化肥成分分析系列标准物质研制

王 瑾 田有国 徐晶莹 肖亚兵 郝亚波 李胜男 陆杨玥 张爱琳 孟远夺 李艳萍 刘亚轩*

(1.津标(天津)计量检测有限公司，天津 300382；2.全国农业技术推广服务中心，北京100025； 3.农业农村部种植业管理司，北京 100125；4.天津海关动植物与食品检测中心，天津 300461； 5.天津农学院 食品科学与生物工程学院，天津 300392)

肥料检测与质量监管是农产品质量安全监管的重要组成部分，加强肥料市场产品监督管理是保证产品质量，保障农业生产安全、农产品质量和人畜生态环境安全的重要措施，对保障国计民生的粮食安全问题具有重要意义[1-2]。随着现代农业的发展，除了大、中量植物营养元素以外，对硼、锌、镁、硫、铜、铁、锰、钙等少量或微量元素在调节植物体生理功能上的研究日益深入，同时化肥中含有的砷、镉、铅、铬、汞等有毒有害金属元素对生态环境污染、农产品质量特别是沿着食物链对人畜健康造成的直接危害也已引起了广泛关注[3-6]，我国在相关标准中对总镉、总汞、总砷、总铅、总铬等重金属元素和其他指标的限量值进行了规定[7-9]。

化肥标准物质是控制化肥样品分析质量的有效手段，是对化肥中化学成分进行准确分析的重要工具[10]。尿素、磷酸氢二铵、氯化钾以及各营养元素含量不同的复合肥是目前全球应用最为广泛的几种化肥产品，但相关标准物质却极少[11]。随着农业生产管理的科学化、规范化的推进，我国以及国际范围每年都有大量化肥样品的测试工作进行，这对肥料检测工作提出了更高的要求[12]。

本文按照ISO 17034 《标准物质生产者能力的通用要求》和国家一级标准物质技术规范等相关标准要求共研制9个化肥化学成分分析标准物质[13-16]，分别为尿素、磷酸氢二铵、氯化钾、高氮磷低氯复合肥、高氮低氯复合肥、高钾硫基复合肥、高钾中氯复合肥、高磷低氯复合肥和平衡型硫基复合肥。对标准物质候选物进行加工制备，均匀性检验，稳定性检验，并通过15家具有较高测试分析水平的实验室采用容量法、重量法、比色法、电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体光谱法、原子荧光光谱法、原子吸收光谱法、中子活化法和离子色谱法等分析方法相结合进行协作定值，对结果进行统计分析，得到标准值及其不确定度。

1 候选物采集与制备

根据成分设计要求，候选物系列样品中包含由不同基础原料组成的复合肥，确保该系列标准物质中氮具有不同的赋存形态，钾具有氯基和硫基的不同来源，同时考虑N、P、K 三种主要营养元素的含量梯度范围，结合目前化肥的实际应用情况，选择了9个样品作为标准物质候选物(JBCF-1～JBCF-9)。

将采集的标准物质候选物样品放置于烘箱内，50 ℃干燥24 h。再用棒磨机轻度研磨粗碎，过380 μm尼龙筛，弃去筛上杂物。筛下样品采用球磨机轻度球磨，球石加入量视样品加工粒度和样品量稍有增加，采用间歇式操作，避免过度发热而影响样品加工质量，每个样品球磨加工时间为24～72 h不等，粒度检验达到250 μm左右即可。制备完毕的标准物质候选物以具密封圈的 HDPE 瓶包装，30～35 g/瓶，外套密封袋，并抽真空，长期保存在25 ℃空调房间，密封、干燥、避光保存。具体制备流程如图1所示。

图1 候选物样品加工制备流程示意图Figure 1 Schematic diagram of sample processing and preparation for candidate materials.

