恒温摇床提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中有效硫

向 勇，谢莉蓉，易田芳，邓 聂，李 发

［1．广电计量检测（湖南）有限公司，湖南 长沙 410000；2．农业农村部南方耕地污染防控重点实验室，湖南 长沙 410000］

硫是植物生长过程中不可缺少的元素，近年来随着含硫化肥的用量减少，土壤缺硫的现象逐渐增多。研究表明，农作物合理施硫，不仅增加农作物产量，而且可以改善农作物的品质［1］。有效硫是指直接作为硫营养源而被作物根系吸收利用的硫［2］。因此，及时准确测定土壤中有效硫，是对土壤硫素状况进行了解，确定土壤供硫能力，进而合理指导使用硫肥的最有效途径。

目前测定土壤有效硫的现行有效方法为比浊法［3-4］，比浊法前处理频率和温度难控制，导致结果偏差较大且测试方法稳定性不佳，重复性较差。在大量样品检测中，此种方法不利于短时间内出具权威性和可靠性的报告［5］。针对上述前处理不足，郑国宏等［6］和王新华等［7］对前处理进行改进，主要对加入的比浊试剂进行了优化，校准曲线的稳定性有所提升，但是校准曲线线性系数还是很难达到0.999，说明优化的水平和程度还是不够。对于比浊法测试不稳定的问题，李优琴等［8］和倪张林等［9］分别利用连续光源原子吸收光谱仪和火焰原子吸收仪测定硫的含量，曹华杰［10］和张联胜［11］使用离子色谱法进行上机测试硫的含量，蒋俊平等［12］和谢鑫［13］使用ICP-AES进行上机测试硫的含量，以上测试方法研究都获得了较好的检测结果，但上述研究中缺少对前处理条件的系统优化，特别是没解决前处理不稳定的问题。实际上土壤有效态硫的测定属于条件选择试验，前处理条件的细微改变将较大改变最终的测试结果，尤其是温度和提取过程的控制，例如方法中指明提取温度控制在20～25℃，刘婷琳等［14］对温度试验结果表明，浸提温度达到30℃时，部分样品测定结果明显偏高，但是都没有提及如何做到和保证在该温度条件下浸提。鉴于此，本研究借助高精密的前处理设备恒温摇床（可精准控制前处理温度、振荡频率稳定、容量大和智能化程度高）进行前处理，结合电感耦合等离子体发射光谱法进行上机测试，拟建立一种精密度好、准确度高和快速简便的土壤中有效硫的检测方法，适用于大批量土壤的检测。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Avio500电感耦合等离子体发射光谱仪（PerkinElmer）。

恒温摇床：属于水平往复振荡器，BSDYF2600立式双层智能精密摇床（上海博迅/上海越寅智能仪器科技有限公司），可以精确控制温度4～60℃。

土壤标准物质：国家标准物质研究中心研制的江西红壤GBW07416a（ASA-5a），为酸性土壤；陕西省地质矿产实验研究所研制的黄土土壤，有效态成分标准物质陕西土（HTSB-1）、陕西黑垆土（HTSB-2）、宁夏灌淤土（HTSB-3）和甘肃灌漠土（HTSB-4），以上为碱性土壤。

