全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮含量方法的优化探索

汪欣,向兆,李策,朱婧,吴晶,张明杰,汪岸,肖伟

全自动凯氏定氮仪测定土壤全氮含量方法的优化探索

汪欣1,向兆1,李策1,朱婧2*,吴晶1,张明杰1,汪岸1,肖伟1

1. 湖北省地质实验测试中心, 湖北 武汉 430034 2. 安徽农业大学理学院, 安徽 合肥 210036

本文通过优化催化剂（硫酸钾与五水硫酸铜）比例、升温程序等条件，建立了一种全自动凯氏定氮仪测定土壤中全氮含量的分析方法。该方法硫酸钾与五水硫酸铜质量比为9:1，升温程序为升温至220 ℃保持20 min后再升温至400 ℃。方法检出限低至20 μg/g，相对标准偏差小于2.8%，相对误差小于1.1%，测定结果与传统方法无显著性差异。并对该方法的反应过程提出以下观点：在消化过程中，浓硫酸中加入硫酸钾与五水硫酸铜，溶液依数性增加，进而增高浓硫酸沸点，加速有机氮分解，提高消化效率。该方法简单快捷、准确度高、精密度好，适用于土壤中全氮的批量测定。

全自动凯氏定氮仪; 土壤; 全氮; 测定方法

土壤中全氮含量是评价土壤资源，衡量土壤肥力的一项重要指标。其主要来源有以下几个方面：动植物残体的积累；含氮肥量的使用；微生物的固氮作用及大气降水的引入。了解土壤中的全氮含量，可引导科学施肥，减少化肥不合理使用，降低农业污染，逐渐成为研究热点[1,2]。因此，建立快捷、灵敏、高效的全氮含量检测方法显得尤为重要。目前，对于土壤中全氮含量的测定方法较多，如杜马斯法[3-5]、凯氏法[6-8]、光谱法[9-11]、色谱法[12,13]等。其中，凯氏法作为一种传统方法，已得到广泛应用。但其前处理复杂，滴定终点受人为判断的干扰较大，从而影响其分析结果的准确性[6]。全自动凯氏定氮仪具有高精度颜色传感器判断终点，智能化程序控制，全程无需人为干预，较好的解决了这一问题[14]。本文采用全自动凯氏定氮仪测定土壤中的全氮含量，并首次提出溶液依数性增加浓硫酸沸点，进而加速有机氮分解，提高消化效率的观点，通过实验条件优化，得到测定土壤中全氮含量的最优消化催化剂（硫酸钾与硫酸铜）配比和升温程序，进行了全自动凯氏定氮仪测定土壤中的全氮含量方法的有益探索。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

K1100全自动凯氏定氮仪（山东海能），SH220石墨消解仪（山东海能），BSA124S电子天平（德国赛多利斯），浓H2SO4（天津渤海），K2SO4（天津中津），CuSO4·5H2O（天津中津），硼酸溶液（20 g/L），氢氧化钠溶液（400g/L），盐酸标准溶液（0.1000 mol/L），甲基红与溴甲酚绿指示剂（0.1 g甲基红与0.5 g溴甲酚绿溶于无水乙醇中，定容至100 mL）。土壤成分分析标准物质GBW07423，GBW07426，GBW07427，GBW07447，实验所用水为无氨水，所用试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

以土壤成分分析标准物质GBW07426为分析对象，称取样品1.0000 g，移入仪器配套消化管中，加入不同质量比的硫酸钾与五水硫酸铜（质量比分别为3:1, 6:1, 9:1, 12:1）的混合物4 g后，加入浓硫酸5 mL，摇匀后放入SH220石墨消解仪加热消煮。消煮条件分别为程序升温和直接升温，其中前者指升温至220 ℃保持20 min后再升温至400 ℃；后者为直接升温至400 ℃。至土壤溶液变为透明的蓝绿色或灰白色。取下冷却，小心加入10~20 mL蒸馏水。再将加热完成的消化管放入K1100全自动凯氏定氮仪中蒸馏测定。同时做三个试剂空白。

设定凯氏定氮仪参数为：重量0.1~1 g，蒸馏时间3 min，硼酸溶液20 mL，氢氧化钠溶液20 mL，蒸馏水10 mL。蒸馏反应中释放的氨气与水蒸气一起经过冷凝管冷凝后，被收集在加入硼酸吸收液（含混合指示剂）的接收杯中。而后自动滴定器进行滴定，并记录标准滴定酸消耗体积，系统最终依据标准酸消耗体积和空白试样滴定酸消耗体积来自动计算样品含氮量。

2 结果与分析

2.1 消化升温程序及硫酸钾与硫酸铜比例的选择

全自动凯氏定氮仪配套的石墨消解仪可设定温度，保温性比传统的消化炉好。研究结果表明，炉温设置在400 ℃时测量效果最佳[15]。但是在实际升温过程中，由于表面张力的作用，消化管中的少量样品会随着气泡的液膜喷出，造成样品的损失。以GBW07426为例，将硫酸钾、五水硫酸铜分别按照3:1、6:1、9:1和12:1的质量比对土壤标准物质GBW07426进行消解，用凯氏定氮仪进行测定，对比直接升温至400 ℃和程序升温（升温至220 ℃保持20 min后再升温至400 ℃），发现尽管所有测量结果（见表1）均在标准值范围内，但程序升温所得结果更接近标准值，且m(K2SO4)：m(CuSO4·5H2O)=9:1时，双差最小，表明测试方法平行性最佳。故本方法采用硫酸钾和五水硫酸铜为9:1的比例，程序升温的方式进行前处理。

