酸性氯酸鉀處理-水浴加熱全自動凱氏定氮儀測定土壤礦物中的固定態(tài)銨

劉敬上 陳慶芝 姜云軍*

(1.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 國土資源勘查中心,石家莊 050081;2．河北省地質(zhì)實驗測試中心,河北 保定 071051;3．河北省礦產(chǎn)資源與生態(tài)環(huán)境重點實驗室,河北 保定 071051)

土壤是人類賴以生產(chǎn)、生活和生存的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤的本質(zhì)特征是土壤肥力,即土壤具有培育植物的能力。氮素是植物營養(yǎng)中最重要的元素之一,是土壤肥力最重要的指標(biāo)。

固定態(tài)銨是指存在于2∶1型黏土礦物層,不能被中性鹽所替代出來的銨離子,是土壤中氮素的一種重要形態(tài)[1]。王華等[2-3]分別對土壤銨態(tài)氮的測定方法進(jìn)行了研究,20世紀(jì)50年代起,固定態(tài)銨是土壤氮庫的一個重要組成部分已逐步得到公認(rèn),我國對固定態(tài)銨的研究主要從20世紀(jì)80年代開始,研究人員對固定態(tài)銨的含量、來源、影響因素的相關(guān)性及測定方法進(jìn)行了比較多的研究[4-10]。在我國耕地土壤0～20 cm土體中,固定態(tài)銨的平均儲量約占全氮儲量15%[11]。固定態(tài)銨作為一種重要的潛在氮源,準(zhǔn)確測定其含量,對于認(rèn)識土壤肥力的形成機(jī)理、生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)和保障國家糧食安全具有十分重要的意義。研究人員對固定態(tài)銨前處理和測定方法進(jìn)行了研究,主要有蒸餾法[12]、加熱分解法[13]和氫氟酸法[14]。到目前為止還沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的測定方法,Silva-Bremner 測定方法應(yīng)用較廣泛[14]。該方法用KOBr-KOH 溶液去除土壤中有機(jī)氮化合物和可交換態(tài)銨,土壤殘渣經(jīng)0.5 mol/L KCl淋洗后,用5 mol/L HF和1 mol/L HCl 組成的混酸,振蕩24 h,然后蒸餾測定。Silva-Bremner法主要缺點:測試過程耗時過長,在較強(qiáng)的堿性氧化條件下造成黏土礦物邊緣的部分溶解,使原來固定在礦物邊緣的銨離子提前釋放,造成實際結(jié)果偏低[15],并且次溴酸鉀溶液的制備需要用到價格昂貴且危險性較大的液溴,配制過程需要冰水浴,過程繁瑣及要求比較嚴(yán)苛。李楠等[16]對檢測方法進(jìn)行了改進(jìn),將蒸餾滴定法改為納試劑分光光度法;張崇玉等[17]采用電熱板低溫加熱法代替24 h振蕩,解決了耗時問題,但不同廠家電熱板的控溫精度及實際溫度和顯示溫度的差異,造成結(jié)果精密度不盡如人意。

在上述方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),利用氯酸鉀-鹽酸溶液分解土壤中的有機(jī)氮,用水浴加熱法代替振蕩法,測試結(jié)果與Silva-Bremner法相比較,精密度、準(zhǔn)確度滿足要求。

1 實驗部分

1.1 主要儀器設(shè)備及試劑

海能K1100全自動凱氏定氮儀,湘儀 L-550離心機(jī)(5 000 r/min),北京永光明醫(yī)療儀器廠DZKW-D/S電熱恒溫水浴鍋(溫度波動±0.5 ℃)

氯酸鉀、鹽酸、氫氟酸、氯化鉀、硼酸、氫氧化鈉均為分析純,實驗用水為去離子水。

氯酸鉀(30 g/L)-鹽酸(10%)混合溶液(現(xiàn)用現(xiàn)配):3 g氯酸鉀溶于50 mL水,加入10 mL鹽酸,用水定容至100 mL。

氯化鉀溶液(0.5 mol/L):37.2 g氯化鉀溶于1 L水中,搖勻。

氫氟酸(5 mol/L)-鹽酸(1 mol/L)混合溶液:在盛有500 mL水的1 L聚乙烯量杯中,加入93 mL濃鹽酸和162 mL濃氫氟酸,用水定容1 L,搖勻。

硼酸溶液(20 g/L):20 g硼酸溶于1 L水中,搖勻。

氫氧化鈉溶液(10 mol/L):400 g氫氧化鈉溶于水中,稀釋至1 L,搖勻。

甲基紅(1 g/L)-溴甲酚綠(5 g/L)混合指示劑乙醇溶液:稱取0.1 g甲基紅和0.5 g溴甲酚綠溶于100 mL乙醇(95%)中,混勻。

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.01 mol/L):量取9 mL濃鹽酸于10 L試劑瓶中,加水至10 L,搖勻,用基準(zhǔn)無水碳酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定。

1.2 實驗方法

稱取1.0 g(精確至0.001 g)樣品于100 mL塑料離心管中,加20 mL氯酸鉀-鹽酸混合溶液,蓋好蓋子,搖勻,靜置2 h。加入60 mL沸水搖勻,放置過夜。于離心機(jī)上離心5 min,棄去上層清液。加60 mL氯化鉀(0.5 mol/L)溶液,振蕩,離心,棄去上清液,如此反復(fù)三次。在離心管中加5 mL氫氟酸(5 mol/L)-鹽酸(1 mol/L)溶液,在沸水浴上蒸干。將消解好的樣品移入自動定氮儀中,加堿蒸餾,用硼酸吸收,以溴甲酚綠為指示劑,用0.01 mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液變粉紅色為終點。隨同試樣做空白實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 全自動凱氏定氮儀工作參數(shù)的優(yōu)化