硝酸为优级纯，其他试剂除有说明外，均为分析纯；水均为去离子水。

磷酸盐-乙酸提取液：称取磷酸二氢钙［Ca（H2PO4）2·H2O］2.04 g溶 于1 L乙 酸 溶 液［c（CH3COOH）=2 mol/L］中。

氯化钙提取剂（用于石灰性土壤）：称取氯化钙（CaCl2）1.50 g溶于水，稀释至1 L。

硫标准贮备液：ρ=1000 mg/L，市售有证标准物质，将此溶液准确稀释成含硫200 mg/L的标准溶液备用。

1.2 试验方法

称取通过2 mm筛的风干试样5.0 g于150 mL具塞锥形瓶中，加入25 mL磷酸盐-乙酸提取液，盖紧瓶塞，温度为15～30℃，振荡时间为30～120 min，振荡频率为120～250 r/min，提取完成后，用离心机离心，再用滤纸进行干过滤，弃去最初的5～6 mL，再滤下的滤液置于25 mL具塞比色管中，准确分取10.0 mL离心液于50 mL烧杯中，在电热板上加热，加入0.5 mL硝酸氧化有机物。待有机物分解完全后，继续加热至近干，将溶液无损移入10 mL比色管中，定容、摇匀和过0.45 μm水系微孔滤膜待测。

石灰性土壤（pH值≥7.5）用氯化钙溶液提取时，其土液比、振荡时间、提取温度及其他操作与磷酸盐-乙酸提取一样，只是提取剂种类发生改变。

1.3 仪器参考条件

射频功率为1.5 kW，载气为高纯氩气，雾化气流量为0.8 L/min，辅助气流量为0.2 L/min，冷却气流量为15 L/min，垂直观测高度为15 mm，元素分析谱线为181.975 nm。

1.4 校准曲线绘制

分别吸取含硫200 mg/L的标准溶液0.00、1.00、3.00、5.00、7.00、10.0、15.0 mL于100 mL容量瓶中，测定酸性土壤有效硫的校准曲线使用磷酸盐-乙酸提取剂定容，测定石灰性土壤有效硫的校准曲线使用氯化钙提取剂定容，分取10.0 mL标准系列溶液参照样品消解步骤进行消解后定容于10 mL比色管中，即为含硫0.00、2.00、6.00、10.0、14.0、20.0和30.0 mg/L的工作曲线溶液（该系列校准点曲线范围线性关系好，绝大多数样品的上机测试结果能落在曲线范围内，不经过稀释可直接测定的样品浓度范围为2～150 mg/kg）。

1.5 试样测定

分析前，先将仪器设备开机预热30 min以上，用（1+99）硝酸溶液冲洗系统直到空白强度值降至最低，待分析信号稳定后，建立校准曲线，在建立校准曲线相同的条件下依次测定空白和试样。

2 结果与分析

2.1 提取温度选择试验

土壤有效硫是典型的条件选择性试验，前处理任何条件的改变均会使得结果出现较大的变化，提取温度对有效硫的测定影响明显，本试验选取土壤有证标准物质：江西红壤土GBW07416a（ASA-5a）、陕西土（HTSB-1）、陕西黑垆土（HTSB-2）、宁夏灌淤土（HTSB-3）和甘肃灌漠土（HTSB-4），试验考察了提取温度分别为15、18、20、22、25、30℃时对测定结果的影响，在提取时间固定在60 min、振荡器频率固定在180 r/min条件下，使用恒温摇床进行不同温度下条件选择试验，测定结果见表1（条件选择试验均为3次测定的平均结果）。

表1 不同提取温度对测定结果的影响 （mg/kg）

由表1可知，温度过低（15℃）时部分结果会低于证书下限值，温度过高（25℃和30℃）时部分结果会超过证书上限值，当提取温度为18～22℃时所有标准物质测定结果都在证书给定的保证值范围内，实际工作中温度可以控制在（20±2）℃。

2.2 提取频率选择试验

振荡频率选择试验在提取时间60 min、提取温度控制在20℃条件下，使用进行不同振荡频率条件进行试验，选取频率范围为120～250 r/min，具体试验结果见表2。

表2 不同提取频率对测定结果的影响 （mg/kg）

由表2可知，振荡频率为160～200 r/min时结果较好，所有检测结果均在有证物质给出的保证值范围内，频率低于160 r/min时测试结果会偏低，频率高于200 r/min时结果会有偏高的风险，且一般在振荡频率大于200 r/min的条件下不易稳定。由此，实际测试过程中可以选择控制振荡频率为（180±20）r/min。