表1 直接升温和程序升温的测试结果/μg/g

2.2 方法性能评价

2.2.1 检出限采用K2SO4:CuSO4·5H2O=9:1的比例（质量比），按升温至220 ℃保持20 min后再升温至400 ℃的程序升温条件消化，对7个空白样品进行测量，方法检出限（MDL）的计算公式：MDL=3.143×S，S为测定7个平行样的标准偏差，结果见表2。从中可知，方法检出限低至20 μg/g，达到HJ 717-2014相关标准规范的要求[17]，适用于土壤中全氮含量的测定。

表 2 方法检出限

2.2.2 精密度和准确度实验为考察方法的精密度和准确度，选取GBW07423，GBW07426，GBW07427，GBW07447四种国家标准物质，分别进行12次分析。以12次分析结果的相对标准偏差（RSD）来表示方法的精密度，分析结果的平均值与标准值之间的相对误差（RE）来表示方法准确度，见表3。从结果可知，该方法准确度小于1.1%，精密度小于2.8%，方法的准确度和精密度满足对土壤样品中全氮含量的要求。

表3 分析方法的准确度和精密度

2.2.3 定氮仪测定与标准方法的比较采用上述优化条件，即硫酸钾和五水硫酸铜质量比为9:1的比例，程序升温条件为升温至220 ℃保持20 min后再升温至400 ℃，其他按照上述样品前处理和测定进行分析，对四种国家一级标准物质（GBW07423、GBW07426、GBW07427、GBW07447）进行测定，并与标准方法[16]比较。结果表明该方法的结果与标准方法无显著性差异，二者均与标准值一致（图1），由此可见该方法满足实际土壤中全氮含量的分析要求。

图1 定氮仪测定与标准方法测定土壤全氮含量同标准值一致（t检验，NS：P>0.05）

3 讨 论

由于溶液依数性，浓硫酸中加入硫酸钾可提高浓硫酸沸点，进而提高消化效力，加速有机氮的分解[17]，使其转化为铵盐。硫酸铜同样可以起到催化消化作用，其反应式如下：

K2SO4+H2SO4=2KHSO4

2KHSO4= K2SO4+H2O+SO3↑

2CuSO4=Cu2SO4+SO2↑+O2↑

C（有机）+2CuSO4=Cu2SO4+CO2↑+SO2↑

Cu2SO4+2H2SO4=2CuSO4+2H2O+SO2↑

此反应不断进行，待有机物被消化完后，不再有硫酸亚铜（褐色）生成，溶液呈现清澈的蓝绿色，可以指示消化终点的到达。当硫酸铜与硫酸钾比例增大时，硫酸溶液中溶质的物质的量增大，不再满足拉乌尔定律的稀溶液前提条件，故测试结果双差偏大。

采用本方法后，每人每天可分析200~300件样品，相比于传统方法每人每天仅可分析约100件样品，速度显著提高，更适合于批量分析。

4 结 语

本文采用全自动凯氏定氮仪测量土壤中的全氮含量。提出溶液依数性增加浓硫酸沸点，进而加速有机氮分解，提高消化效率的观点。通过实验条件优化，得到测定土壤中全氮含量的最优消化催化剂（硫酸钾与硫酸铜）配比和升温程序等条件。方法检出限低至20 μg/g，相对标准偏差小于2.8%，相对误差小于1.1%，满足土壤中全氮含量分析的质量要求。并且相比于传统方法每人每天仅能分析100件样品的速率，该方法每人每天可分析200~300件左右样品，更适于批量分析。该方法具有操作简便、灵敏度高、分析速度快等优点，可用于土壤中全氮含量的批量分析，为科学合理施肥提供技术支持。

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Optimization of the Method for Determination of Total Nitrogen in Soil by Automatic Kjeldahl Apparatus

WANG Xin1, XIANG Zhao1, LI Ce1, ZHU Jing2*, WU Jing1, ZHANG Ming-jie1, WANG An1, XIAO Wei1

1.430034,2.210036,

In this paper, by optimizing the ratio of catalyst (potassium sulfate to copper sulfate pentahydrate), heating program and other conditions, a fully automatic Kjeldahl nitrogen determination instrument was established to determine the total nitrogen content in soil. the mass ratio of potassium sulfate to copper sulfate pentahydrate was 9:1, and the heating procedure was to increase the temperature to 220 ℃ for 20min and then to 400 ℃. The detection limit was as low as 20 g/g, the relative standard deviation was less than 2.8%, and the relative error was less than 1.1%. There was no significant difference between the results and the traditional methods. The following points of view are put forward for the reaction process of this method. In the process of digestion, potassium sulfate and copper sulfate pentahydrate were added to the concentrated sulfuric acid to increase the boiling point of concentrated sulfuric acid, accelerate the decomposition of organic nitrogen and improve the digestion efficiency. The method is simple, quick, accurate and precise, and is suitable for the batch determination of total nitrogen in soil.

Automatic Kjeldahl apparatus; soil; total nitrogen; test methods

S151.9

A

1000-2324(2020)03-0438-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.009

2017-10-26

2018-05-05

国家青年科学基金(51702004);安徽省自然科学基金(1808085QE158);安徽农业大学稳定与引进人才基金(yj2017-06)

汪欣(1985-),男,硕士研究生,工程师,从事环境分析检测工作. E-mail:283111221@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zhujing@ahau.edu.cn