电感耦合等离子体发射光谱法快速测定土壤中有效硫的含量

王午豪贺平尚丽君孙红梅魏红王铁良郭洁

(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.农业部农产品质量安全风险评估实验室(郑州)，河南 郑州 450002；3.河南省粮食质量安全与检测重点实验室，河南 郑州 450002)

近年来，随着低硫或者无硫肥料的过度使用，秸秆还田率的大幅度减少，土壤中储备硫的含量逐年降低[1]。硫作为植物生长所必需的16种营养元素之一，在植物的发育过程中起着重要作用，其能够对植物的合成次级代谢产物、蛋白质合成、氮元素固定、光合作用等过程产生重要影响[2]。目前已经被列为氮、磷、钾之后的第4大植物主要营养元素[3]。植物虽然能够从空气中的SO2吸收硫元素，但由于其含量较低，植物主要的硫元素来源还是通过根部吸收土壤中的硫，这部分以硫酸根的形式存在的硫元素，也被称之为土壤中的有效硫。我国已有众多地域出现土壤缺硫现象[4]，如何检测土壤中的有效硫成分对于调查改善土壤种植、选择合适作物播种、指导作物生产期间浇灌施肥具有重大意义[5]。

土壤中有效硫的传统提取方法以浸提法为主[6]，将土壤中的有效硫通过化学溶剂提取出来，再对化学溶剂中的硫元素进行检测，从而判断土壤中有效硫的含量。由于土壤的组成成分往往不同，浸提方式要根据土壤的酸碱类型、成土母质、检验方法和提取量而定。常见的浸提液包括水、含氯离子的盐溶液、含磷离子的盐溶液、醋酸铵缓冲液等。其中以土壤酸碱度作为依据划分，使用磷酸盐-乙酸提取酸性土壤的体系与氯化钙提取中性以及石灰性土壤的体系应用最广。在现行我国农业标准《NY/T 1121.14-2006土壤检测：土壤有效硫的测定》[7]中也以该体系为基础。该方法是将处理后的土壤通过浸提剂在常温下振荡提取，再使用过氧化氢溶液除去试剂中的有机物，在高温下将过剩的过氧化氢除去，再测量试剂中的硫元素。

现有的土壤中有效硫的检测方法有4种，分别是比浊法、还原法、阴离子交换层析法、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES法)。比浊法是运用最广泛的方法，让SO42-离子与Ba2+离子发生反应，用分光光度计测量悬浊液的浊度，农业标准《NY/T 1121.14-2006》中也使用了此方法。该方法操作简便，成本低廉，但在土壤浸提过程中受到的干扰因素比较大[8]；还原法是向含有硫元素的样品中加入磷酸，在盐酸和甲醇化合物生成硫化氢后，通过测定硫化氢的浓度确定有效硫的浓度。此方法分析速度慢，且试剂毒害性较强[9]；阴离子交换层析法可以同时测定土壤中的多种阴离子成分，但是土壤中如果含有大量的PO43-时，会对硫的测定产生干扰，我国土壤中大多过度施用磷肥，因此该方法不适用于检测[10]；电感耦合等离子体发射光谱法是利用高温将含硫样品原子化，在一定紫外波长段下对其进行测定[11]。该方法优点是可以测量的样品类型较广，甚至植株消化液也可直接进行测定[12]，具有灵敏度高，检出限低，操作方便等特点[13]，故本文选用此方法进行土壤中有效硫的测定。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

2.0mm(10目)尼龙筛、100mL塑料瓶、100mL烧杯、水系0.45μm滤膜、电热板、电感耦合等离子体发射仪、往复式恒温振荡器；磷酸二氢钙、氯化钙、乙酸、过氧化氢、硫酸根标准溶液(SO42-=1000mg·L-1)。

1.2 浸提液的配置

磷酸盐-乙酸浸提液(用于pH<6.5酸性土壤)：称取磷酸二氢钙[Ca(H2PO4)2·H2O]2.04g溶于1L乙酸[CH3COOH(c=2mol·L-1)]溶液中。

氯化钙浸提液(用于pH≥6.5碱性土壤)：称取氯化钙(CaCl2)1.50g溶于水，稀释至1L。

1.3 试样的制备

土壤样品于通风处自然阴干，去除样品中的杂质，处理后的样品过2.0mm尼龙筛，采取四分法取出一部分作为待测样品。先进行酸碱性的测定，将pH<6.5归为酸性土壤，pH≥6.5归为碱性土壤。用1.2中的浸提液进行浸提，称取10g上述样品于100mL塑料瓶中，根据其pH加50mL对应的浸提剂，拧紧瓶盖，20～25℃条件下，恒温振荡器振摇1h，于100mL烧杯中进行干过滤，弃掉初滤液，加入3～5滴过氧化氢溶液，将烧杯放置于电热板上加热煮沸片刻后立即取下，待冷却后使用0.45μm水系微孔滤膜过滤于15mL离心管中，24h内进行上机测定，同时做样品空白。

