離子色譜法快速測定土壤中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的方法研究

陳 璐

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

氮是生物體構(gòu)建的重要基礎(chǔ)條件，在植物的生命活動中占有重要作用，是肥料三要素之一，植物所吸收的氮素主要是無機(jī)氮，即銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。由于氮肥的過量使用，造成氮素在土壤內(nèi)嚴(yán)重累積。在土壤內(nèi)部，在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽可以在硝化細(xì)菌的作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。土壤中過高的硝酸鹽氮會引起作物中硝酸鹽超標(biāo)。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細(xì)菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，這一過程被稱作反硝化作用。部分蔬菜亞硝酸鹽超標(biāo)，就是反硝化作用引起的。因此，及時了解土壤動態(tài)，快速分析土壤中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮已刻不容緩。

而標(biāo)準(zhǔn)方法(HJ 634-2012)[1]測定土壤中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的分光光度法使用試劑較多，操作步驟繁瑣，過程復(fù)雜，耗時長，勞動強度大，分析效率低，難以滿足批量土壤樣品的快速分析測試的要求[2-3]。本文針對標(biāo)準(zhǔn)方法所存在的問題，采用離子色譜法快速測定土壤中的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。該方法的樣品前處理過程簡單，使用試劑少，經(jīng)過稱量、浸提、振蕩三個步驟即可上機(jī)連續(xù)測試?？梢源蟠罂s減操作手續(xù)，簡化分析測試步驟，減少生產(chǎn)成本，降低勞動強度，提高工作效率，提升分析測試精密度和準(zhǔn)確度，滿足綠色環(huán)保的要求。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

離子色譜儀：ICS-1100，賽默飛世爾公司；電子天平：BS224S，德國賽多利斯公司；水浴恒溫振蕩器：SHZ-C，上海博訊醫(yī)療生物儀器有限公司；臺式離心機(jī)：TDL-5，上海安亭科學(xué)儀器廠。

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液：1000 μg/mL，編號分別為：GSB 04-2833-2011、GSB 04-2840-2011、GSB 04-2837-2011(a)，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。硫酸鈉，氯化鈣，氯化鉀，氯化鈉，氫氧化鉀，氨基苯磺酸鈉：優(yōu)級純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。

1.2 樣品的處理

土壤樣品稱取50.000 g置于500 mL錐形瓶中，，加入濃度為0.01 mol/L CaCl2提取溶液250 mL，塞緊瓶塞，搖勻，在恒溫水浴振蕩器上于25℃振蕩浸提 60 min后，靜置10 min，取上層清液30 mL于離心管中，3000 r/min離心10 min。移取上層清液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾，過濾液待測。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制

分別吸取氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液(ρ=1000 μg/mL)10 mL至100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻，制成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(ρ=100 μg/mL)。

分別吸取0、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00 mL濃度ρ=100 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中，用水稀釋定容至刻度，分別配制成0.00、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00 μg/mL氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。將標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液和待測樣分別置于自動進(jìn)樣器中，依次進(jìn)樣，測得離子強度譜圖，做出標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，得出樣品濃度。

1.4 色譜條件

色譜柱：Ion Pac CS12A(250 mm×4 mm)陽離子交換色譜柱和Ion Pac AS19(250 mm×4 mm)陰離子交換色譜柱；陽離子淋洗液：甲烷磺酸 20 mmol/L；陰離子淋洗液：氫氧化鉀 25 mmol/L；淋洗液流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣體積：25 μL；檢測器：電導(dǎo)檢測器，柱溫：30℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤提取液浸提劑的選擇

鹽類浸提效果優(yōu)于去離子水浸提效果[4-5]。測定土壤中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，通常測定的是水溶態(tài)和交換態(tài)的總和，本文優(yōu)先考慮硫酸鈉、氯化鈣、氯化鉀、氯化鈉等鹽類作為浸提劑，分別稱取適量硫酸鈉、氯化鈣、氯化鉀、氯化鈉配制成0.1 mol/L的提取溶液；稱取六件土壤樣品50.000 g，平行6次，然后分別加入250 mL以上四種提取溶液，在20℃下振蕩1 h，離心過濾，上機(jī)檢測，測定結(jié)果見表1。由表1可知硫酸鈉影響硝酸根的出峰，鈉離子影響氨氮的出峰效果，硫酸根離子對硝酸鹽氮離子測定的影響較大，鈉離子對氨氮的測定有影響，測定值相對偏低。氯化鉀和氯化鈣比較，氯化鈣浸提效果最佳，綜合考慮，本文采用氯化鈣作為土壤提取液的浸提劑。

