流动分析仪与凯氏定氮仪测定土壤全氮含量之比较研究

荣国华, 周景云, 吴鸿宇, 魏孝荣

(1.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

氮素是植物生长必不可少的营养元素，土壤氮含量是评价土壤氮素供应能力的重要指标之一[1-2]。土壤全氮主要由有机氮和无机氮组成，有机氮存在于有机质、植物和微生物残体中，并且与无机氮通过固定和矿化过程相互转化[2-3]。土壤学、植物营养学、生态学、环境科学等不同领域对土壤养分供应、植物养分吸收、温室气体排放等的研究中均需测定土壤全氮含量[4]。

土壤全氮含量常用凯氏定氮法测定。该方法用浓硫酸和混合加速剂对样品进行消煮分解，将氮素转化为铵离子，通过测定消煮液中铵离子含量计算全氮含量。目前铵离子的定量分析主要采用蒸馏滴定法，凯氏定氮仪可以实现自动蒸馏、滴定等过程[6]，在土壤全氮分析测定中最为常用。此法虽然经典，但测定时间长，蒸馏1个样品需3～5 min，且蒸馏废液中大量的高浓度碱处理不当还会引起环境污染。

连续流动分析仪在铵离子分析测定中具有较高的灵敏度和准确性等优势，被广泛使用并逐渐替代蒸馏滴定方法[7-9]。该方法基于靛酚蓝反应原理，消煮液在碱性条件(pH≈13.0)下铵和次氯酸根反应生成氯胺，经硝普钠催化，氯胺与水杨酸反应生成蓝绿色络合物，在波长660 nm处比色测定[10-11]。目前使用连续流动分析仪测定土壤全氮的研究也有报道，如宋书会等使用连续流动分析仪测定土壤全氮含量，并与凯氏定氮仪测定结果进行比较，发现两种方法测定结果无显著差异，而且呈现显著的线性相关关系[12]。其他研究结果也表明，流动分析仪法对植物、土壤、秸秆、肥料中全氮含量的测定结果与凯氏定氮仪法无显著差异，而且流动分析仪稳定性更高[13-16]。

目前对流动分析仪和凯氏定氮仪法测定土壤全氮的比较研究所选用的样品均来自同一类型，而且不同土地利用方式和质地下的土壤全氮、颗粒组成等性质差异巨大，其对流动分析仪法应用是否会产生影响尚不清楚，从而限制了该方法适用性的评价。本研究在黄土高原从北到南选取9个地点3种典型土地利用方式下的土壤样品为对象，用连续流动分析仪和凯氏定氮仪测定全氮含量，分析两种测定结果与不同土地利用方式和土壤质地的关系，以确定连续流动分析仪法在黄土高原土壤全氮测定中的适用性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况和土壤样品采集

本研究在黄土高原从北到南选取9个土壤质地和养分状况差异显著的地点，在每个采样地点选择农地、林地和草地3种土地利用方式为研究对象。9个采样地点分别位于神木、榆林、米脂、绥德、延安、富县、黄陵、铜川、扶风(表1)。所选取的采样地点农地主要种植玉米(ZeamaysLinn)、高粱(PanicummiliaceumL.)和大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)；草地的优势种为多年生针茅(StipagrandisP. Smirn.)和紫花苜蓿(LotuscorniculatusL.)；林地在神木、米脂、绥德、延安、富县、黄陵、铜川和扶风的主要优势种为松树(Pinus)和刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn)，在榆林的主要优势种为榆树(UlmuspumilaL.)。

表1 不同地点的土壤质地划分

2014年9月，在每个地点的每个土地利用方式下布设3个10 m×10 m小区采集土壤样品。在每个小区随机选择7个采样点，用土钻采集0—10 cm和10—20 cm两个土层土壤样品，构成混合样品。本研究共采集64个样品，带回实验室后去除植物残体，风干后分别研磨过2 mm和0.25 mm筛，用于土壤颗粒组成和全氮含量测定。土壤颗粒组成使用MS2000激光粒度仪(Malvern Instruments Ltd. UK)测定[17]。

1.2 土壤样品消解

土壤样品用硫酸铜—硫酸钾硫酸消解后供全氮测定[10]。称取0.500 0 g土壤样品于消煮管，加入1.8 g催化剂(K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1)和5 ml浓硫酸，摇匀后置于自动消解炉上加热，在360℃消煮至消解液澄清，同时做空白试验。消解结束后冷却至室温，定容至100 ml，摇匀以备分析测试。

1.3 凯式定氮仪测定土壤全氮

本研究中凯式定氮法测定土壤全氮所用仪器为全自动凯氏定氮仪(KjelFlexK-360)，配置DL15型自动滴定仪和DG115-SC电极；滴定管容积为20 ml，分辨率为1/10000，电位分辨率为0.1 mV。本方法所用试剂为40%氢氧化钠、20 g/L硼酸、0.02 mol/L(1/2 H2SO4)标准溶液、0.01 mol/L(1/2 H2SO4)标准溶液。测定过程按照仪器说明和要求操作。