2.3 提取时间选择试验

提取时间选择试验是在振荡频率选择为180 r/min、提取温度控制在20℃条件下，改变提取时间进行试验，选取时间范围为30～120 min，具体试验结果见表3。

表3 不同提取时间对测定结果的影响 （mg/kg）

由表3可知，提取时间为60～90 min时结果较好，所有检测结果均在有证物质给出的保证值范围内，时间较少（30 min）会导致提取不够完全，使得结果偏低，说明振荡时间较短，不能充分提取出土壤标样中的有效硫；时间过长（120 min）结果会偏高，有部分结果不在保证值范围内，说明时间过长提取液中除了有效硫外，其他形态的硫也有可能被提取出来。考虑到前处理工作的效率，可选取60 min作为最佳提取时间。

根据表1～3中的试验数据和具体分析，可以得出最佳的前处理条件为：提取温度为（20±2）℃，振荡器振荡频率为（180±20）r/min，提取时间为60 min。基于以上条件的确定，进行以下方法检出限、精密度、准确度和实际样品比对试验。

2.4 校准曲线和检出限

按仪器工作条件对硫工作曲线系列进行测定，以硫的质量浓度为横坐标，对应的荧光强度为纵坐标绘制标准曲线，结果表明当硫含量的线性范围为0～30 mg/L时，工作曲线线性方程较好，相关系数均大于0.999。

方法的检出限按照《合格评定 化学分析方法确认和验证指南》（GB/T 27417-2017）中的相关规定执行。分为酸性和石灰性土壤分别对空白样品进行独立测试10次，检出限=空白平均值+3s（标准偏差），结果见表4，酸性和石灰性土壤检出限基本一致，略低于或等于0.5 mg/kg，由此可统一本方法检出限为0.5 mg/kg。

表4 检出限结果 （mg/kg）

2.5 方法准确度和精密度

选择了3种有证标准物质，为体现标样的代表性，其中有1种是酸性土壤，2种是碱性土壤（表5）。由表5可知，土壤标准物质的测定结果均在保证值范围内，相对误差小（<5%），准确度好；土壤标准有证样品相对标准偏差（n=6）为2.47%～4.59%，表明该方法检测结果稳定，精密度高。

表5 方法准确度和精密度

2.6 实际样品与标准方法比对测试

为了充分证明方法的实用性，选取全国具有代表性耕作区的9种土壤实际样品进行比对试验，每种土壤样品平行测定3次，以平均结果作为最终比对结果（表6）。

表6 本文方法与标准方法比对结果

本文方法与标准方法（NY/T 1121.14-2006）进行比对表明，实际土壤测试中有效硫测试结果相对偏差为0.63%～8.38%，均小于10%，说明该方法在测定不同实际土壤样品时与标准方法无显著差异，也说明该方法具有普遍的适用性。

3 结论

恒温摇床拥有控温精准、振荡平稳、空间较大和智能化程度高的特点，能彻底解决普通振荡器无法控温、处理批次少和频率不稳定等问题。使用恒温摇床进行土壤有效硫的前处理，极大地提升了前处理的可靠性，可同时处理200个以上的样品，前处理效率明显提升。通过研究恒温摇床不同的温度、时间和频率对土壤有效硫的影响，确定了最佳前处理条件为：提取温度为（20±2）℃，振荡时间为60 min，振荡频率为（180±20）r/min。结合使用电感耦合等离子发射光谱法进行上机测试，对方法检出限、精密度、准确度、不同类型实际样品进行试验，结果满意。本研究建立的恒温摇床提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中有效硫具有精密度好、准确度高和快速简便的特点，它不仅提高了土壤有效硫测试结果的准确度，更大幅度提升了样品处理及分析能力，并降低了检测成本，丰富了农业土壤的检测方法，促进了科学农业施肥，适用于不同类型土壤的大批量样品检测。