加热模块快速消解-分光光度法测定土壤中有机质的含量探析

蒲亚梅，王文泽，赵玉琳，杨 丹，谢洪琳

（四川中润智远环境监测有限公司，四川 成都 610100）

引 言

土壤有机质主要来源于土壤中动植物的残体以及微生物生命活动所产生的有机物质，其对土壤的养分结构、理化性状起着关键性作用，是土壤养分的主要来源。传统的土壤有机质测定方法主要是油浴-重铬酸钾滴定法以及燃烧氧化法。

油浴-重铬酸钾滴定法是被延用多年的经典方法，根据《第三次全国土壤普查技术规程（试行）》和专题技术规范（试行），该方法也是第三次全国土壤普查耕地园地土壤理化性状检测推荐方法。该方法主要通过重铬酸钾-浓硫酸将土壤中的有机碳氧化，再通过硫酸亚铁滴定进行定量分析。在实际操作过程中，油浴加热温度波动大，容易使样品消解不完全。在消解样品时，既要保持油浴处于微沸的状态，又要精确控制加热时间5分钟，且消煮时间对实验结果影响较大，操作繁琐，实验注意事项多。另外，甘油在消解过程中易附着于消解管表面，转移时被带入滴定瓶，会造成测定结果偏高。燃烧氧化法是比较新的方法，主要原理是加酸去除土壤中的无机碳，后置于高温灼烧，将土壤中的有机碳转化为二氧化碳，然后将产生的二氧化碳通过红外光谱法或电导法进行测量，以此转化有机质的浓度。该方法做样速度快，制备流程简单，可操作性强，但仪器使用较为复杂，仪器价格较高，并且氧化温度难以控制，背景值高，容易有空白污染。近年来也有土壤有机质全自动分析仪法[1]、石墨消解法[2]、微波消解法[3]、电热板消解法[4]等方法。智能机械臂可将每个步骤自动化、标准化，方法精密度高，但仪器价格都相对较高，对小型实验室不友好。

快速消解分光光度法测定土壤中有机质的含量，应采用加热模块并预设加热程序，使得消解过程更加简便、准确。消解液直接比色，可快速测定结果。加热模块价格便宜，仪器简单，在实验室中可用于化学需氧量、总磷、总氮、金属指标等的样品前处理，使用率高，使用成本较低。

1 原理

1.1 标准系列

以邻苯二甲酸氢钾配制标准液时，邻苯二甲酸氢钾溶于水生成邻苯二甲酸，再被酸性重铬酸钾氧化为二氧化碳和水，公式为式（1）、式（2）：

1.2 样品

在加热强硫酸介质过程中，以硫酸银作为催化剂，土壤中的有机质被过量的重铬酸钾溶液氧化，重铬酸钾中的六价铬被还原为三价铬，其含量与土壤样品中的有机质成反比，在600 nm波长处测定吸光度，根据三价铬的含量计算有机质的含量。

2 实验部分

2.1 仪器

2.1.1 加热模块

（1）多功能智能消解仪：配套25 mL的消解管，加热孔的孔深应高出消解管内液面，消解管外壁应能紧贴加热孔内壁，否则不能保证消解完全。

（2）可见分光光度计：具有600 nm波长，并配有10 mm比色皿。

（3）电子天平：感重为0.000 1 g。

2.1.2 试剂

（1）硫酸银-硫酸溶液：将1.0 g硫酸银加入到100 mL硫酸中，溶解，备用。

（2）有机质标准溶液（C=5.0 g/L）：准确称取邻苯二甲酸氢钾（优级纯，105 ℃下干燥至恒重）0.616 4 g，溶解于适量水中，转移至100 mL容量瓶，加水至刻度，即为5.0 g/L的有机质标准溶液储备液。（注：根据分子式，1 g邻苯二甲酸氢钾中含有的有机碳为，有机碳转换为有机质的Bemmelen系数为1.724。本实验中配置6.164 g/L的邻苯二甲酸氢钾标准溶液，换算为有机质标准溶液即为5.0 g/L。）

（3）重铬酸钾溶液：准确称取24.515 4 g重铬酸钾（优级纯，120 ℃下干燥至恒重），溶解于适量水中，转移至500 mL容量瓶，加水至刻度。（注：根据反应方程式，1 mol邻苯二甲酸氢钾完全被氧化需要的重铬酸钾。本实验中配置的邻苯二甲酸氢钾为0.03 mol/L，配置0.16 mol/L的重铬酸钾即能被完全氧化。）

2.2 样品的制备

将土壤样品置于风干盘中，摊成1～3 cm的薄层，剔除植物根系、动物残体、树枝等杂物，适时压碎、翻动，自然风干。将风干后的样品倒在牛皮纸上，用木锤、木棒再次压碎，挑出杂质，采用四分法取压碎的样品，过0.25 mm孔径筛（20目）的土壤筛，过筛后的样品充分搅拌均匀，再采用四分法取其两份，一份交样品库存放，另一份装入棕色具塞玻璃瓶中，待测。

2.3 实验步骤

2.3.1 标准曲线的绘制

分别取土壤有机质标准溶液0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于10 mL比色管，加水至刻度，即为0.0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g/L的有机质标准系列。

用移液管准确吸取2.0 mL标准系列于25 mL具塞消解管中，加入2.0 mL的重铬酸钾溶液，缓慢小心加硫酸银-硫酸溶液6 mL（此过程要注意防止浓硫酸沸腾而飞溅），轻轻摇匀。将消解管放入加热器中，设置加热器温度为165 ℃，保持时间为15 min。消解完全后，加水至25 mL，摇匀，静置，在600 nm处，以水为参比，使用1 cm比色皿，测定其吸光度。以有机质质量为横坐标，以对应的吸光度减去空白吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。

