凯氏定氮仪快速测定山区农用地土壤全氮含量

赵娜娜 , 王帅飞 , 刘楠华 , 李影影 , 施娅颖 ， 申扎根

(1.河南省有色金属地质勘查总院 , 河南 郑州 450052 ; 2.河南省有色金属深部找矿勘查技术研究重点实验室 , 河南 郑州 450052 ; 3.河南省有色金属地质矿产局 中国科学院地球化学研究所 绿色土地工程重点实验室 , 河南 郑州 450052)

0 前言

植物生长所吸收的氮中有30%～60%来自土壤，可见土壤中的氮含量对作物营养的重要作用[1]。山区地形复杂，在农用地中，常常采用全氮含量作为土壤氮素丰缺指标[2]。为了了解土壤氮素含量并使土壤保持肥力，定期测定农用地土壤氮素含量是十分必要的。测定土壤中元素的方法很多，传统的测定土壤样品中全氮的含量是采用经典的凯氏定氮法。凯氏定氮法是国家标准方法，虽然不需要复杂的仪器设备，但存在步骤多、操作复杂，实验结果受操作环节和人为因素影响大，分析效率低等问题，已不能满足快速批量测试的要求[1]。而全自动凯氏定氮仪具有智能化程序控制，样品在加速剂的参与下，加入浓硫酸进行消解时，各种含氮有机化合物，经过复杂的高温分解反应，转化为铵态氮，碱化后蒸馏出来的氨用硼酸吸收，以酸标准溶液滴定，计算土壤的含氮量,可自动打印输出结果，全程无需人为干预，从而大大提高了工作效率[3-4]。笔者对消解过程和碱蒸馏过程进行条件优化，改善了加速剂用量和称样样品包裹方式，目的是可以大批量高效测定含氮量不高的山区农用地土壤中全氮含量。

1 仪器与试剂

仪器：海能K1160全自动定氮仪、石墨消解仪、天平(感量0.1 mg)。

试剂：氢氧化钠溶液400 g/L；硼酸溶液20 g/L；盐酸标准溶液0.010 0 mol/L；混合加速剂[m(硫酸钾)∶m(硫酸铜)=10∶1]；甲基红-溴甲酚绿指示剂[0.1 g甲基红+0.5 g溴甲酚绿/(500 g乙醇)]；硼酸-指示剂混合液[1 mL甲基红-溴甲酚绿指示剂/(100 mL硼酸溶液)]。实验中用到的试剂，均为优级纯或分析纯；实验用水为无氨蒸馏水。

土壤标准参考样GBW07401a、GBW07402a、GBW07403a、GBW07405a、GBW07407a，均为地矿部物化探研究所研制。

2 实验方法

2.1 取样

实验样品均来自地球化学调查样品洛阳伊川、郏县“两绿一特”试验地、信阳罗山等农用地土壤。将土壤样品进行烘干、研磨、过筛(0.25 mm)、标记和装袋密封处理。准确称取土壤样品1.000 0 g左右，用无氮称量纸完全包裹折叠后，小心放入消解管底部，分别加入硫酸铜-硫酸钾加速剂2 g和浓硫酸5 mL，盖上弯颈漏斗。

2.2 消解

将样品置于石墨消解仪上消解，直至消解管内溶液为颜色较浅的蓝绿色或灰白色。消解完毕后，取下消解管冷却至室温，置于全自动定氮仪上待蒸馏。每批次随同做两个试剂空白试验。

2.3 条件设置

工作条件和实验条件：20 mL硼酸-指示剂混合液，30 mL水和25 mL氢氧化钠溶液，蒸汽流量100%，自动滴定并计算结果，打印测试结果。

3 结果与分析

3.1 仪器条件优化

3.1.1土壤样品消解最佳温度

实验采用全自动凯氏定氮仪配套的石墨消解仪，保温性能好且温度可控。将消解管轻放在石墨消解仪上进行消解。消解过程中，加入的2.0 g催化剂和5 mL浓硫酸足够让土壤样品反应充分[4]。本实验消解过程采用直线升温模式，选取4个不同土壤标准样品及2个农用地采样土壤样品，分别设定4个不同温度的炉温梯度350、400、420、450 ℃，消解保持时间为80 min进行实验。对实验结果进行对比，从而选出最佳消解炉温温度。

