塑料擴(kuò)散皿在土壤水解性氮測(cè)定中的應(yīng)用

周 劍

(福建省地質(zhì)測(cè)試研究中心，福州，350002)

土壤中水解性氮，也稱有效氮，是土壤中容易被植物吸收利用的氮，是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的重要營(yíng)養(yǎng)元素。通常是土壤中無(wú)機(jī)氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)和有機(jī)物里簡(jiǎn)單容易分解氮的總和[1]。 同土壤中的速效鉀，有效磷一樣，是生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)等項(xiàng)目的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

水解性氮的測(cè)定方法主要有生物培養(yǎng)法、堿解擴(kuò)散法、堿解蒸餾法和酸水解法等[2]，目前國(guó)內(nèi)通用的水解性氮檢測(cè)方法，大多數(shù)是按照森林土壤分析方法標(biāo)準(zhǔn)采用土壤堿解擴(kuò)散-硼酸溶液吸收-酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定的檢測(cè)方式[3]。為使堿解出來(lái)的氨氣能全部被硼酸吸收，關(guān)鍵在于要保證器皿的氣密性。傳統(tǒng)的玻璃擴(kuò)散皿采取涂抹堿性膠液，捆扎橡皮筋等方式來(lái)達(dá)到密封的效果。但這些步驟繁瑣復(fù)雜，容易在操作過(guò)程中污染樣品，造成返工,增加了測(cè)定成本[4]。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，現(xiàn)在有的實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始應(yīng)用不同類型的塑料密封盒或擴(kuò)散皿進(jìn)行堿解氮測(cè)定[5]，但普通型塑料擴(kuò)散皿多是在材質(zhì)上進(jìn)行簡(jiǎn)單替換而沒(méi)有改變傳統(tǒng)的構(gòu)造，密封過(guò)程仍需涂抹膠液及捆扎密封帶。另外改用塑料擴(kuò)散皿后在實(shí)際測(cè)定中的使用效果，塑料擴(kuò)散皿在使用多久后能繼續(xù)保持氣密性能的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，針對(duì)這些方面的問(wèn)題進(jìn)行研究，使用一種國(guó)家專利的新型緊固密封塑料擴(kuò)散皿進(jìn)行操作[6]，檢測(cè)結(jié)果既保證了測(cè)定準(zhǔn)確性又簡(jiǎn)化操作流程，有效提高工作效率。

1 試劑與主要儀器

1.1 試劑

氫氧化鈉溶液(1.8 mol/L)：將72.0 g氫氧化鈉(分析純)溶于700 mL水，冷卻后定容至1 L。

鋅-硫酸亞鐵還原劑：將磨細(xì)并通過(guò)0.25 mm(60目)篩孔的硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O,分析純)粉末與鋅粉(Zn，分析純)按5∶1的質(zhì)量比進(jìn)行混勻。

甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑：在瑪瑙研缽中將0.50 g溴甲酚綠(C21H14Br4O5S)及0.10g甲基紅(C15H15N3O2)研細(xì)，加少量95%乙醇(C2H5OH)研磨至全部溶解后用95%乙醇定容到100 mL容量瓶。

硼酸-指示劑溶液：1升20g/L硼酸溶液(20.0 g硼酸溶于1L水中)中加5.0 mL甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑混勻，并用稀堿調(diào)節(jié)至紅紫色(pH≈4.5)。

0.01 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：將準(zhǔn)確標(biāo)定過(guò)的0.1 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，用煮沸并冷卻的水準(zhǔn)確稀釋10倍成0.01 mol/L 鹽酸溶液使用。

1.2 主要儀器

電子天平(感量0.01g)，可調(diào)定量加液器(1～5 mL)，移液槍(量程10.0 mL)，恒溫箱；新型緊固密封塑料擴(kuò)散皿(圖1)，上蓋體通過(guò)緊固結(jié)構(gòu)密封連接在皿體上,緊固結(jié)構(gòu)包括設(shè)在蓋體邊緣的“L”型緊固扣, 皿體側(cè)壁上端間隔設(shè)有四段逐漸增厚的外翻沿,緊固扣的彎折段的上側(cè)面與外翻沿下側(cè)面接觸配合而形成緊固面。上蓋與皿體連接時(shí),順時(shí)針旋擰蓋體,蓋體越擰越緊,在硅膠密封圈作用下達(dá)到密封的效果，當(dāng)蓋體擰不動(dòng)時(shí)即完成上蓋與皿體的密封連接；擴(kuò)散吸收完成后,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)蓋體使緊固扣退回到缺口處即可打開(kāi)上蓋；上蓋對(duì)應(yīng)外室處設(shè)有帶硅膠塞的加液小孔，可在緊固密封完成后再加入堿液，減少氨氣逃逸。

