 mol·L]：吸取15.0 mL硫酸慢慢注入到400 mL水中，混匀，冷却后转移入1 L容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀，即得硫酸标准溶液[c(1/2 HSO)=1.0 mol·L]。吸取硫酸标准溶液[c(1/2 HSO)=1.0 mol·L]20.0 mL，用1 L容量瓶稀释至刻度，即得硫酸标准溶液[c(1/2 HSO)=0.02 mol·L]。

硫酸标准溶液标定：准确称取已在250℃干燥4 h的基准无水碳酸钠，置于250 mL锥形瓶中，加50 mL水溶解，再加2滴甲基红指示剂，用硫酸溶液滴定至红色刚出现，小心煮沸至红色褪去，冷却至室温；继续滴定、煮沸、冷却，直至刚出现的微红色再加热时不褪色为止。以滴定用去硫酸溶液实际体积计算出硫酸标准滴定溶液浓度。

混合指示剂：称取0.5 g溴甲基绿和0.1 g甲基红溶解于100 mL的95%乙醇中。

硼酸-指示剂混合溶液：硼酸质量浓度为10 g·L。将10g硼酸溶于950 mL蒸馏水中，加入20 mL的混合指示剂，充分混合后，滴加氢氧化钠溶液[c(NaOH)=0.1 mol·L]，直至溶液呈紫红色（pH值为4.5），稀释定容1 L。

1.3 样品处理

准确称取1.000 0 g土壤样品于干燥的消煮管底部，每个样品3次重复。消煮管中加入2 g催化剂（KSO∶CuSO∶Se=100∶10∶1）和5 mL浓硫酸，混匀。将消煮管置于已设定好温度的电热消解仪上。在150℃下加热10 min，350℃下加热10 min，420℃下加热60 min，直至消煮液变为灰白色或稍带绿色的澄清溶液。待消煮液冷却后，分别进行半微量开氏法测定和Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪法蒸馏滴定。

1.4 半微量开氏法测定方法

按国标NY/T 53-1987《土壤全氮测定法》进行测定。在消煮液冷却后，用30 mL去离子水定量全部转入蒸馏器内。在150 mL锥形瓶中，加入5 mL硼酸-指示剂混合液，放在冷凝管末端，管口置于硼酸液面上3~4 cm处。向蒸馏室内缓慢加入20 mL浓度为10 mol·L的氢氧化钠溶液，通入蒸汽蒸馏，待馏出液体积约50 mL时，停止蒸馏，用硫酸标准溶液滴定馏出液至颜色由蓝绿色刚变为红紫色，记录所用标准酸体积（mL）。设置2个空白。

1.5 Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪测定方法

1.5.1 仪器工作条件 配置滴定仪，设置工作参数为：加水20 mL、氢氧化钠溶液25 mL、硼酸-指示剂混合溶液25 mL，在滴定剂桶中加入已标定的0.02 mol·L的硫酸标准溶液。

1.5.2 操作步骤 使用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪进行蒸馏测定。打开全自动凯氏定氮仪和酸滴定仪，接好冷凝进水管和氢氧化钠溶液进水管。按启动开关键后，开始进行蒸馏滴定，设置2个空白，仪器测定的2次空白值相差＜0.05 mL开始样品测定。

根据以下公式计算土壤中全氮（N）含量，以质量分数w计，数值以百分数（%）表示。

式中，为酸标准滴定溶液浓度，单位为摩尔每升（mol·L）；为滴定试样溶液所消耗的酸标准滴定液体积，单位为毫升（mL）；为滴定空白溶液所消耗的酸标准滴定液体积，单位为毫升（mL）；0.014为