实验测定结果见表1(n=5)。从测试结果数据来看，在350～420 ℃，随着消解炉温的不断升高，数据值也在明显升高，但当消解炉温上升至450 ℃时，测定值反而呈现下降态势。

表1 不同消解炉温温度下的实验结果

实验结果表明：炉温在420 ℃时测定值与标准值的偏差在不确定度范围内，可以说明最佳测定炉温温度为420 ℃。

3.1.2碱液加入量的探讨优化

加入浓度400 g/L NaOH碱液，加入后消解管内溶液颜色会变为浑浊黑色。NaOH加入量如果太大，容易消耗试剂用量；加入量如果太小，会导致无法完全中和加入的浓硫酸，最后实验测得数据就会存在误差。当前普遍认为碱液加入量约为加入浓硫酸量的4倍为宜，因此NaOH溶液加入量为20～25 mL比较合理，本实验考虑碱液输入管管道滞留误差，故均采用25 mL碱液加入量[5]。

3.1.3土壤样品蒸馏时间优化

在NaOH加入量充足的前提下，蒸馏时间长短决定了氮是否能够完全蒸出和批量生产时间的长短。本实验分别采用不同蒸馏时间120、180、240、300 s做比对试验，从而选出土壤样品最佳蒸馏时间。实验结果见表2。

表2 不同蒸馏时间的实验结果

结果表明：蒸馏时间为120 s时结果偏低，表明氮未能完全蒸出，180、240、300 s时结果相近，都在标准物质的不确定度范围内，故确定蒸馏适宜时间为180 s，以此确定缩短批量生产检测的最佳蒸馏时间。

3.2 方法性能评价

3.2.1准确度实验

在优化条件下测定系列标准物质样品，看其结果及准确度如何。选择2种标准物质GBW07401a和GBW07405a，在消解温度420 ℃，蒸馏时间为180 s的优化条件下进行测试，分别测定7次，计算测定结果见表3，结果均在不确定度范围内，证明优化条件下结果准确可靠。

表3 准确度测定数据

3.2.2精密度实验

在优化条件下对标准物质GBW07402a、GBW07403a、GBW07405a和GBW07407a均进行7次测定，以测量方法的精密度。7组数据结果分析见表4。标准偏差和相对标准偏差，可以看出实验测试数据平行性良好，符合精密度标准要求。并且具有操作简单、安全性高、节省人力等优点。

表4 精密度测试数据

3.2.3与行业标准对比优势

通过本实验条件优化后，对比国家行业标准NY/T 1121.24—2012《土壤检测第24部分：土壤全氮的测定自动定氮仪法》标准。本实验具有的优势：①用无氮称量纸将土壤样品全包裹轻放入消解管底部，可以有效避免土壤样品留滞在消解管的管壁，有效减少误差，也不会拖延大批量样品测试效率。②标准上采用混合加速剂[m(硫酸钾)∶m(五水合硫酸铜)∶m(硒粉)=100∶10∶1]，硫酸钾起提高硫酸溶液沸点的作用，五水合硫酸铜起催化剂作用，加速有机氮的转化，硒粉是一种高效催化剂，用量不宜过多，否则会引起氮素损失[6-7]。本实验的消解过程中未加入1 g硒粉加速剂，仅采用硫酸钾-五水合硫酸铜加速剂进行试验，测试结果显示对氮的测定值、准确度及精密度不影响。对于该农用地大批量土壤全氮含量检测来讲，既提高了检测效率，又节约了试剂，节省了资金。

4 结语

全自动凯氏定氮仪简化了土壤中氮含量测定的步骤，缩短了分析检测时间，整个测定的过程仅需要约6 min，提高了工作效率。山区农用地土壤中含氮量一般为0.1%～0.5%。通过对山区农用地土壤中氮含量条件的优化，消解炉温温度控制在420 ℃、蒸馏时间调整为180 s，减少使用方法标准上1 g硒粉加速剂，采用全包裹称样。综合来看，实验条件优化后的方法，可有效提高检测效率，节约试剂和资金，可以采用本方法大批量快速测定农用地土壤氮的含量,为科学合理施肥提供技术支持。