有机质分析仪检测土壤中有机质的方法研究

杨茜唐友云郭立君陈实李海露李微艳吴小丹

(1.湖南省土壤肥料研究所/农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；2.湖南产商品质量检验研究院，湖南 长沙 410000)

土壤有机质是指土壤中含碳的有机化合物，主要包括土壤中的各种动物、植物残体，微生物及其分解和合成的各种有机物。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成部分，为土壤微生物活动提供能源，也为植物生长提供所需要的各种营养元素[1]。土壤有机质是评价土壤内部性能和肥力的一个重要指标，其含量的高低影响着作物的生长状况和产量[2]。土壤有机质已成为土壤理化分析检测的重要指标之一[3]。现行土壤有机质的检测标准使用的是油浴法[4]或沙浴法[5]，油浴法采用的是170～180℃油浴加热，管内溶液沸腾后计时5±0.5min。实验室通常使用石蜡油，加热过程味道刺鼻，造成实验室空气污染，温度波动幅度大不易调控，消煮管外壁附着油污难以清洗，高温油浴存在安全隐患。以上标准发布使用最长已达30多年，难以满足国内越来越多农田监测项目针对实验室大批量检测土壤有机质安全、精准、高效、环保的要求。国内已有部分学者采用多孔消解器或智能样品处理器进行土壤样品前处理检测有机质得到较为满意的结果[6，7]。石墨炉消煮-容量法作为一种新型的土壤有机质测定方法，用石墨炉消煮替代了油浴加热，具有可控性好，稳定性高，操作安全、简便，减少环境污染的优点[8，9]。但现有文献关于此方法的使用标准尚未统一[10，11]。本研究采用以石墨炉消煮-容量法为原理研制的全自动土壤有机质分析仪，采用不同时间和温度处理，得出最适的检测方法。为实验室批量检测提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验样品

国家标准物质：GBW(E)070335(ASA-14黑龙江黑土)，GBW(E)070336(ASA-15安徽潮土)，GBW(E)070339(ASA-18吉林棕壤)，GBW(E)070341(ASA-20陕西黄绵土)；有机质标准值范围分别为46±3g·kg-1、12.8±0.8g·kg-1、33±2g·kg-1、3.5±0.5g·kg-1，由农业农村部环境保护科研监测所、津标(天津)计量检测有限公司生产。常规土样取自长沙市郊区农田土壤。

1.1.2 药品试剂

1.1.2.1 0.4mol·L-1重铬酸钾-硫酸溶液

称取40.0g重铬酸钾(分析纯)溶于600～800mL水中，用滤纸过滤到1L量筒内，用水洗涤滤纸，并加水至1L，将此溶液转移入3L大烧杯中。另取1L密度为1.84的浓硫酸，分批慢慢倒入重铬酸钾水溶液中，不断搅动。待溶液冷后存于试剂瓶中备用。

1.1.2.2 0.2mol·L-1重铬酸钾标准溶液

准确称取130℃烘2～3h的重铬酸钾(分析纯)9.807g，用少量水溶解，无损移入1000mL容量瓶中，加水定容。

1.1.2.3 邻菲啰啉(C12HgN2·H2O)指示剂

称取邻菲啰啉1.49g溶于含有1.00g六水合硫酸亚铁铵的100mL水溶液中。此指示剂易变质，应密闭保存于棕色瓶中。

1.1.2.4 0.2mol·L-1硫酸亚铁标准溶液

称取55.6g硫酸亚铁(分析纯)溶解于600～800mL水中，加浓硫酸(分析纯)20mL搅拌均匀，静置片刻后用滤纸过滤到1L容量瓶中，用水洗涤滤纸并加水至1L。此溶液易被空气氧化而致浓度下降，每次使用时应标定其准确浓度。

1.1.2.5 硫酸亚铁溶液的标定

吸取0.2000mol·L-1重铬酸钾标准溶液20.00mL于样品杯中，放入1颗磁力搅拌粒，加浓硫酸3～5mL和邻菲啰啉指示剂2～3滴，加水30mL，以硫酸亚铁溶液滴定至终点，由分析仪根据硫酸亚铁溶液消耗体积自动计算出硫酸亚铁标准溶液浓度。

1.1.3 试验仪器

土壤有机质分析仪TS-8200B型，上海仪乐智能仪器有限公司生产。

1.2 样品测定

准确称取过0.25mm筛的风干试样0.30～0.50g(精确到0.0001，称样量根据有机质范围而定)于消解杯中。输入时间和温度后仪器开始运行，自动加入10.0mL重铬酸钾-硫酸溶液，消煮完成后以邻菲啰啉为指示剂，用0.2mol·L-1硫酸亚铁溶液滴定剩余的重铬酸钾。溶液由棕红色变紫色至蓝绿色为终点，根据消耗的重铬酸钾的量计算有机质含量。加液至最终得出有机质含量全过程由土壤有机质分析仪自动完成。

