含硫酸脲復(fù)合肥料中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測(cè)定方法研究

季 敏，黃河清，楊 旭

(國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心〔上海〕 上海 200062)

世界各國的農(nóng)業(yè)施肥及灌溉實(shí)踐表明，為了使作物穩(wěn)定高產(chǎn)，作物在整個(gè)生長(zhǎng)期間都應(yīng)得到足夠的養(yǎng)分，特別是氮素養(yǎng)分[1-2]。我國單位面積施肥量是世界平均水平的3倍，但氮肥利用率僅為發(fā)達(dá)國家平均水平的50%左右。目前三大糧食作物對(duì)氮肥、磷肥和鉀肥的利用率分別為33%、24%、42%。復(fù)合肥料是最常用的肥料之一，所以提高復(fù)合肥料中氮的利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在含硫酸脲復(fù)合肥料的生產(chǎn)中[3-5]，硫酸脲是基礎(chǔ)生產(chǎn)原料。1934年Dalman[6]研究了CO(NH2)2-H2SO4-H2O三元系統(tǒng)相圖，提出尿素和硫酸可以形成不同組成的低溫共熔物，共熔點(diǎn)為10 ℃。在10 ℃和25 ℃的CO(NH2)2-H2SO4-H2O三元體系中，存在以下幾個(gè)區(qū)：不飽和溶液區(qū)；CO(NH2)2單相結(jié)晶區(qū)；H2SO4·2CO(NH2)2結(jié)晶區(qū)；CO(NH2)2·H2SO4結(jié)晶區(qū)；CO(NH2)2與H2SO4·2CO(NH2)2兩相區(qū)，表明硫酸與尿素可以形成共熔物。硫酸脲本身可以作為一種含氮、硫元素的酸性肥料來施用，其可以減輕土壤耕層中銨態(tài)氮的揮發(fā)，減少氮素的損失。大量研究表明施用硫酸脲效果要比單獨(dú)施用尿素好，比單獨(dú)施用硫酸銨更為安全。含硫酸脲復(fù)合肥料的出現(xiàn)，對(duì)提高養(yǎng)分綜合利用率、改良土壤、修復(fù)地力以及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理施肥都有著重要的意義，其市場(chǎng)前景十分廣闊。但是目前有關(guān)含硫酸脲復(fù)合肥料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未出臺(tái)，為規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對(duì)此類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)及緩釋特性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，為含硫酸脲復(fù)合肥料標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支持。

含硫酸脲復(fù)合肥料中主要氮素形態(tài)為CO(NH2)2-H2SO4共熔體，是一種混合物，包括CO(NH2)2單相結(jié)晶區(qū)、H2SO4·2CO(NH2)2結(jié)晶區(qū)、CO(NH2)2·H2SO4結(jié)晶區(qū)、CO(NH2)2與H2SO4·2CO(NH2)2兩相區(qū)等幾種形態(tài)，因此沒有相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，不適合用“硫酸脲”來表征。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，含腐殖酸和海藻酸肥料標(biāo)準(zhǔn)中用“氨揮發(fā)抑制率”[7]來表征該類肥料的特征，其定義為“表征含海藻酸類肥料減少氨揮發(fā)損失的功能性指標(biāo)。在脲酶(尿素酶)和氧化鎂的作用下尿素分解，釋放出的氨被硼酸溶液吸收，海藻酸類肥料和尿素消耗硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積的差值與后者的比值，以百分?jǐn)?shù)表示”。上述產(chǎn)品中氮素形態(tài)單一，主要成分為酰胺態(tài)氮，而含硫酸脲復(fù)合肥料中氮素形態(tài)較復(fù)雜，包括酰胺態(tài)氮、CO(NH2)2-H2SO4共熔體和銨態(tài)氮，用上述方法和指標(biāo)來測(cè)定和表征并不能充分反映含硫酸脲復(fù)合肥料產(chǎn)品的緩釋特性。綜上所述，采用“氨揮發(fā)氮占總氮的百分率”來表征含硫酸脲復(fù)合肥料的緩釋特性。

1 原理

產(chǎn)品的特征指標(biāo)為氨揮發(fā)氮占總氮的百分率，該指標(biāo)用于表征含硫酸脲復(fù)合肥料中氮素緩釋性能。肥料中的氮素形態(tài)除CO(NH2)2-H2SO4共熔體外，還與磷酸一銨、氯化鉀等原料反應(yīng)形成新的復(fù)鹽固溶體。該測(cè)定方法主要原理為酰胺態(tài)氮在尿素酶的作用下水解為銨態(tài)氮，試液中銨態(tài)氮濃度增加，酰胺態(tài)氮濃度降低，可以直接測(cè)定銨態(tài)氮的揮發(fā)量或酰胺態(tài)氮的損失量，即銨態(tài)氮的增加量等于酰胺態(tài)氮的損失量。在氧化鎂存在的條件下，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨釋放出來，用硼酸溶液吸收后，再用一定濃度的硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，從而得到氨揮發(fā)氮量。試液中的酰胺態(tài)氮與對(duì)二甲氨基苯甲醛發(fā)生定量反應(yīng)，用分光光度法在波長(zhǎng)430 nm處測(cè)定吸光度，可以計(jì)算出酰胺態(tài)氮的含量。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 尿素酶水解容量法測(cè)定氨揮發(fā)氮占總氮的百分率[8-9]

