沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中的有效硼

张鹏鹏， 胡梦颖， 徐进力*， 陈卫明， 顾 雪， 张灵火， 白金峰， 张 勤

1. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所， 河北 廊坊 065000 2. 自然资源部地球化学探测重点实验室， 河北 廊坊 065000

引 言

随着化肥高频率的使用， 现代农田土壤中N， P和K等元素含量越来越高， 然而微量元素缺乏情况也越来越普遍。 微量元素是农作物必需但需求量很少的元素， 这些微量元素在土壤中缺乏时， 植物生长不良， 是提高农作物产量的重要限制因素之一[1]。 研究表明， 当土壤有效硼(目前国内外都广泛用水溶态硼来代表土壤中有效硼)为0.5～1.0 μg·g-1时[2], 对植物的生长是有益的， 当含量超过50 μg·g-1时, 植物会出现中毒现象。 土壤中微量元素过多或过少， 都会影响植物的生长代谢过程， 要解决这些问题， 首先要确定土壤中微量元素的供给情况(即有效态含量)， 因此要研究、 改良土壤地球化学部分特征以及评价土壤潜力时， 对土壤中部分微量元素有效态进行分析是必需的。

国标GB12298—1990中介绍土壤有效硼测定方法是将土壤用热水浸提， 浸提液中的硼在草酸介质存在下与姜黄素化合， 经脱水后形成络合物， 用乙醇溶解后用分光光度计测定其吸光度。 该方法操作繁琐， 时间长短及试剂用量等条件要求严格， 而这些都可能对分析结果的可靠性产生较大影响[3-5]。 部分学者用沸水浸提-亚甲胺比色法测定土壤中的有效硼， 虽然此法显色较为稳定， 但前处理部分费时， 使用试剂较多且不易操作， 检测结果的误差较大。 还有水浴震荡[6]、 稀盐酸浸提[5]等结合电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱法[7](ICP-MS)应用于测定土壤中的有效硼。

随着土地质量地球化学调查、 生态地球化学调查和农业地质调查项目工作的开展， 不论是从样品的数量还是数据的准确性都对土壤中有效硼的测定提出了更高的要求。 本工作通过采用沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法代替传统的比色法和吸光度法对土壤中有效硼进行测定， 建立沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中有效硼的分析， 并采用国家一级土壤有效态成分分析标准物质进行分析验证， 取得了较好的结果。 与传统的比色法相比， 该分析方法在浸提过程中大大提高了操作效率， 同时也保证了测定的准确度。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂、 材料

分析天平， 0.01 g； Intrepid Ⅱ型ICP-OES仪(美国Thermo Fisher公司)；

电热恒温水浴锅； 聚乙烯比色管(带盖)； 离心机， himac CR22G(日本日立公司)； CaCl2溶液(自制)； 氩气， 纯度大于99.99%。 硼标准溶液(钢铁研究总院)； 铁标准溶液(钢铁研究总院)。

1.2 仪器工作参数

Intrepid Ⅱ型ICP-OES仪器工作参数范围见表1。

表1 仪器工作参数

1.3 方法

首先向50 mL聚乙烯比色管定量加入10 mL去离子水， 称取10.00 g标准物质土壤样品于50 mL聚乙烯比色管中， 再次加入10ml去离子水， 放入已经沸腾的水浴锅中煮沸10 min中(精确至±30 s)， 取出冷却至室温， 同时加入1～2滴0.5 mol·L-1CaCl2溶液， 在5 000 r·min-1的离心机中离心5 min， 将上清溶液转移至25 mL聚乙烯比色管中， 同时制备全流程空白溶液(备测)。

2 结果与讨论

2.1 密闭浸提与敞开浸提的选择

采用沸水浸提土壤有效硼实验时， 采取加盖密闭浸提， 根据这一实验条件， 对50 mL聚乙烯比色管采取加盖方式， 得出在密闭条件下不同浸提时间土壤有效硼的测定结果见表2。 在密闭条件下浸提10 min时， 测定标准物质的值就已经超过了推荐值， 原因可能是水浴浸提过程中， 由于比色管在密闭条件下， 温度的升高导致比色管内形成了偏高的压力环境， 使反应速率提升。 虽然在短时间土壤中的有效硼成分已经浸提出来， 提高了浸提速率， 但是浸提时间相对较短， 不易控制操作， 与2.2中浸提条件结果对比， 本次实验选用的敞开浸提的方式。

表2 密闭条件下不同浸提时间土壤有效硼的测定结果

2.2 浸提时间的控制

土壤中的有效硼浸提并非一个平衡体系， 实验采用沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中的有效硼， 沸水浸提时间是实验成功最关键的步骤， 若煮沸-浸提时间较长， 可能有非有效硼的成分浸提出来， 若沸水-浸提时间过短， 会造成土壤中有效硼浸提不完全， 使最终测定结果偏高或者偏低。 因此， 沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中的有效硼时， 前处理沸水浸提最佳时间至关重要， 对这一实验关键性问题作了研究。 以国家一级土壤有效态成分分析标准物质NSA-3， NSA-4， NSA-6和GBW07459为研究对象， 按照上述实验方法进行操作(敞开浸提)， 分别用沸水浸提0(常温浸提)， 10， 20， 30， 40和50 min， 然后采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行测试， 测试结果见表3， 同时以实测值比推荐值的值为纵坐标， 浸提时间为横坐标作图， 结果见图1。实验结果表明， 随着沸水-浸提时间的增加， 有效硼的含量是逐渐增加的趋势， 其中沸水-浸提时间在10 min时， 所测定结果与国家一级土壤有效态成分分析标准物质推荐值最接近， 因此， 沸水-浸提土壤中的有效硼分析过程中应该严格控制浸提时间， 实验选择最佳浸提时间控制在10 min(精确至±30 s)。