2 结果与分析

2.1 时间选择

测定的土壤选用国家标准物质GBW(E)070335(ASA-14黑龙江黑土)、GBW(E)070336(ASA-15安徽潮土)、GBW(E)070339(ASA-18吉林棕壤)、GBW(E)070341(ASA-20陕西黄绵土)这4种标准物质，涵盖了有机质浓度从低到高的范围。参考行业标准规定土壤有机质测定的消解温度170～180℃，本试验使用石墨炉加热均匀，温度不会产生较大波动，故选择消煮温度170℃。消煮时间(含开始至沸腾)参考油浴法时间设置为7min、8min、9min、10min，每个样品测定6次，根据结果与标准值的对照，找出最佳消煮时间。试验数据见表1。

表1 不同时间处理下土壤有机质测定结果

从表1、表2可以看出，所有平行处理的结果绝对相差符合实验室精密度测定要求，见表2。测试结果的相对标准偏差(RSD)0.4%～5.7%，相对误差(RD)-7.2%～9.9%。消煮时间低于8min时，有机质含量高的ASA-14与ASA-15氧化时间不够，结果偏低，落在标准值范围以外。在消煮时间10min时，ASA-20的测定结果相对误差偏大。其它检测结果均在标准值范围内，随时间的增加而增高。为了进一步说明消煮时间对测定结果的影响，做了不同时间处理下的氧化率曲线图，见图1。消煮时间少于8min时，ASA-14、ASA-15、ASA-18的氧化率小于95%，氧化不完全，测定值偏低；当消煮时间超过8min时，4种测试标样的氧化率均大于100%，测定值偏高。综上分析，考虑检测时间和成本，选择8min为最佳消煮时间。

图1 不同时间处理下土壤有机质氧化率比较

表2 平行测定结果允许相差

2.2 温度选择

以油浴温度为参考，设置消煮温度分别为165℃、170℃、175℃、180℃，消煮时间8min，每个样品测定6次，根据其与标准值的对照，找出最佳消煮温度。试验数据见表3。

表3 不同温度处理下土壤有机质测定结果

从表3可以看出，消煮温度低于170℃时，有机质含量高的ASA-14氧化反应不够充分，结果落在了标准值范围外。其它检测结果均在标准值范围内且随温度的升高而增高。所有平行处理的结果绝对相差符合实验室精密度测定要求。测试结果的相对标准偏差(RSD)0.4%～5.2%，相对误差(RD)-7.0%～6.3%。同样消煮温度对测定结果也有影响，根据测定数据得到不同温度处理下的氧化率曲线图，见图2。消煮温度低于170℃时，ASA-14的氧化率小于95%，氧化不完全，测定值偏低；当消煮温度达到175℃时，ASA-14氧化率均大于100%，测定值偏高；当消煮温度达到180℃时，ASA-14、ASA-15、ASA-20氧化率均大于100%，测定值偏高。温度过高会导致液体蒸发过快，反应剧烈会产生有机质损失，因此得出结论，消煮时间8min时，170℃为最佳消煮温度。

图2 不同温度处理下土壤有机质氧化率比较

2.3 检出限及测定下限

参考《土壤分析技术规范》[12]第6章土壤有机质的测定，采用《环境监测分析方法标准修订技术导则》HJ 168-2020的理论检出限(MDL)和测定下限(4MDL)。根据样品的称样量(M)以及使用仪器所产生的最小液滴体积(V)、滴定液的浓度(c)，计算方法的理论检出限[13]。

计算公式：

MDL=c×V×0.003×1.724×1.10×1000/M

硫酸亚铁标准溶液浓度为0.2000mol·L-1，使用的仪器所产生的最小液滴0.09mL，最大取样量为0.5g。0.003为1/4碳原子的毫摩尔质量，g；1.724为有机碳换算成有机质的系数；1.10为氧化校正系数。

方法检出限：0.2000×0.09×0.003×1.724×1.10/0.5×1000=0.20g·kg-1。测定下限为4倍MDL[14]：0.20×4=0.80g·kg-1。

2.4 方法对比实验

使用有机质分析仪，将温度和时间设置在170℃、8min条件下，与传统油浴法进行比较，结果见表4。所测样品有机质含量范围3.48～45.7g·kg-1，相对标准偏差范围0.2%～2.8%，相对误差范围-0.4%～0.9%，检测结果无显著差异(P=0.219)，满足化学分析方法验证确认和内部质量控制(GB/T 32465-2015)[15]的要求。

表4 土壤有机质检测方法对比结果(N=6)

3 结论

试验结果表明，采用有机质分析仪测定土壤有机质含量的最佳条件为170℃、8min。

与传统方法相比，土壤有机质分析仪不仅能解决传统油浴法易污染实验室空气，温度波动大，管壁附着难清洗，转移过程易损失等缺点，而且整个加液、消煮、转移、滴定、计算全过程自动化，避免了检测过程中人为因素带来的误差，试验数据更加准确。使用有机质分析仪能有效避免操作人员与重铬酸钾、硫酸等腐蚀性物质的频繁接触，安全高效，降低实验风险。仪器检测过程中所耗试剂要少于传统方法，大批量检测时可以大大节省人力物力、降低检测成本。该方法检出限为0.20g·kg-1，测定下限0.80g·kg-1，检测数据能达到相应土壤评价要求[16]，适合实验室批量测定土壤样品的有机质。