2.3.2 试样的测定

准确称取风干过筛的土壤样品0.05～0.1 g（精确至0.000 1 g），放入25 mL消解管中，加入2.0 mL水，轻摇消解管使样品充分离散，准确加入2.0 mL重铬酸钾溶液、6 mL硫酸银-硫酸溶液，轻轻摇匀（此过程要注意防止浓硫酸沸腾而飞溅）。将消解管放入加热器中，设置加热器温度为165 ℃，保持时间为15 min。消解完全后，加水至25 mL，摇匀，静置，取上清液（若不能澄清，此过程也可离心后取上清液待测），在600 nm处，以水为参比，使用1 cm比色皿，测定其吸光度。

2.3.3 空白试样

以0.1 g石英砂代替土壤样品，按试样操作步骤测定其吸光度。

2.4 结果计算

根据标准曲线计算的有机质含量除以土壤的称样量（g），即为试样中有机质含量（mg/kg），见式（3）：

式中：p为土壤样品有机质含量，mg/kg；m1为试样中干物质的量，g；m为试样取样量，g；w为土壤的干物质含量，%；A为消解液吸光度；A0为空白试样消解液吸光度；a为校准曲线截距；b为校准曲线斜率。

3 结果与讨论

3.1 校准曲线

以有机质标准溶液质量对应仪器响应值（扣除空白），标准曲线吸光度见表1。

表1 标准曲线吸光度

根据表1绘制土壤有机质校准曲线，见图1，校准曲线为y=0.056 1x-0.007 3，相关系数为0.999 6，符合实验要求。

图1 土壤有机质标准曲线图

3.2 方法检出限和测定 下限

根据《环境监测分析方法标准制订技术导则》（HJ 168—2020）[5]附录A中A.1.1空白试验中未检出目标物规定，对估计方法检出限值3～5倍进行7次加标测定，分别以MDL=3.143×S和RQL=4MDL计算方法的检出限和测定下限。吸光度及检测结果见表2。

表2 土壤有机质方法检出限和测定下线

本实验对7个空白样品进行0.5 mg的加标测试，根据结果计算出方法检出限为0.19 mg/kg，方法测定下限为0.76 mg/kg。

3.3 消解时间和温度的选择

为了探讨消解条件对土壤有机质含量测定的影响，本实验分别设置了四种不同温度、时间的消解条件，测定了不同批次土壤样品HTSB-4（甘肃灌漠土）、HTSB-5（青海栗钙土），结果见表3。

表3 不同消解方案实验结果单位：mg/kg

由表3可以看出，消解温度过低、消解时间过短，可能导致消解不完全，有机质氧化不充分，被还原的三价铬含量偏低，从而导致检测结果的有机质含量偏低。温度为165 ℃，保持时间为15 min，即可达到比较满意的消解效果。

3.4 准确度和精密度实验

选取2种不同土壤底质样品，165 ℃消解15 min，使用分光光度法与传统油浴法比较，结果见表4。

表4 不同样品准确度和精密度实验结果单位：mg/kg

由表4可以看出，不同批次土壤样品使用加热模块消解-快速消解分光光度比色法与传统油浴-重铬酸钾滴定法相比，方法精密度相似。样品有机质含量更高时，加热模块消解-快速消解分光光度比色法具有更高的准确度。

3.5 干扰和消除

本实验的干扰主要来自土壤中的亚铁离子、二价锰离子和氯离子，亚铁离子、二价锰离子、氯离子易被重铬酸钾氧化，导致结果值偏高。在样品前处理过程中，可适当延长土壤摊晾时间，样品尽量摊成薄层，使其在空气中充分暴露，使亚铁离子、二价锰离子氧化以消除干扰；在消解过程中，可加入适量的硫酸汞，生成氯化汞的沉淀，以消除氯离子的干扰。

4 注意事项

注意事项如下：（1）测定土壤有机质时必须采用风干样品，因为一些长期渍水土壤有较多的还原性物质存在，可能导致检测结果值偏高。（2）本实验结论最佳消解条件是温度为165 ℃，消解时间为15 min。根据实验原理推测，在一定范围内适当提高消解温度，也能取得比较满意的实验结果，但应注意温度不可太高，温度过高可能导致重铬酸钾受热分解[6]，使得有机质结果值偏高。（3）不同类型土壤的有机质含量存在显著差异，应根据土壤的颜色、类型，称取适宜的量，以达到最好的消解效果。若消解后溶液呈绿色或有悬浮的炭粒时，表明有机质氧化不完全，应减少称样量，重新进行消解。常见土壤有机质含量见表5。（4）为了保证受热时间，加热模块应在达到165 ℃后再开始计时。（5）铬酸根离子有潜在的毒性，硫酸有比较强的化学腐蚀性，实验人员在操作中应注意个体防护，实验完毕的废液应妥善处理。

表5 不同类型土壤有机质一般含量

5 结论

研究结论如下：（1）加热模块快速消解分光光度法测定土壤有机质方法是可行的。（2）加热模块快速消解分光光度法测定土壤有机质的最佳消解条件是温度为165 ℃，消解时间为15 min。（3）加热模块快速消解分光光度法测定土壤有机质，针对不同类型土壤精密度良好，能保证测定结果有较高的准确度。（4）加热模块快速消解分光光度法测定土壤有机质，通过消解仪的选择，能在短时间内处理多个、多批次样品，且仪器价格低廉，对工作环境要求不高，非常适合大批量的土样测定工作。