杜马斯燃烧法与凯氏定氮法在肥料总氮测定中的比较

贾 斌，尚丽君，潘 洁，孙红梅，王 颖，原二玎

（1.河南省农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所，河南 郑州 450002；2.农业农村部农产品质量安全风险评估实验室，河南 郑州 450002；3.温县产品质量检验检测中心，河南 温县 454850）

氮是作物必需的营养元素，对作物的整个生长过程起着重要的作用[1-2]。肥料是作物获取氮的主要来源，是农作物生长过程中重要的物质基础。目前市售的肥料中氮元素主要分为铵态氮、硝态氮、酰胺态氮和有机质氮。肥料中总氮含量的快速准确测定对肥料品质鉴别、土地科学合理施肥有重要意义[3-4]。

肥料中总氮含量的测定方法主要有凯氏定氮法（蒸馏后滴定、全自动定氮仪）、流动分析仪和杜马斯燃烧法等。凯氏定氮法因其仪器成本低、重复性好、精密度高，成为目前肥料总氮含量测定的主要方法[5-7]。凯氏定氮法需要根据不同形态的氮选用不同的前处理方法，将氮转化为硫酸铵，之后用凯氏定氮仪自动蒸馏滴定。采用凯氏定氮法测定肥料中总氮含量时，前处理过程过于繁琐、消耗时间长、对试验人员要求较高，在检测过程中使用大量的铬粉、定氮合金、高浓度酸、碱等，会产生大量危害人体和环境的废液、废气。其中，在测定含硝态氮的肥料时，需要先将硝态氮还原为铵态氮后才能进行下一步处理，极易还原不完全，导致结果偏低且稳定性差。与凯氏定氮法相比，杜马斯燃烧法在测定肥料中总氮含量时，无需繁复的前处理，无论何种形态的氮都可直接进样检测，快速、高效且无需消耗试剂，环境友好，不会产生对人和环境有害的废液、废气。

目前，国内已有部分关于杜马斯燃烧法测定肥料总氮含量精密度、测定效率等[8-10]方面的研究。潘崇双等[8]分别用杜马斯燃烧法、凯氏定氮法测定复混肥料样品中的总氮含量，结果表明，杜马斯燃烧法能够在高原条件下快速并准确测定肥料中的总氮含量，其精密度、测定效率均优于凯氏定氮法；皮向东等[9]应用杜马斯燃烧法对含不同形态氮的复混肥料总氮含量进行测定发现，其测定结果与国标法比较，差异不显著；刘蓉等[10]对质控样品以及6 种常见市售肥料总氮含量分别采用杜马斯燃烧法和凯氏定氮法进行检测发现，杜马斯燃烧法较凯氏定氮法具有更高的精密度和准确度，且具有更加快捷、安全、环保等优点。杜马斯燃烧法也被列入行业标准《中华人民共和国农业行业标准水溶肥料总氮、磷、钾含量的测定》（NY/T 1977—2010）、《中华人民共和国出入境检验检疫行业标准肥料中总氮含量的测定 燃烧分析法》（SN/T 3097—2012）。尽管如此，实际情况是多数试验依旧采用凯氏定氮法来测定肥料中的总氮含量，杜马斯燃烧法并没有替代凯氏定氮法成为最主要的总氮含量测定方法。鉴于此，拟采用杜马斯燃烧法、凯氏定氮法2种方法对市面上常见的不同氮形态肥料进行总氮含量测定，比较测定结果的准确度和精密度以及不同形态氮肥料总氮含量测定结果的相关性，并探讨2 种方法的优缺点，为推动杜马斯燃烧法成为测定肥料总氮含量的主要方法提供多角度的令人信服的数据支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选取市场购买的20种含氮肥料作为试验样本，包括4 种尿素氮肥、4 种有机肥料、6 种大量元素水溶肥料（含硝态氮和不含硝态氮）、6种复混肥料（含硝态氮和不含硝态氮）。固体样品经粉碎过0.25 mm筛后密封保存、待测。