1.4 连续流动分析仪测定土壤全氮

流动分析仪法测定土壤全氮所用的仪器设备为AA3型连续流动分析仪(德国布朗—卢比公司生产)，配置有MT7和MT82化学模块，双通道，含AACE操作软件。本方法所用试剂为碱性缓冲溶液、水杨酸钠溶液、次氯酸钠溶液、4%硫酸溶液、硫酸铵储备液(1 000 mg N/L)。测定过程按照仪器说明和要求操作。

1.5 数据处理

使用JMP Pro 13软件进行数据分布检验、t检验以及相关性分析。由于土壤全氮含量不可能为0，因此，对凯氏定氮仪和流动分析仪测定的土壤全氮值进行线性拟合时，将其截距设为0。所有图表均采用Excel 2016软件绘制。

2 结果与分析

2.1 凯氏定氮仪和流动分析仪测定土壤全氮含量比较

流动分析仪测定的土壤全氮含量范围为0.24～2.24 g/kg，平均值为0.89 g/kg，凯氏定氮仪测定的土壤全氮含量范围为0.28～2.12 g/kg，平均值为0.87 g/kg。两种分析方法测定结果之间有着极显著正相关关系，回归直线斜率接近1(p<0.000 1)(图1)；t检验结果表明，双尾检验p>0.05，两种方法测定的土壤全氮含量无显著差异(表2)。

图1 流动分析仪和凯氏定氮仪测定全氮含量及其线性相关分析

表2 流动分析仪和凯氏定氮仪测定全氮含量t检验

2.2 土地利用方式对全氮测定结果的影响

流动分析仪和凯氏定氮仪测定的农地、林地和草地的土壤全氮含量分别为(0.58±0.05)，(0.58±0.05)，(1.07±0.09)，(1.05±0.09)，(0.88±0.12)，(0.87±0.11) g/kg，测定结果接近。两种方法测定结果在农地、林地和草地的相关系数分别为0.94，0.97，0.99(p<0.01)(表2)，斜率均接近1(图2)。t检验结果显示，双尾检验p>0.05，两种方法在不同土地利用方式下测定的全氮含量无显著差异。因此，流动分析仪和凯氏定氮仪对土壤全氮含量的测定结果不受土地利用方式的影响。

2.3 土壤质地对全氮测定结果的影响

通过测定土壤样品颗粒组成，根据国际制土壤质地分级标准，将每个地点的土壤质地划分为砂壤土、黏壤土和壤黏土。流动分析仪和凯氏定氮仪测定的砂壤土、黏壤土和壤黏土全氮含量分别为(0.61±0.02)，(0.61±0.02) g/kg，(0.98±0.03)，(1.00±0.03) g/kg，(1.40±0.09)，(1.31±0.09) g/kg。两种方法测定的砂壤土、黏壤土和壤黏土全氮含量的相关系数分别为0.99，0.96，0.98(p<0.01)(表2)，斜率均接近1(图2)。t检验结果显示，双尾检验p>0.05，两种方法对不同质地土壤全氮含量的测定无显著差异(表2)。此外，流动分析仪和凯氏定氮仪测定的全氮差值与土壤黏粒(p=0.1601)、粉粒(p=0.2018)和砂粒(p=0.1789)含量无显著的线性关系(图3)。因此，两种仪器的测定全氮含量不受土壤质地的影响。

图2 不同土地利用方式和土壤质地下流动分析仪和凯氏定氮仪测定结果线性相关分析

图3 流动分析仪和凯氏定氮仪测定全氮差值与土壤质地的线性相关分析

3 讨 论

流动分析仪法测定的土壤全氮含量与凯氏定氮仪法测定结果无显著差异，而且极显著正相关，这与以前的研究结果一致[12-13]。因此，流动分析仪法可用于黄土高原土壤全氮含量的测定。另外，流动分析仪测定全氮含量所用的试剂量远小于凯氏定氮仪，试剂配制时间和仪器调试时间约需要2 h，按照测定速率50个/h，每天可测定300样次，适合于大批量样品的测试。

4 结 论

(1) 连续流动分析仪测定土壤全氮时具有分析速度快、消耗试剂少、准确度和精密度较高等优点，对大批量的样品进行检测非常经济、快捷。该方法与凯氏定氮法相比无显著差异，表明这两种测定方法在黄土高原土壤中具有可比性。

(2) 流动分析仪法对全氮含量的测定不受土地利用方式和土壤质地的影响，可用于不同管理措施和不同类型土壤。