采用扫描电镜对加工后的候选物样品进行了观测，并用分析软件对颗粒粒度及分布特征进行了统计，样品粒度分布均匀，满足样品加工要求。

2 候选物均匀性检验

本系列标准物质每个样品分装了1 000瓶，均匀性检验的子样确定从出料全过程中随机抽取每个候选物样品子样30(m)小瓶，每瓶在上、下两个部位称取2(n)份，对候选物中N、P2O5、水溶性P2O5、有效性P2O5、K2O、S、Cl、As、Hg、Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、B、Se、Ge、Fe、Na、Ca、Mg、Al、Ti、V、Mn、Co、Sr、Mo、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等45种元素(指标)进行测定。采用单因素方差分析方法计算及评估样品的均匀性，结果列于表1。JBCF-1尿素样品中除N外其他元素含量均极低，大部分元素未检出或离散性较大，这些元素最终没有定值，在表中未列出统计结果；JBCF-3氯化钾样品也为纯度较高的样品，B、Ba等10余种元素的精密度较差；由均匀性检验最终统计结果可知，除部分样品的个别元素外，大部分元素的相对标准偏差(RSD)小于10%。所有样品的F实测值均小于F0.05临界值，有小部分F实测值小于1，这主要是由于所测样品中其元素含量水平较低，测定精密度较差，存在组间方差小于组内方差的情况，导致F实测值小于1，对样品均匀性的判定没有影响。综合统计结果，样品具有良好的均匀性。

表1 候选物均匀性检验结果

续表1

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3 候选物稳定性检验

3.1 长期稳定性检验

按“先密后疏”的原则，选择最小分装单元的样品，从2019年9月开始，考察在规定保存条件下(25 ℃空调房间内密封、干燥、避光保存)下，保存0、2、6、11、18个月后(即2019年9月、2019年11月、2020年3月、2020年8月、2021年3月)样品的稳定性，每个样品取2瓶，每瓶称取2份进行重复测试，测定方法同均匀性检验。对检验结果的平均值、相对标准偏差、拟合直线斜率、斜率的标准偏差及长期稳定性引入的不确定度等参数进行计算，长期稳定性检验参数统计结果见表2。由统计的各参数数据可见，拟合直线的斜率均不显著，检验结果没有方向性变化，没有发现统计学意义的明显差异，表明在18个月的考察期内，研制的化肥成分分析标准物质候选物所测定的特性量值能保持稳定，证明样品的稳定性良好，标准物质的稳定性满足要求。长期稳定性引入的不确定度数值计入总不确定度中。

表2 长期稳定性检验结果

续表2

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3.2 短期稳定性检验

考虑到运输条件下的稳定性问题，随机抽取最小包装单元，在60 ℃、-18 ℃和60 r/min摇床(模拟颠振实验)放置0、1、5、10、20 d，以考察标准物质在模拟极端运输条件下的稳定性。每个样品每次测定分别取2瓶，每瓶称取2份，测定方法同均匀性检验。对检验结果的平均值、相对标准偏差、拟合直线斜率、斜率的标准偏差及短期稳定性引入的不确定度等参数进行计算，拟合直线的斜率均不显著，检验结果没有方向性变化，没有发现统计学意义的明显差异，表明在20 d的考察期内，在极端运输条件下，本项目所研制的化肥化学成分分析标准物质的特性量值能保持稳定，样品短期稳定性良好。60 ℃、-18 ℃和颠振条件下各样品短期稳定性引入的不确定度远小于定值过程的不确定度，因此短期稳定性引入的不确定度数值不计入总不确定度中。

4 定值与不确定度

4.1 计量溯源性

本系列化肥化学成分分析标准物质的研制采用多家实验室合作定值的方式进行定值，所选择的15家合作实验室都是国内在行业内具有技术权威的实验室，都参加过标准物质研制和定值工作，使用的计量器具和仪器设备均由具有资格的机构进行检定/校准、分析方法均通过有效确认、校准曲线均使用有证标准样品(CRM)配制，测试过程中均使用CRM进行质量监控，量值溯源可靠。