1.2 仪器与试剂

仪器：FOSS 8400 全自动定氮仪（福斯赛诺分析仪器苏州有限公司）；Gerhardt Dumatherm-DT 杜马斯定氮仪（德国格哈特分析仪器有限公司）；16位高温消化炉（福斯赛诺分析仪器苏州有限公司）；ME 204/02 电子天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；压片机（德国格哈特分析仪器有限公司）。

试剂：GBW（E）100126 全麦粉（中国计量科学研究院）、GBW10013 黄豆（中国计量科学研究院）、硫酸铵基准试剂（天津市光复科技发展有限公司）、硝酸钠基准试剂（国药集团化学试剂有限公司）、乙二胺四乙酸（EDTA）标准品（德国格哈特分析仪器有限公司）、盐酸（苏州晶瑞化学有限公司）、硫酸（苏州晶瑞化学有限公司）、混合催化剂（福斯赛诺分析仪器苏州有限公司）、甲基红指示剂（上海麦克林生化科技股份有限公司）、溴甲酚绿指示剂（上海麦克林生化科技股份有限公司）、还原铬粉（北京福斯曼科技有限公司）、氮气（≥99.99%，北京普莱克斯实用气体有限公司）、氧气（≥99.999%，北京普莱克斯实用气体有限公司）、氦气（≥99.999%，北京普莱克斯实用气体有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 凯氏定氮法 样品前处理按照《中华人民共和国农业行业标准水溶肥料总氮、磷、钾含量的测定》（NY/T 1977—2010）中总氮含量测定的试样处理过程进行处理。样品消解后用FOSS 8400全自动定氮仪自动蒸馏滴定，每个试样做5次重复试验，同时做空白。

1.3.2 杜马斯燃烧法 称取试样0.1～0.2 g（精确到0.000 1 g），用无氮锡箔纸包裹后用压片机压片，放入样品盘待测。液体样品称入锡箔纸后加入一定量的无氮吸附剂，压片待测。样品采用Gerhardt Dumatherm-DT 杜马斯定氮仪进行测定，每个试样做5 次重复试验，同时做空白。样品在燃烧管中充分燃烧氧化，生成的混合气体经由高温铜粉还原、除杂、除水后仅剩氮气，通过热导检测器进行定量。主要仪器条件：燃烧温度980 ℃、还原温度650 ℃、氧气流量400 mL/min、氧气因子1.2 mL/mg。

样本氮含量差异较大，为保证杜马斯燃烧法测定结果的科学性、准确性，选取低氮含量的EDTA 标准品和高氮含量的硫酸铵基准试剂分别称取质量梯度（20～240 mg）做线性宽度不同的标准曲线，样品测定时根据样品氮含量的高低选取科学合理的标准曲线定值。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2003 对试验数据进行分析作图，采用SPSS 22.0进行邓肯氏单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 杜马斯燃烧法和凯氏定氮法的精密度和准确度比较

采用杜马斯燃烧法，称取一定质量梯度的EDTA 标准品和硫酸铵基准试剂做标准曲线，以氮质量为横坐标、杜马斯峰面积为纵坐标绘制标准曲线，结果如图1—2 所示。2 组标准曲线相关性均较好，相关系数较高，R2均为0.999 9，具有良好的重复性和稳定性。采用杜马斯燃烧法和凯氏定氮法分别测定4种标准物质［GBW（E）100126 全麦粉、GBW10013 黄豆、硫酸铵基准试剂、硝酸钠基准试剂］总氮含量，结果见表1。由表1可知，凯氏定氮法测定硝酸钠基准试剂的结果略低于真实含量（证书标示值）；硫酸铵基准试剂用2种方法测定的结果与其真实含量基本一致；其余2 种标准物质用2种方法测定的结果都在标准物质证书标示值范围内，且精密度良好，能够满足试验需求，但杜马斯燃烧法测定值的相对标准偏差低于凯氏定氮法，精密度更高。