圖1 緊固密封式塑料擴(kuò)散皿Fig.1 fastening sealed plastic diffusion dish

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

準(zhǔn)確稱取2.00 g風(fēng)干土樣(過(guò)2 mm孔篩)，將其均勻地平鋪于塑料擴(kuò)散皿外室，再稱取1g鋅-硫酸亞鐵還原劑均勻分散在土樣上(水稻土等潛育土壤可以不加)。用可調(diào)定量加液器在擴(kuò)散皿內(nèi)室加入3.0 mL硼酸硼酸-劑溶液指示劑溶液， 蓋好擴(kuò)散皿上蓋按順時(shí)針?lè)较蛐o卡扣。用移液槍吸取10.0 mL的1.8 mol/L氫氧化鈉溶液，然后通過(guò)上蓋加液孔緩慢加入擴(kuò)散皿外室，加完后立即用硅膠塞塞緊加液孔。小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散皿，使加入的氫氧化鈉溶液與土樣及還原劑充分混合。放入恒溫箱中，于(40±1)℃下保溫24 h，恒溫期間需轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散皿3次使堿解擴(kuò)散完全。滴定時(shí)，逆時(shí)針?lè)较蛐_(kāi)擴(kuò)散皿上蓋，用0.01 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液來(lái)滴定內(nèi)室中的硼酸吸收液，當(dāng)指示劑顏色由藍(lán)色變成紫紅時(shí)為滴定終點(diǎn)。同時(shí)隨樣品同步驟做空白試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精密度

為驗(yàn)證緊固式塑料擴(kuò)散皿測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度，選取不同地區(qū)、不同土壤性質(zhì)、不同含量范圍的8個(gè)土壤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行水解性氮測(cè)試，每個(gè)標(biāo)物平行測(cè)定7次(表1)。由測(cè)定結(jié)果可見(jiàn)，測(cè)定平均值與土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值的絕對(duì)偏差在0.72～1.26 mg/kg，符合規(guī)定允許偏差要求[3]，說(shuō)明緊固密封擴(kuò)散皿可以用于土壤中水解性氮的測(cè)試。7次測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差在 0.86～3.50 mg/kg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在1.42%～2.71%。說(shuō)明使用塑料擴(kuò)散皿進(jìn)行土壤水解性氮測(cè)試具有良好準(zhǔn)確度和精密度。

表1 不同區(qū)域類型土壤樣標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 與玻璃擴(kuò)散皿進(jìn)行比對(duì)

選取福建省6個(gè)不同區(qū)域類型的土壤樣品，使用玻璃擴(kuò)散皿按原方法和塑料擴(kuò)散皿試驗(yàn)分別進(jìn)行7次測(cè)定(表2)，測(cè)定結(jié)果可見(jiàn)，2種方法的樣品測(cè)定平均值基本一致，但塑料擴(kuò)散皿的標(biāo)準(zhǔn)偏差在 0.73～3.04 mg/kg，RSD在1.32%～2.8%，玻璃擴(kuò)散皿的標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.15～4.10 mg/kg，RSD在2.21%～4.06%。對(duì)比結(jié)果表明使用塑料擴(kuò)散皿測(cè)定的精密度優(yōu)于比使用玻璃擴(kuò)散皿的原方法。

2.3 使用耐久性試驗(yàn)