4.2 定值元素及测试方法

定值元素(指标)，包括N、P2O5、水溶性P2O5、有效性P2O5、K2O、S、Cl、As、Hg、Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、B、Se、Ge、Fe、Na、Ca、Mg、Al、Ti、V、Mn、Co、Sr、Mo、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。其中主量成分的检测采用经典化学分析的方法[17]，微量元素的检测采用经方法学研究确认的准确度高、受基体影响小和干扰少的多元素分析方法[18-21]。除As和部分稀土元素，其他元素(指标)均采用了两种或两种以上不同原理的测量方法和不同的前处理方法相互核验，保证了定值的可靠性。定值协作实验采用的测定方法(前处理方法有水-盐酸催化(DSCl)、铬粉-盐酸-硫酸催化(DSCr)、铬粉-盐酸-硫酸钾-无水硫酸铜-硫酸催化(DSM)、硫酸钾-硫酸催化(DSSK)、硫酸催化(DSS)、直接蒸馏(DS)、硝酸-高氯酸消解(DA2)、王水-高氯酸消解(DA3)、硝酸-盐酸-氢氟酸-高氯酸消解(DA4)、硝酸-盐酸-氢氟酸-高氯酸-硫酸消解(DA5)、水溶解(DW)、水研磨(GW)、超声提取(ULTRS)、EDTA提取、硝酸消解(DA1N)、盐酸消解(DA1Cl)、王水消解(DAA)、王水-硫酸消解(DAS)、硝酸-氢氟酸-硫酸消解(DMA)、高氯酸-硝酸-氢氟酸-磷酸消解(DFP)、氢氧化钠碱融-离子交换(DFI)、微波消解(MW)。测定方法有容量法(VOL)、比色法(COL)、重量法(GR)、电位滴定(POT)、返滴定法(BTVOL)、电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)、电感耦合等离子体发射光谱法(ICPOES)、原子荧光光谱法(AFS)、原子吸收光谱法(AAS)、中子活化法(INAA)、离子色谱法(IC)。)汇总见表3。

表3 候选物定值分析方法

4.3 数据统计与定值

4.3.1数据剔除

定值成分平均值数据为6～14组，每组数据为4～6个。协作定值测定共收到数据24 686个，用狄克逊(Dixon)检验和格拉布斯(Grubbs)检验，结合技术上的判断剔除可疑值；再采用科克伦法(Cochran)检验平均值间是否等精度，经检验各组数据最终计算值C小于临界值C(0.05，m，n)，不等精度的数据组作为异常值剔除。

4.3.2 数据统计与定值

本标准物质测试数据均属小子样(数据数小于50个)，采用夏皮罗-威尔克检验法(Shapiro-Wilk)对参加定值的每一指标作数据分布正态性检验。经检验，绝大多数样品的定值数据为正态分布或近似正态分布，有7个数据组为偏态分布，包括JBCF-2中Cr、JBCF-3中N和水溶性P、JBCF-4中Sm、JBCF-6中Ge、JBCF-9中Ge和Lu。其中JBCF-2中Cr、JBCF-3中水溶性P、JBCF-4中Sm和JBCF-9中Lu的数据结果一致性较好，中位值作为参考值；JBCF-3中N、JBCF-6中Ge和JBCF-9中Ge由于含量很低，数据结果离散程度极大(RSD分别为122%、66.2%、83.3%)，故不予定值。

4.3.3 标准值与不确定度

定值数据为正态分布或近似正态分布的，最佳估计值取算数平均值，偏态分布的取中位数值；对大部分样品的相对标准偏差(RSD)小于10%，相对标准偏差较差的数据给出参考值；定值组数不足8组的数据给出信息值；由合作定值测试引入的不确定度数值计入总不确定度中。