2.1.1 主要儀器和試劑

擴(kuò)散皿：外室內(nèi)徑90 mm、高度22 mm，內(nèi)室內(nèi)徑45 mm、高度14 mm。

恒溫箱：PYX-DHS-400BS型，可控溫度(40±1) ℃，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

尿素酶溶液：稱取0.500 g尿素酶，加10 mL水，用研缽研磨至糊狀，全部轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中，備用。

氧化鎂懸浮液：30 g/L。

硼酸溶液：20 g/L。

混合指示劑：0.099 g溴甲酚綠和0.066 g甲基紅溶解于100 mL 95%(體積分?jǐn)?shù)，下同)乙醇溶液中。

硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液：c(1/2H2SO4)=0.02 mol/L。

堿性甘油：向100 mL甘油中加入1 g氫氧化鈉，攪拌均勻后備用。

2.1.2 分析步驟

用研缽將樣品研磨至全部通過0.50 mm孔徑篩，混合均勻，置于潔凈、干燥容器中。

稱取試樣約1 g(精確至0.000 1 g)于燒杯中，加100 mL水溶解后，全部轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，定容，搖勻，靜置2 h后，備用。

移取5.00 mL試樣溶液的上清液于擴(kuò)散皿外室，加2 mL硼酸溶液于擴(kuò)散皿內(nèi)室，并滴加2滴混合指示劑，然后在擴(kuò)散皿外室邊緣涂上堿性甘油，蓋上毛玻璃，旋轉(zhuǎn)數(shù)次，使皿邊與毛玻璃完全黏合。移動(dòng)毛玻璃，通過邊緣的縫隙向擴(kuò)散皿外室加入2 mL尿素酶溶液，立即蓋嚴(yán)，隨后將擴(kuò)散皿置于(25±1) ℃恒溫箱中，培養(yǎng)20 min。

培養(yǎng)結(jié)束以后，小心取出擴(kuò)散皿，移動(dòng)毛玻璃，通過邊緣的縫隙向擴(kuò)散皿中加入5 mL氧化鎂懸浮液，立即蓋嚴(yán)，并用橡皮筋固定。隨后將擴(kuò)散皿置于(40±1) ℃恒溫箱中，繼續(xù)培養(yǎng)1 h以后取出。用硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定內(nèi)室硼酸溶液吸收的氨，當(dāng)溶液的顏色由藍(lán)綠色變?yōu)槲⒓t色時(shí)即為滴定終點(diǎn)。

在測(cè)定試樣的同時(shí)，不添加脲素酶溶液，按上述培養(yǎng)環(huán)境和測(cè)定步驟進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。

2.1.3 分析結(jié)果表述

氨揮發(fā)氮占總氮的百分率w的數(shù)值以%表示，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：V1——試樣測(cè)定時(shí)消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；

V0——對(duì)照試驗(yàn)消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；

c——硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度，mol/L；

14.01——氮的摩爾質(zhì)量，g/mol；

D——分取倍數(shù)(定容體積/分取體積)；

m——試樣的質(zhì)量，g；

N——試樣中總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

10——將g/kg換算為%的系數(shù)。

2.1.4 結(jié)果與討論

不同肥料中總氮及氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 不同肥料中總氮及氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測(cè)定結(jié)果(容量法)

從表1可以看出，普通復(fù)合肥料18-18-18中氨揮發(fā)氮占總氮的40.62%，表明普通復(fù)合肥料在脲素酶的作用下，尿素快速分解，酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。4種規(guī)格的含硫酸脲復(fù)合肥料中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率均低于標(biāo)準(zhǔn)值(20%)，表明在相同測(cè)試條件下，含硫酸脲復(fù)合肥料中的氨揮發(fā)氮釋放量整體下降，進(jìn)而氨揮發(fā)氮占總氮的百分率減小，從而體現(xiàn)出該類肥料氮素的緩釋性能，這可能是CO(NH2)2-H2SO4共熔體的作用。

對(duì)含硫酸脲復(fù)合肥料18-18-18進(jìn)行精密度測(cè)定，結(jié)果見表2。

由表2可知，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為8.76%，說明該方法具有較高的精密度。

表2 含硫酸脲復(fù)合肥料18-18-18的精密度測(cè)定結(jié)果(容量法)