表1 杜马斯燃烧法和凯氏定氮法对标准物质及基准试剂的测定结果Tab.1 Results of Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method for standard substance and reference regent

图1 杜马斯燃烧法测定EDTA的标准曲线Fig.1 Standard curve for EDTA determination by Dumas combustion method

图2 杜马斯燃烧法测定硫酸铵的标准曲线Fig.2 Standard curve for determination of ammonium sulfate by Dumas combustion method

2.2 杜马斯燃烧法和凯氏定氮法的测定结果分析

分别采用杜马斯燃烧法和凯氏定氮法测定4组不同类型肥料共20个样品的总氮含量，结果见表2。由表2 可见，杜马斯燃烧法（D）测定的20 个样品的总氮含量为1.24%～46.52%，凯氏定氮法（K）测定的总氮含量为1.18%～46.23%；杜马斯燃烧法与凯氏定氮法的测定结果比值（D/K）为0.991～1.069，测量差值（D-K）为-0.17%～0.85%。对大多数样品而言，杜马斯燃烧法测定结果略高于凯氏定氮法，但不存在显著性差异。

表2 杜马斯燃烧法和凯氏定氮法测定肥料中总氮含量结果Tab.2 Results of Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method for total nitrogen content in fertilizer

对于尿素氮肥，杜马斯燃烧法测定结果的相对标准偏差（RSD）略高于凯氏定氮法，这可能是尿素氮含量较高、受杜马斯定氮仪进样量限制所致，凯氏定氮法称取的样品量是杜马斯燃烧法的3～5 倍，由称样量和样品均匀性引入的误差较小。因此，对于氮含量较高的肥料样品，凯氏定氮法的精密度更好一些。2 种方法对有机肥料总氮含量的测量结果没有显著性差异，但凯氏定氮法的RSD明显高于杜马斯燃烧法，这可能是凯氏定氮法有机肥料繁琐的前处理过程所导致的。有机肥料中含大量的有机成分，杜马斯定氮仪可通过近千度的高温迅速灰化样品，形成氮氧物气体进入检测器，而凯氏定氮法消化剂硫酸所提供的消化环境只有400 ℃左右，且操作复杂，极易引入误差。

本研究中，大量元素水溶肥料和复混肥料氮含量跨度较大，介于8.75%～24.01%。对于不含硝态氮的样品，2种测定方法的测定值不存在显著性差异；对于含硝态氮的样品，2 种方法的测定值表现出了显著性差异。杜马斯燃烧法的测定结果更接近真实含量，且重复性良好。凯氏定氮法的测定值偏低，且重复性较差，主要原因包括以下几个方面：一是肥料消化过程中会加入铬粉或定氮合金将硝态氮还原为铵态氮，还原效率往往达不到100%，硝态氮不能被完全还原，高温消解时部分未还原的硝态氮逸出；二是还原过程中电炉温度不易控制，硝态氮含量较高的肥料其硝态氮易逸出；三是硫酸消解过程中大量的催化剂极易结块，引起爆沸，导致氮损失。

2.3 杜马斯燃烧法和凯氏定氮法的相关性分析

对2 种方法测定20 组不同肥料中总氮含量的结果进行相关性分析，以杜马斯燃烧法测定值为横坐标，以凯氏定氮法测定值为纵坐标作图，具体见图3。对不含硝态氮和含硝态氮的肥料分别做相关性分析，具体见图4、图5。以2 种方法的测定值为横坐标，以测定值的相对标准偏差为纵坐标作图，具体见图6。如图3 所示，R2=0.999 6，2 种方法的结果存在明显的线性相关。由图4 和图5 可知，不含硝态氮的肥料2种方法测定结果的相关系数更接近1（R2=0.999 9），含硝态氮的肥料2 种方法测定结果的相关系数相对较低，为0.998 5。表明硝态氮是造成2种方法测定肥料总氮含量时测定结果产生差异的主要原因。凯氏定氮法测定结果的RSD为0.1%～4.5%，杜马斯燃烧法测定结果的RSD为0.1%～2.1%（表2），结合图6 可知，对于不同成分的肥料，杜马斯燃烧法的测量结果有良好的重复性，凯氏定氮法对于含硝态氮肥料的测定有一定劣势，更适合高含氮量的尿素总氮含量的测定。