表4 标准物质量值表

续表4

续表4

元素认定值与不确定度/(μg·g-1)元素认定值与不确定度/(μg·g-1)元素认定值与不确定度/(μg·g-1)Al516±88Hg0.016±0.006Tb(0.02)5As(0.69)Ho(0.052)Ti(37)B0.179±0.012*La0.41±0.08Tm(0.044)Ba(2.5)Lu0.067±0.012V5.3±0.8Ca457±28Mg0.132±0.014*Y(3.3)Cd0.32±0.06Mn(38)Yb(0.34)Ce0.92±0.22Mo0.27±0.04Zn27±4Co(0.35)Na0.39±0.04*N18.74±0.50*Cr(11)Na0.527±0.030*P2O59.50±0.28*Cu(3.3)Nd(3.6)水溶性P2O57.23±0.38*Dy0.53±0.08Ni3.2±0.8有效性P2O59.42±0.28*Er0.35±0.05Pb(3.1)K2O16.48±0.44*Eu0.17±0.03Pr(0.93)Cl29.66±0.96*Fe0.192±0.016*Se(0.10)JBCF-7S1.03±0.08*Gd0.68±0.10Sm0.72±0.06Al0.54±0.08*Ge(0.37)Sr(54)As5.6±0.6Hg(0.008)Tb0.11±0.02B13.3±2.2Ho0.12±0.03Ti(78)Ba16±6La4.0±1.0Tm(0.059)Ca0.332±0.024*Lu(0.067)V(8.2)Cd0.067±0.014Mg0.71±0.14*Y(5.4)Ce(6.4)Mn155±14Yb0.36±0.05Co(1.0)Mo(0.61)Zn22±5N23.54±0.38*Cr23±5Na0.379±0.022*P2O521.72±0.54*Cu(4.6)Nd(4.3)水溶性P2O518.03±0.84*Dy(0.72)Ni4.9±1.0有效性P2O521.48±0.62*Er(0.46)Pb1.6±0.5K2O7.55±0.40*Eu(0.24)Pr(1.0)Cl8.41±0.22*Fe0.275±0.018*Se(0.045)JBCF-8S1.08±0.24*Gd(0.94)Sm(0.86)Al0.67±0.10*Ge(0.39)Sr(69)As8.2±0.8Hg(0.008)Tb(0.14)B17.5±2.4Ho(0.16)Ti133±8Ba(8.3)La(5.0)Tm(0.072)Ca0.45±0.03*Lu(0.083)V14.3±2.6Cd0.091±0.016Mg1.19±0.18*Y6.7±1.6Ce(7.7)Mn263±24Yb(0.46)Co(1.8)Mo0.69±0.14Zn23±5N14.83±0.40*Cr25±5Nd148±20P2O516.05±0.44*Cu(125)Ni9.3±1.6水溶性P2O512.82±0.76*Dy10.2±1.6Pb12±3有效性P2O515.66±0.50*Er(4.5)Pr(34)K2O16.30±0.50*Eu(6.7)Se0.13±0.02Cl0.67±0.04*Fe0.384±0.028*Sm28±7JBCF-9S5.95±0.34*Gd(24)Sr616±90Al0.287±0.026*Hg0.036±0.008Tb(2.9)As6.6±0.8Ho(1.9)Ti(452)B27±5La106±16Tm(0.57)Ba58±14Lu(0.61)V47±4Ca1.57±0.12*Mg0.74±0.10*Y(53)Cd0.19±0.03Mn291±32Yb(3.0)Ce221±26Mo(1.0)Zn33±5Co(5.3)Na0.267±0.026*

5 结论

研制的9个化肥化学成分标准物质经粒度测试、均匀性检验和稳定性检验，符合标准物质规范要求，通过实验室协作定值了45种元素(指标)，形成了主量营养元素N、P、K呈良好梯度范围的复合肥系列成分分析标准物质，是目前已有肥料类标准物质中定值项目最为齐全的标准物质，其中Ba、Ge、Sr和稀土元素均为首次定值。本次研制的化肥成分分析系列标准物质完善了肥料标准物质的类型，可为化肥样品分析质量控制、实验室仪器校准、分析方法和实验室能力水平评价提供基础技术支撑。

致谢：感谢国家化肥质量监督检验中心(北京)、农业农村部肥料质量监督测试中心(沈阳)、农业农村部肥料质量监督测试中心(南宁)、农业农村部肥料质量监督测试中心(杭州)、农业农村部肥料质量监督测试中心(武汉)、农业农村部肥料质量监督测试中心(郑州)、农业农村部肥料质量监督测试中心(成都)、农业农村部肥料质量监督测试中心(石家庄)、安徽省地质实验研究所、浙江省地质矿产研究所、四川省地矿局成都综合岩矿测试中心、华北有色地质勘查局燕郊中心实验室、中国原子能科学研究院等多家单位参与本次系列标准物质研制的定值工作！