2.3 谱线干扰问题

利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定有效硼选取的谱线是249.773 nm， 其中铁在249.783 nm有一条谱线， 其谱线轮廓可能会对测定硼元素分析谱线产生一定光谱干扰。 本次实验研究选取铁的标准溶液0， 1， 10和100 μg·mL-1， 考察铁在249.783 nm分析谱线对有效硼测定的影响， 测试结果见表4。 在测定国家一级土壤有效态成分分析标准物质中的有效硼时， 同时测定国家一级土壤有效态成分分析标准物质中沸水-浸提出铁的含量， 测试结果见表5。 从表4中可以得知， 当铁的含量在10 μg·g-1以上时， 尤其是大于100 μg·g-1时， 对有效硼的测定才会有影响， 而土壤中有效硼是以沸水浸提， 浸提液中基体元素含量都相对较低， 从表5中可以得知， 其铁的含量基本都0.16～3.46 μg·g-1以内， 所以铁的光谱对测定硼元素干扰较小， 无需进行干扰的校正， 若干扰元素铁含量较高， 达到100 μg·g-1左右， 就需要校正铁对测定硼元素的质谱干扰影响。

表4 不同浓度铁对硼元素的测定产生的光谱干扰

表5 沸水浸提有效态成分标准物质中的铁含量

2.4 不同pH土壤样品类型

植物利用土壤中微量元素是随着土壤不同的pH而改变的， pH过低或过高， 土壤的理化性质就会发生变化， 可能会导致植物营养失调， 从而影响植物对矿质元素的吸收以及体内的代谢过程， 因此不同pH的土壤类型需要不同的浸提方法， 如有效磷、 有效铜、 有效锌等。 本次实验分别选取酸、 碱两种不同类型的国家一级土壤有效态成分分析标准物质GBW07413a(ASA-2a)(pH 8.15)和GBW07415a(ASA-4a)(pH 6.08)为研究对象， 考察沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法是否适合不同类型的土壤。 从测试的结果来看， 两种不同类型标准物质测定的精密度较好， RSD小于6%(见表6)。 此法对不同pH的土壤类型是适用的， 不需要区分土壤的酸碱性。

表6 不同pH土壤样品测试结果

3 方法质量评估

3.1 检出限

按照样品分析步骤制备样品空白12份， 在最佳仪器条件下进行测定， 计算硼元素测定结果的标准偏差(s)， 以3倍标准偏差计算硼元素的检出限， 12次测定结果列于表7。 DD2005-03《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》对土壤有效硼样品分析方法要求检出限为0.005 mg·kg-1， 对比发现本法的检出限(0.004 9 mg·kg-1)满足要求的方法检出限。

表7 方法检出限

3.2 方法精密度

选取NSA-4(AR-4)， NSA-6(AR-6)和GBW07459(ASA-8)3个国家一级土壤有效态成分分析标准物质进行方法的精密度实验， 按照上述制定的样品分析方法对每个标准物质平行分析12次， 计算每一个标准物质12次平行测定的相对标准偏差(RSD)， 结果见表8， 结果显示， 标准物质相对标准偏差(RSD)不超过8.5%， 精密度较高。

表8 方法精密度

3.3 方法准确度

为了验证方法的准确性， 选取12个国家一级土壤有效态成分分析标准物质， 按照实验拟定的浸提前处理条件下有效硼的实验， 每个标准物质平行制备3份样品， 在选定的最佳仪器工作参数下进行测定， 计算出土壤有效硼3次测定结果的平均值， 并计算相对误差(RE)， 测定结果见表9。 实验结果表明， 本方法测定标准物质中有效硼相对误差(RE)为0.02%～6.25%， 其中NSA-5(AR-5)相对误差为10.3%， 相对较大， 总体来说测定值与推荐值基本吻合， 能满足土壤样品的分析要求。

表9 方法准确度

4 结 论

与中华人民共和国国家标准土壤有效硼测定方法GB12298—1990(沸水浸提-姜黄素比色法)相比， 沸水浸提-电感耦合等离子体发射光谱法操作简单， 流程短， 检测快速， 分析结果准确可靠， 同时， 沸水浸提法可以避免样品处理过程中的硼污染， 具有现实使用性， 尤其是在分析大批量土壤样品时， 一次可浸提几十个土壤样品, 大大提高了分析效率, 为土地质量地球化学调查， 生态地球化学调查和农业地质调查项目工作高质高效的运行提供分析技术支撑。 用国家一级土壤有效态成分分析标准物质对该方法进行验证， 测定结果与推荐值基本吻合， 准确度能够满足土壤样品中有效硼的分析要求。