1.4 仪器方法

发射功率1100W，辅助气流量0.1L·min-1，冷却气流量20L·min-1，雾化器压力38psi，观测高度左背景点3，右背景点13，硫元素检测波长182.034nm。内标使用铼元素，检测波长197.313nm，浓度0.5mg·L-1，在线混合加入。

1.5 标准曲线与加样回收率

1.5.1 标准曲线

使用硫酸根标液[SO42-]=1000mg·L-1，标液中硫元素计算约为333.8mg·L-1，配置如表1所示标准曲线。

1.5.2 加样回收率

向样品中添加0.750mL硫酸根标准溶液后进行5次平行测定，计算回收率与相对标准偏差。

表1 硫元素标准曲线

1.6 检出限与定量限

参考国际纯粹与应用化学联合会(IU-PAC)于1975年发表的检出限的概念及相应估算方法，原子吸收光谱分析的检出限为当吸光度为试剂空白噪音的标准偏差的3倍时所对应的被测离子的浓度或质量。具体实施方法：连续测定全试剂空白12次，并求出噪音信号的标准偏差S，方法检出限为3SV/m，方法定量限为10SV/m(V为定容体积，m为称样量)。

2 结果与讨论

2.1 酸性土壤

2.1.1 标准曲线与样品结果

在182.034nm下，硫元素标准曲线有良好的线性效果，结果见图1，相关系数R2能达到0.9999，对每个样品进行5次平行测定，实验共进行2组，组间计算平均值，相对标准偏差与极差从而计算重复性，2组数据分析计算相对相差从而得到重现性。结果见表2。

从表2可以看出，该样品较为稳定，RSD平均值为4.85%，具有良好的重复性，2组数据组间进行对比，相对相差为7.1%，重现性良好。

2.1.2 添加回收实验

对该土壤进行添加回收实验，添加0.750mL硫酸根标液([SO42-]=1000mg·L-1折合[S]≈333.8mg·L-1)标准溶液，结果见表3。

表2 酸性土壤测试结果

表3 酸性土壤添加回收测试结果

从表3可以看出，该样品具有良好的加样回收率。

2.1.3 检出限与定量限

使用磷酸盐-乙酸浸提液，测得12次全试剂空白浓度分别为0.2114mg·L-1、-0.2545mg·L-1、-0.1513mg·L-1、-0.1978mg·L-1、0.0338mg·L-1、0.2699mg·L-1、-0.2883mg·L-1、-0.0851mg·L-1、0.2210mg·L-1、-0.0569mg·L-1、-0.1294mg·L-1、0.0718mg·L-1。

算数平均值为0.0295mg·L-1，标准偏差(S)为0.1905mg·L-1，计算3S=0.57mg·L-1，10S=1.91mg·L-1。

代入公式可得,

方法检出限：3SV/m=0.57×50.00/10.00=2.85≈2.9mg·L-1

方法定量限：10SV/m=1.91×50.00/10.00=9.55≈9.6mg·L-1

2.2 碱性土壤结果

2.2.1 标准曲线与样品结果

碱性土壤标准曲线同样有良好的线性效果，见图2，相关系数R2为0.9997，测定方式同2.1，结果见表4。

表4 碱性土壤结果

从表4可以看出，碱性土壤样品有效硫含量低于酸性土壤样品，也较为稳定，RSD平均值为3.9%，重复性良好，2组数据组间进行对比，相对相差为11%，重现性略低于酸性土壤。

2.2.2 添加回收实验

对该土壤同样进行添加回收实验，添加零添加0.750mL硫酸根标液([SO42-]=1000mg·L-1折合[S]≈333.8mg·L-1)标准溶液，结果见表5。

表5 碱性土壤添加回收测试结果

从表5可以看出，碱性土壤样品回收低于酸性土壤，且组间有一定差距，在仪器状况良好的时候仍具有良好的加样回收率。

2.2.3 检出限与定量限

使用氯化钙浸提液，测得12次全试剂空白浓度分别为0.2313mg·L-1、0.0242mg·L-1、-0.2020mg·L-1、-0.1147mg·L-1、0.1658mg·L-1、-0.1968mg·L-1、0.4392mg·L-1、0.0356mg·L-1、-0.0615mg·L-1、0.0991mg·L-1、-0.0442mg·L-1、0.0032mg·L-1。算数平均值为0.0316mg·L-1，标准偏差(S)为0.1839mg·L-1，计算3S=0.55mg·L-1，10S=1.84mg·L-1。

代入公式可得,

方法检出限：3SV/m=0.55×50.00/10.00=2.75≈2.8mg·kg-1。

方法定量限：10SV/m=1.84×50.00/10.00=9.20≈9.2mg·kg-1。

3 讨论

使用电感耦合等离子体发射光谱法对土壤中的有效硫进行了测定，标准品曲线拟合度良好，不同酸碱度的土壤在适宜的浸提剂下测定均有良好的重复性与重现性，同时对检出限与定量限进行了测量，为相关从业者进行土壤检验提供了一些依据。该方法解决了原有比浊法复杂、干扰因素多的缺点，能够对土壤中的有效硫进行快速、稳定、高效测定，适用于实验室以及检验检测机构对土壤的分析检定。