2.2 尿素酶水解分光光度法測(cè)定氨揮發(fā)氮占總氮的百分率

2.2.1 主要儀器和試劑

分光光度計(jì)：UV-240型，日本島津制作所。

恒溫箱：同2.1.1。

尿素酶溶液：配制同2.1.1。

尿素標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取尿素(國家標(biāo)準(zhǔn)樣品)1.071 9 g于1 L容量瓶中，加水溶解后稀釋至刻度，此溶液中酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度為0.5 g/L。

對(duì)二甲氨基苯甲醛溶液：稱取20 g對(duì)二甲氨基苯甲醛，加入1 000 mL 95%乙醇，溶解后加入100 mL鹽酸混合，儲(chǔ)存于棕色瓶中，避光保存。

2.2.2 分析步驟

用研缽將樣品研磨至全部通過0.50 mm孔徑篩，混合均勻，置于潔凈、干燥容器中。

稱取試樣約1 g(精確至0.000 1 g)于燒杯中，加100 mL水溶解試樣，全部轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，定容，搖勻，靜置2 h后，備用。

移取5.00 mL試樣溶液的上清液置于100 mL容量瓶中，加入2 mL尿素酶溶液，搖勻，隨后在(25±1) ℃恒溫箱中培養(yǎng)20 min。培養(yǎng)結(jié)束后，將每個(gè)容量瓶用水稀釋至約50 mL，輕輕搖動(dòng)，分別加入20.0 mL對(duì)二甲氨基苯甲醛溶液，用水稀釋至刻度，充分搖勻后靜置10 min，以未加酰胺態(tài)氮的溶液為參比溶液，用1 cm比色皿在波長(zhǎng)430 nm處測(cè)定吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的線性回歸方程計(jì)算出酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度，換算出酰胺態(tài)氮的質(zhì)量。試液吸取量可根據(jù)樣品中酰胺態(tài)氮的含量進(jìn)行調(diào)整，使其處于標(biāo)準(zhǔn)曲線的最佳位置。

在測(cè)定試樣的同時(shí)，不添加脲素酶溶液，按上述培養(yǎng)環(huán)境和測(cè)定步驟進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。

2.2.3 分析結(jié)果表述

氨揮發(fā)氮占總氮的百分率w的數(shù)值以%表示，按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：ρ1——添加脲素酶后，查得溶液中酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度，g/L；

ρ0——未添加脲素酶，查得對(duì)照組溶液中酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度，g/L；

V2——顯色體積，100 mL。

2.2.4 結(jié)果與討論

(1)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

移取不同量的尿素標(biāo)準(zhǔn)溶液分別置于6個(gè)100 mL容量瓶中，均用水稀釋至約50 mL，按2.2.2分析步驟測(cè)定吸光度。以酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。每次測(cè)定均需制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

酰胺態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)定結(jié)果見表3，繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

表3 酰胺態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定結(jié)果

圖1 酰胺態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

(2)實(shí)際樣品的測(cè)定

按分光光度法測(cè)定樣品中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率，結(jié)果見表4，精密度的結(jié)果見表5。

表4 不同肥料中總氮及氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測(cè)定結(jié)果(分光光度法)

表5 含硫酸脲復(fù)合肥料18-18-18的精密度測(cè)定結(jié)果(分光光度法)

從表4可以看出，采用分光光度法測(cè)定得到的結(jié)果與容量法測(cè)定結(jié)果一致，含硫酸脲復(fù)合肥料中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率比普通復(fù)合肥料降低了57.82%～62.16%。

由表5可知，測(cè)定結(jié)果的RSD為5.27%，精密度高于容量法，說明該方法具有較高的精密度。另外，該方法所用設(shè)備均為實(shí)驗(yàn)室常用儀器，操作簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)，能滿足絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的要求，易于推廣應(yīng)用，建議該法作為仲裁法。

2.3 兩種測(cè)定方法的比較

分別采用上述兩種方法對(duì)5種肥料進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表6。

表6 兩種方法的測(cè)定結(jié)果

由表6可知，兩種方法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)偏差為0.08%～6.55%，未超過10%。

2.4 不同實(shí)驗(yàn)室間測(cè)定結(jié)果的分析

不同實(shí)驗(yàn)室分別采用容量法和分光光度法對(duì)兩種含硫酸脲復(fù)合肥料進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表7和表8。

由表7和表8可知，不同實(shí)驗(yàn)室采用容量法和分光光度法測(cè)定所得結(jié)果的RSD分別為13.9%～15.0%和3.9%～10.2%，均小于20%。

表7 不同實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定結(jié)果(容量法)

3 結(jié)語

分別采用尿素酶水解容量法和尿素酶水解分光光度法對(duì)含硫酸脲復(fù)合肥料樣品中的氨揮發(fā)氮占總氮的百分率進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明兩種方法測(cè)得的結(jié)果基本吻合，兩種方法間的相對(duì)偏差不超過10%，說明方法準(zhǔn)確可靠。分光光度法的精密度優(yōu)于容量法的，建議作為仲裁法。

表8 不同實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定結(jié)果(分光光度法)