图3 20种肥料杜马斯燃烧法和凯氏定氮法测定结果的相关性Fig.3 Correlation between the results of 20 fertilizers determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

图4 不含硝态氮肥料杜马斯燃烧法和凯氏定氮法测定结果的相关性Fig.4 Correlation between the results of fertilizers without nitrate nitrogen determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

图5 含硝态氮肥料杜马斯燃烧法和凯氏定氮法测定结果的相关性Fig.5 Correlation between the results of nitrogencontaining fertilizers determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

图6 2种方法测定结果的RSD分析Fig.6 RSD analysis of the results of two methods

2.4 杜马斯燃烧法和凯氏定氮法的优缺点

2.4.1 杜马斯燃烧法 杜马斯燃烧法测定肥料中总氮含量具有高效、快速、无需前处理操作、直接进样等优势，且杜马斯定氮仪自动化程度较高，对检测人员操作没有过高要求，检测人员编辑完成进样程序后可自主完成检测任务；可以进行连续分析测试，对大批次样品更具优势；对环境友好，在检测过程中不会产生污染环境的废液、废气，安全性高。

杜马斯燃烧法进样量较小，因此对样品的细度和均匀性有更高要求；仪器需要升至近千度的高温，检测完成关机时要降温至500 ℃以下的安全温度，对于单个样品或极少样品进行检测时检测成本和平均时耗略高于凯氏定氮法。

2.4.2 凯氏定氮法 凯氏定氮法对于少量样品的检测成本较低，对于液体和固体样品的称样质量和样品细度要求相对更低。

凯氏定氮法的应用较为广泛，但在测定肥料时需要根据不同类型的肥料进行不同的前处理，操作繁琐、容易引入误差，对检测人员有较高的要求；对于大批量样品的检测，耗时较长、检测效率低；在前处理和检测过程中会使用大量的高浓度酸碱，并产生大量废液，对环境和人体危害性较大。

3 结论与讨论

凯氏定氮法作为经典的定氮方法，广泛应用在食品、饲料、土壤、肥料等的分析测试中[11-13]。对于肥料总氮含量的测定，部分研究表明，凯氏定氮法可以达到试验要求的准确度、精密度[14-16]，但前处理过程过于繁琐，还原和消化过程用到的圆底烧瓶容易受热不均，出现消化爆沸和样品板结的情况，影响测定结果的准确度；在含硝态氮肥料的前处理过程中，镉粉沉积、还原效率低，导致凯氏定氮法测定结果偏低。由于杜马斯燃烧法的原理不同，无需冗杂的前处理过程，人为引入的误差较小，测定结果更为精确；对于大批次的样品检测，凯氏定氮法的自动化程度较低，而杜马斯定氮仪可固体自动进样，大大提高了检测效率[17-20]。

本研究分类对比了2种方法对不同类型肥料总氮含量的测定结果，为不同类型肥料中总氮含量的测定提供方法选择依据。结果表明，在不受硝态氮影响的情况下，杜马斯燃烧法和凯氏定氮法在测定不同类型肥料中总氮含量时，其测定结果差异不显著，且精密度和准确度都能满足国家标准《中华人民共和国国家标准实验室质量控制规范食品理化检测》（GB/T 27404—2008）和《中华人民共和国国家标准食品安全国家标准化学分析方法验证通则》（GB 5009.295—2023）的检测要求，但杜马斯燃烧法的精密度更好；在测定高氮含量尿素肥料时，受进样量所限，杜马斯燃烧法精密度略低于凯氏定氮法；对于含硝态氮的肥料，2种方法的测定结果差异显著，杜马斯燃烧法测定结果准确度和精密度更好。综合考虑环境友好度、工作效率、试验成本等因素，杜马斯燃烧法更适用于肥料总氮含量的测定。