為驗(yàn)證經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后塑料擴(kuò)散皿的密封性能，隨機(jī)挑選16個(gè)塑料擴(kuò)散皿做標(biāo)記，每隔一定使用次數(shù)，來(lái)測(cè)定GBW07458和GBW07461 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，每個(gè)標(biāo)物平行測(cè)定7次，余下2個(gè)同時(shí)做空白試驗(yàn)。在時(shí)間跨度約18個(gè)月110次使用的試驗(yàn)結(jié)果中，空白樣品均未出現(xiàn)吸收液變色等污染現(xiàn)象(表3)。結(jié)果表明，在經(jīng)過(guò)110次的使用時(shí)，標(biāo)物測(cè)定平均值與推薦值的絕對(duì)偏差在允許范圍內(nèi)，擴(kuò)散皿氣密性可達(dá)到使用要求。但在100次測(cè)定結(jié)果中，出現(xiàn)一次GBW07461的測(cè)定值低于標(biāo)準(zhǔn)值的差值略超最大允許偏差范圍，且80～110次的測(cè)定平均值呈緩慢下降趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)偏差和RSD則呈變大趨勢(shì)，可能與塑料材質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間使用后老化及硅膠密封圈磨損造成氣密性下降有關(guān)。

表2 不同區(qū)域類型土壤樣2種方法對(duì)比結(jié)果

表3 使用耐久性試驗(yàn)

3 討論

(1)原方法使用的玻璃擴(kuò)散皿涂抹堿性膠液等過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí)，容易污染，需要重新清潔內(nèi)室更換吸收液。滴定時(shí)，毛玻璃上面冷凝產(chǎn)生的液滴會(huì)混雜堿性膠液在揭開(kāi)時(shí)滴入內(nèi)室，影響測(cè)定。玻璃擴(kuò)散皿由于各廠家制造工藝水平良莠不齊，常存在規(guī)格、質(zhì)量不一等問(wèn)題，從而影響樣品的檢測(cè)。如：內(nèi)外室的高度差不夠，捆扎橡皮筋時(shí)的晃動(dòng)易使外室加入的堿液濺入內(nèi)室；內(nèi)外室間隔圈存在肉眼不易察覺(jué)的小裂隙，導(dǎo)致外室的堿液緩慢滲入內(nèi)室，造成結(jié)果偏高；皿體頂部邊緣不平整，涂抹完堿性膠液后與毛玻璃間仍存在縫隙，造成氨氣泄漏，使結(jié)果偏低。另外，玻璃材質(zhì)清洗不方便且容易破損，使用幾次后皿體就易出現(xiàn)裂紋，需要經(jīng)常淘汰更換，增加測(cè)定成本。

(2)新型緊固式塑料擴(kuò)散皿產(chǎn)品具有國(guó)家專利，采用同一模具進(jìn)行加工，擴(kuò)散皿規(guī)格大小統(tǒng)一，內(nèi)外室深度夠，可以承受較大幅度的晃動(dòng)而不發(fā)生污染。制造原料為聚丙烯塑料，重量輕，耐酸堿腐蝕、耐磨耐摔。氣密性好，帶有特殊設(shè)計(jì)的緊固裝置，無(wú)需另外涂抹堿性膠液和扎捆橡皮筋固定，可節(jié)省大量時(shí)間。硅膠密封圈彈性大，可承受數(shù)十次的使用仍保持很好的氣密性。上蓋帶有加液小孔，外室加完堿液后可立即塞緊硅膠塞，防止氨氣逃逸。檢測(cè)過(guò)程樣品及吸收液狀態(tài)清晰可見(jiàn)，檢測(cè)結(jié)束后器皿清洗方便。

(3)此次測(cè)定，雖然水解性氮是低溫加熱，但塑料材質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)加熱使用后存在老化變形造成氣密性下降的可能。從測(cè)定結(jié)果看，為保證測(cè)試質(zhì)量，可在使用近百次時(shí)將擴(kuò)散皿進(jìn)行汰換；如要繼續(xù)使用則要加大平行樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的檢測(cè)數(shù)量，防止產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果。

4 結(jié)論

此次測(cè)定改用一種新型緊固式密封塑料擴(kuò)散皿代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃擴(kuò)散皿進(jìn)行堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤中水解性氮，通過(guò)對(duì)8個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和6個(gè)福建不同地區(qū)不同的類型土壤樣品的測(cè)定，結(jié)果表明使用塑料擴(kuò)散皿在樣品檢測(cè)中具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，穩(wěn)定性更好，能適用于不同類型土壤的檢測(cè)；經(jīng)過(guò)18個(gè)月110次使用后的測(cè)定結(jié)果表明其有足夠的耐久性，能承受實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)度使用。并能有效的縮短測(cè)定流程，降低返工率，提高工作效率，降低實(shí)驗(yàn)室成本。