表1 4種不同浸提劑的浸提結(jié)果

2.2 土壤提取液濃度的選擇

圖1 氯化鈣溶液對浸提效果的影響

土壤提取液濃度對氮元素的浸提效果有影響，也是關(guān)系離子色譜柱使用壽命的重要因素。稱取適量的氯化鈣分別配制成0.01，0.02，0.05，0.10，0.20，0.50，1.00 mol/L的土壤提取液，稱取三件土壤樣品50.000 g，平行6次，分別加入以上不同濃度的提取液250 mL，在20℃下振蕩1 h，離心過濾，上機(jī)檢測，測定結(jié)果見圖1。從圖1中可以看出，氯化鈣溶液濃度為0.01，0.02 mol/L時，浸提效果較好，同時為延長離子色譜柱的使用壽命，兼顧離子強度，選擇0.01 mol/L氯化鈣溶液作為土壤提取液，陰陽離子分離效果較好。

2.3 土壤提取液浸提時間的選擇

由于土壤中的氮元素的形態(tài)會發(fā)生變化，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文考慮在短時間內(nèi)，選取適宜溫度進(jìn)行浸提土壤。稱取土壤樣品50.000 g，平行6次，加入0.01 mol/L氯化鈣的提取液250 mL，置于水浴振蕩器中，在20℃條件下，采用相同振蕩頻率，分別振蕩20，30，50，60，70，90 min后，離心過濾上機(jī)檢測，實驗結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，浸提時間對硝酸鹽氮的影響要小于對氨氮和亞硝酸鹽氮的影響；三種離子隨著振蕩時間的延長，含量均升高，當(dāng)超過70 min時含量有所下降；浸提時間在50～70 min，浸提效果較好，測定值較穩(wěn)定。因此，本文綜合三種離子的含量值，確定浸提時間為60 min。

圖2 浸提時間對浸提效果的影響

2.4 離子色譜條件的優(yōu)化

根據(jù)每種離子色譜柱的特性及各種離子的出峰時間和離子之間的相互干擾情況，本文采用Ion Pac CS12A型陽離子和Ion Pac AS19和Ion Pac AS11-HC型陰離子色譜柱，通過優(yōu)化淋洗液濃度和流速等色譜條件，得出最佳色譜條件：陽離子淋洗液為20 mmol/L的甲烷磺酸溶液，陰離子淋洗液為20 mmol/L的氫氧化鉀溶液，流速為1.0 mL/min，進(jìn)樣量為10 μL；檢測器為電導(dǎo)檢測器，檢測室溫度30℃，色譜圖見圖3。

圖3 陽離子Ion Pac CS12A和陰離子Ion Pac AS19離子分離色譜圖

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按1.4分析條件，進(jìn)行檢測，建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。平行測定12次樣品空白溶液，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差對應(yīng)濃度值作為其方法檢出限，各離子的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)與檢出限見表2。

表2 三種離子的線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)

2.6 方法的加標(biāo)回收率和精密度

表3 方法的加標(biāo)回收率

選取新鮮土壤樣品，分別添加三種不同含量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，平行測定6次，計算其回收率，確定方法的準(zhǔn)確度，詳見表3。3種離子的回收率在95%～100.8%之間，說明本方法具有很好的準(zhǔn)確度。同時新鮮土壤樣品重復(fù)分析檢測12次，計算各樣品分析值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD%)，按確定的測量方法進(jìn)行檢測，計算平均值及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD%，確定方法的精密度。土壤樣品檢測相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD%)為0.71%～4.82% ，均小于5%，精密度良好，詳見表4。

表4 方法的精密度

2.7 與標(biāo)準(zhǔn)方法比對

選擇新鮮土壤樣品編號1、2、和3，用本文采用的離子色譜法的檢測結(jié)果與分光度光法的檢測結(jié)果進(jìn)行比對，比對結(jié)果詳見表5。結(jié)果表明：兩種方法的測定結(jié)果基本一致，離子色譜法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)要優(yōu)于分光光度法；8件樣品分析結(jié)果的絕對偏差均小于絕對偏差允許限，全部滿足規(guī)范要求，本法的準(zhǔn)確度也得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。

表5 本法與分光光度法測定結(jié)果對比表

3 結(jié)論

本文有效解決了目前標(biāo)準(zhǔn)方法土壤中有效態(tài)氮分析各項缺點和不足，特別是在測試大批量樣品時，本方法可大大提高分析效率，降低成本，具有較強的實用性；是一種易于推廣的新型分析方法。