在自動蒸餾滴定前,每升硼酸吸收液加5 mL甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑。根據(jù)樣品前處理后的總酸度、固定態(tài)銨含量及樣品之間殘留影響,通過實驗,選定了儀器最佳工作參數(shù),見表1。

表1 自動定氮儀工作參數(shù)

2.2 氯酸鉀溶液濃度實驗

Silva-Bremner法中次溴酸鉀成品很難獲得,需要用價格昂貴的液溴配制。液溴具有強(qiáng)揮發(fā)、強(qiáng)刺激、強(qiáng)腐蝕的性質(zhì),是一種強(qiáng)氧化劑,使用安全性較差。氯酸鉀試劑比較穩(wěn)定且價格便宜,加入鹽酸溶液生成次氯酸,氧化性能比較強(qiáng),操作簡單,易于存放。固定鹽酸濃度10%,考察不同濃度的氯酸鉀溶液來氧化去除土壤中有機(jī)氮化合物。

稱取同一樣品1.0 g(精確至0.001 g)于100 mL塑料離心管中,加20 mL不同濃度的氯酸鉀-鹽酸溶液(固定鹽酸濃度10%),蓋好蓋子,搖勻,分別水浴加熱,以下同實驗方法。結(jié)果見表2。

表2 氯酸鉀濃度實驗

由實驗可知,當(dāng)氯酸鉀濃度達(dá)到2%時,固定態(tài)銨的含量趨于穩(wěn)定。為了反應(yīng)完全,選3%的氯酸鉀作為消解試劑。

2.3 氯酸鉀-鹽酸溶液的用量

稱取同一樣品1.0 g(精確至0.001 g)于100 mL塑料離心管中,加不同體積氯酸鉀-鹽酸混合溶液(3%～10%),以下同實驗方法操作。結(jié)果見表3。

表3 氯酸鉀-鹽酸溶液用量

由表3結(jié)果可以看出,氯酸鉀-鹽酸溶液用量小于15 mL時,固定態(tài)銨的結(jié)果偏高,可能與氧化有機(jī)氮不完全有關(guān);大于30 mL時,結(jié)果有偏低的趨勢。為了方法的有效完全性,選擇氯酸鉀-鹽酸溶液用量為20 mL。

2.4 水浴溫度與水浴時間的優(yōu)化

選用在70、80、90和100 ℃四種水浴溫度和0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 h 6種水浴時間,結(jié)果見表4。結(jié)果表明,隨著水浴溫度和水浴時間的增加,測定結(jié)果也逐漸增加,在90 ℃加熱4 h和100 ℃加熱1～3 h的測定結(jié)果與Silva-Bremner法結(jié)果相吻合。綜合考慮,實驗選擇100 ℃水浴加熱,水浴時間1.5～2 h。

表4 不同水浴溫度和時間固定態(tài)銨結(jié)果

2.5 兩種方法測定結(jié)果

根據(jù)固定態(tài)銨含量從低到高,分別選取了磚紅壤、暗棕壤、黑鈣土、黑土和白漿土五種不同類型的土壤樣品作為實驗樣品,分別以Silva-Bremner法和本方法測定樣品的固定態(tài)銨,每種樣品分別測試7遍,結(jié)果見表5。

表5 Silva-Bremner 法與本法固定態(tài)銨結(jié)果比較

2.6 數(shù)據(jù)分析

在方法比較中,通常采用測量參考物質(zhì)或有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來獲取正確度信息,也可通過加標(biāo)回收實驗,利用回收率驗證方法的正確度。但是,固定態(tài)銨沒有參考或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),也不能通過加標(biāo)回收來驗證方法的正確度,在這種情況下,通過數(shù)據(jù)分析,用統(tǒng)計學(xué)原理來評價方法的可靠性[18]。

2.6.1 離群值判斷

按照升序順序?qū)γ拷M結(jié)果進(jìn)行排序,已知每組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,測定次數(shù)為7,用格拉布斯(Grubbs)公式分別計算每組最小值和最大值的偏差(分別用G1和G7表示),結(jié)果見表6。取置信概率為95%,查格布拉斯臨界值表可知G0.95(7)=1.938。所有計算G值絕對值均小于G0.95(7)=1.938。因此,未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計離群值,即所有檢測結(jié)果無離群值。

表6 兩種測定方法統(tǒng)計學(xué)結(jié)果

2.6.2F檢驗

2.6.3t檢驗

取置信概率為95%,α=0.05,自由度f=7+7-2=12,查t分布表可知,t表=2.179。分別計算各組t值,結(jié)果見表6。t值均小于t表=2.179。可認(rèn)為本法的測量結(jié)果與Silva-Bremner 法之間無顯著性差異,比對實驗結(jié)果滿意,其正確性滿足要求。

3 結(jié)論

本文利用氯酸鉀-鹽酸溶液分解土壤中的有機(jī)氮,用100 ℃水浴加熱1.5～2 h代替振蕩法,測試結(jié)果與Silva-Bremner法相比較,用統(tǒng)計學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了評價,方法的精密度、準(zhǔn)確度滿足要求。