石墨消解仪–凯氏定氮法测定土壤中全氮量

刘宗超，蔡兴，文田耀，赵春梅，孙文军，朱静

（1. 河南省地矿局第一地质矿产调查院，河南洛阳 471000； 2. 郑州工程技术学院化工食品学院，郑州 450044）

我国越来越重视对耕地的保护，相继采取了一系列高标准基本农田建设措施，其中一项便是土壤肥力的评价。土壤全氮含量是衡量耕地肥力的重要指标，土壤含氮量的多少，直接影响农作物的生长状况[1-2]。土壤全氮含量的测定目前有多种方法[3]，如凯氏定氮法、杜马斯燃烧法和红外光谱法[4]等。

石墨炉消解-凯氏定氮法是目前较常用的土壤全氮分析方法，其基本分析流程是：利用石墨炉消解仪消解土壤样品，将有机氮转化为无机盐硫酸铵，然后使用凯氏定氮仪，在碱性条件下，以水蒸气加热使硫酸铵分解出氨气分子，利用酸碱滴定的方法测出全氮含量[4]。我国国土辽阔，不同区域土壤含氮量有差别，在凯氏定氮过程中，需要根据不同地区土壤全氮实际含量优化分析程序，提高分析效率。笔者通过对催化剂种类、浓硫酸使用量、消解时间的探索，建立了一种适合低全氮[5]含量耕地土壤大批量快速分析的方法，满足国家相关标准要求[6-9]，使科研、教学和生产实践活动更加经济、环保和高效。

1 实验部分

1.1 实验原理

在土壤样品中加入催化剂、浓硫酸和少量水，在加热条件下，土壤中含氮有机物经过分解、碳化、氧化还原等反应转变为无机盐硫酸铵。进一步在碱性条件下，通过蒸汽加热蒸馏使硫酸铵分解产生氨气分子，用含有酸碱指示剂的硼酸溶液吸收后，在以盐酸标准溶液滴定，根据消耗盐酸的量确定土壤中全氮含量。

1.2 主要仪器与试剂

凯氏定氮仪：K1305 型，氮质量测定范围为0.1～240 mg，上海晟声自动化分析仪器有限公司。

石墨炉消化仪：S20 A型，上海晟声自动化分析仪器有限公司。

电子天平：AL104 型，感量为0.1 mg，梅特勒-托利多科技(中国)有限公司。

酸式滴定管：50 mL，天津玻璃仪器厂。浓硫酸、盐酸：均为分析纯，北京化工厂。硫酸钾(K2SO4)、硫酸铜(CuSO4)：均为分析纯，天津风船化学试剂科技有限公司。

硒粉(Se)、二氧化钛(TiO2)：均为分析纯，阿法埃莎(中国)化学有限公司。

氢氧化钠(NaOH)、硼酸：均为分析纯，天津风船化学试剂科技有限公司。

甲基红、溴甲酚绿：均为分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

无水乙醇：分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

混合催化剂：(1)K2SO4-CuSO4-TiO2(质量比为100∶3∶3)；(2)K2SO4-CuSO4-Se(质量比为100∶10∶1)；(3)K2SO4-CuSO4(质量比为10∶1)，按比例磨碎混匀。

氢氧化钠溶液：400 g/L。

盐酸标准溶液：浓度分别为0.0211 mol/L 和0.0108 mol/L。移取适量浓盐酸，加入水稀释定容，用无水碳酸钠标准物质标定。

甲基红-溴甲酚绿混合指示剂：溴甲酚绿与甲基红质量比为5∶1，溶解于95%乙醇溶液中。

硼酸指示剂：称取10 g硼酸加入1 L水，每升硼酸溶液加入5 mL甲基红-溴甲酚绿混合指示剂。

无水碳酸钠标准物质：纯度(质量分数)为99.96%，不确定度为0.05%，标准物质编号为GBW 060315，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

土壤标准物质：标准物质编号分别为GBW 07401、GBW 07403、GBW 07404、GBW 07408，其中全氮量标准值分别为(1.870±0.067)、(1.000±0.062)、(0.640±0.050)、(0.370±0.050) g/kg，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

土壤样品：河南省豫北地区耕地。

实验用水为一级水。

1.3 实验步骤

1.3.1 样品处理

土壤样品经过自然晾干、研磨、混匀、过0.149 mm筛后装袋编号，置于样品库中备用。

称取1.000 0 g 土壤样品，置于100 mL 消化管中，加入3.000 0 g 催化剂，用水冲洗消化管内壁，使样品完全落入消化管底部，用移液枪移取5.0 mL浓硫酸并加入到消化管中，摇匀。将消化管放入石墨炉消解装置中，进行梯度加热升温：在240 ℃下加热15 min(加热除水时间)，在300 ℃下加热15 min(平衡时间)，在340 ℃下加热40 min(消解时间)。至消化管中的消解液变为白色或淡绿色，取下消解管，冷却至室温。

1.3.2 盐酸标准溶液标定

称取0.030 0 g 无水碳酸钠基准物质(于300 ℃加热干燥至恒重)，溶于20 mL 水中，加入2～3 滴甲基红-溴甲酚绿混合指示剂，用盐酸标准溶液滴定至溶液由蓝色变为红色，30 s 内不变色。记录所消耗的盐酸溶液的体积，同时做一空白对照组。计算盐酸标准溶液的物质的量浓度。