N的摩尔质量，单位为千克每摩尔（kg·mol）；m为

风干试样质量，单位为克（g）；f为干试样吸湿水含量，单位为百分率（%）。

1.6 统计分析

每个土壤样品均重复测定3次，全氮含量以氮元素的质量分数表示。3次测量值X的算术平均值为土样全氮的估计值，即测定结果。测定结果中的允许绝对偏差按照标准NY/T 1121.24—2012《土壤检测第24部分：土壤全氮的测定自动定氮仪法》执行，标准偏差采用Excel中公式计算，RSD值为标准偏差与算术平均值的比值。采用SPSS软件分析工具库的配对样品t检验，进行2种方法的差异性分析。

2 结果与分析

2.1 2种方法测定土样全氮结果比较

2.1.1 2种方法测定耕层土壤全氮结果相关性分别用半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定10份耕层土壤样品，以半微量开氏法测定结果为横坐标(x)、FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定结果为纵坐标(y)进行线性回归。由图1可知，线性回归方程为=0.990 9+0.000 9，相关系数为0.999 8，表明2种方法测定结果之间呈极显著相关。

图1 半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法耕层土样全氮测定结果相关性

表1为半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定10份耕层土壤样品中全氮含量的t检验结果。由表1可知，2种分析方法测定平均值分别为0.162 8%，0.162 2%；t检验结果表明，双尾检验＞0.05，表明2种方法测定结果没有明显差异。

2.1.2 2种方法测定标准土样全氮结果相关性分别用半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定3份标准土壤样品，以半微量开氏法测定结果为横坐标(x)、FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定结果为纵坐标(y)进行线性回归。由图2可知，线性回归方程为=0.992 8+0.000 3，相关系数为0.999 7，表明2种方法测定结果之间呈极显著相关。

表1 配对样品t检验

图2 半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法标准土样全氮测定结果相关性

表2为半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定3份标准土壤样品中全氮含量的t检验结果。由表2可知，2种分析方法测定平均值分别为0.100 4%，0.100 0%；t检验结果表明，双尾检验＞0.05，表明2种方法测定结果没有明显差异。

表2 配对样品t检验

2.2 精密度试验

表3和表4分别为半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定耕层土样全氮的结果。结果显示，半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定的耕层土样全氮含量的标准偏差分别在0.001 0%~0.003 2%，0.001 2%~0.002 1%之间。每个样品平行间的误差均在误差允许范围内，相对标准偏差（RSD）均小于5%，说明2种方法测定的土壤全氮精密度较高，稳定性较好。与半微量开氏法相比，FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定结果的相对标准偏差较小。

表3 半微量开氏法测定土壤全氮结果精密度 %

表4 FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定土壤全氮结果精密度 %

2.3 准确度试验

分别用半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定标准土样SAS-1、SAS-2、SAS-3中的全氮含量，每个标准土样平行测定3次，测定结果见表5和表6。2种方法测定的标准土样全氮含量均在参比物质量值范围内，相对标准偏差均小于5%，说明2种方法的准确度较好。与半微量开氏法相比，FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定标准土样全氮含量均值更接近参比物质量值，且相对标准偏差较小。

表5 半微量开氏法测定土壤全氮结果准确度 %

表6 FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定土壤全氮结果准确度 %

3 结论与讨论

半微量开氏法是国家标准方法，由于制定时间较早，操作过程复杂，在滴定过程中，需要接触强酸强碱，具有一定的危险性。人工滴定时耗费人力，且对终点的判定存在人为误差。FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪测定过程中，强酸强碱试剂均在封闭室内自动加入，降低了危险性，而且可以提高氨气吸收的水平，基本不受温度、压力等方面的影响，进而提高了试验的准确性。高精度颜色传感器使滴定终点更准确，减少了人为操作误差。与半微量开氏法相比，FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪测定操作简便，且具有较高的精确度和准确度。

应用半微量开氏法和FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪法测定土样中全氮含量，2种方法的测定结果之间无明显差异，且精确度和准确度都较高，稳定性较好，相对标准偏差均小于5%。2种方法相比，FOSS Kjeltec 8400全自动定氮仪具有较高安全性，而且操作简便，能够降低劳动强度，减少操作风险和人为误差，适合大批量土壤样品全氮的测定。