1.3.3 土壤样品测定

开启凯氏定氮仪，先用空白蒸馏水蒸煮洗涤仪器3 次，换上消解完成的土壤样品，设定蒸煮时间，设定加入氢氧化钠溶液、蒸馏水的体积。用加有硼酸指示剂的接收瓶收集蒸馏出来的氨气，至瓶内溶液颜色由蓝绿色变为暗红色。再用盐酸标准溶液滴定所蒸馏出的氨气，至瓶内溶液颜色由暗红色变为蓝绿色，同时做空白试验，根据盐酸消耗体积计算出土壤样品氮的含量(质量分数，g/kg)。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的选择

在凯氏定氮法测定土壤全氮过程中，催化剂的加入可以加速土壤消解进程，提高大批量土壤样品测试效率。目前经常使用的催化剂有三种，分别为K2SO4-CuSO4-TiO2(质量比为100∶3∶3)、K2SO4-CuSO4-Se (质量比为100∶10∶1)、K2SO4-CuSO4(质量比为10∶1)[10]，笔者试验中将三种催化体系分别命名为催化剂A、催化剂B、催化剂C。称取1.000 0 g 4 种土壤标准物质，分别加入三种催化剂，其它实验条件相同，各测定三次。实验结果表明，在土壤全氮含量相对低(不大于0.64 g/kg)情况下，三种催化剂的作用相当，所测得土壤全氮含量一致；当土壤全氮含量相对高(大于0.64 g/kg)时，催化剂B 的催化效果更好，所测得土壤标准物质的全氮含量较准确。相关测定结果见表1和图1。根据文献报道[10]，用二氧化钛作为催化剂组分，所测得全氮含量稳定性差，所用较少，故选择催化剂B进行其它条件探索试验。

表1 使用不同催化剂土壤标准物质全氮质量分数测定结果g/kg

图1 使用不同催化剂4种土壤标准物质全氮含量测定值

2.2 硫酸用量的选择

土壤中含氮有机物催化作用下与浓硫酸反应，最终形成硫酸铵，硫酸的使用量是含氮物质是否转化完全的关键。由于不同地区耕地土壤全氮含量不同，浓硫酸的用量也不同。若硫酸加入量过小，则土壤中含氮物质不能完全转化为硫酸铵；加入量过大，则后续自动蒸馏需要加入碱液中和，这个过程会导致大量放热，影响装置气密性，导致蒸发出的氨气无法被完全吸收。在上述催化剂条件探索的基础上，根据相关文献[11-12]，选用混合实验的方法，分别准确称取1.000 0 g 的土壤标准物质和土壤样品，加入3.000 0 g催化剂B，通过改变浓硫酸的用量，测得土壤全氮含量，测定结果见表2、图2。结果表明，当浓硫酸的用量小于5 mL时，土壤消解后未完全转化为硫酸铵，导致测量结果偏低，当浓硫酸使用量逐渐增大时，测量结果逐渐增大后变低，这是由于过量硫酸未参与消解反应形成硫酸铵，凯氏定氮仪蒸馏时需加入过量氢氧化钠中和浓硫酸，酸碱中和反应放热导致部分氨气溢出未被收集，使得测量结果偏低。

表2 不同浓硫酸用量时土壤样品全氮质量分数测定结果 g/kg

2.3 消解时间的选择

在凯氏定氮过程中，土壤样品消解时间长短影响大批量样品的检测效率[13]。为提高检测效率，针对土壤样品特点，采用混合实验的方法，探索土壤样品消解最佳时间，不同消解时间对应测定结果见图3、表3。结果表明，当消解时间小于40 min时，消解不完全，土壤中含氮成分未完全转化为硫酸铵，导致测定结果不准确；消解时间变长会导致部分氮随着蒸馏的水蒸气溢出[14]，同样导致结果偏低。消解时间设定在40 min时，所测得含量最准确。

图3 不同消解时间时土壤样品全氮测定值

表3 不同消解时间对应的土壤样品全氮质量分数测定结果g/kg

2.4 标准物质测定结果

选用催化剂B 作为土壤消解催化剂，称取1.000 0 g 4 种土壤标准物质各6 份，加入2 mL 蒸馏水冲洗消化管壁，加入5.0 mL 浓硫酸后摇匀，将消解时间设定为40 min，进行消解。消解完全后蒸出氨气，测定其氮含量，测定结果列于表4。结果表明，4种不同标准物质的氮含量测定值准确，测量误差为0.01～0.03 g/kg，相对标准偏差为1.24%～4.58%，准确度和精密度均符合HJ 717—2014 和LY/T 1228—2015的规定[15-17]。

表4 土壤标准物质全氮量测定结果

3 结论

(1)土壤样品消解时三种催化体系K2SO4-CuSO4-TiO2、K2SO4-CuSO4-Se、K2SO4-CuSO4均可使用，但应根据土壤样品具体情况选择使用。TiO2不易保存且价格昂贵，不宜选用；硒粉属于有毒物质，一般土壤全氮含量较低时不宜选用，应选用K2SO4-CuSO4作为催化剂，该催化剂环保、价廉，但需要多插入质控样进行监控；对于土壤含氮量较高的样品，则宜选用K2SO4-CuSO4-Se。

(2)豫北地区耕地土壤全氮含量一般较低，称取1.000 0 g 土壤样品，加入5 mL 浓硫酸，消解时间设定在40 min较为合适，缩短了以往消解时间长的缺点，可以满足本地区大批量土壤样品的高效分析，为准确、科学地掌握本地区耕地土壤全氮情况提供了技术依据。