杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法在肥料總氮測(cè)定中的比較

賈 斌，尚麗君，潘 潔，孫紅梅，王 穎，原二玎

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，河南 鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；3.溫縣產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，河南 溫縣 454850）

氮是作物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)作物的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程起著重要的作用[1-2]。肥料是作物獲取氮的主要來(lái)源，是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前市售的肥料中氮元素主要分為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、酰胺態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)氮。肥料中總氮含量的快速準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)肥料品質(zhì)鑒別、土地科學(xué)合理施肥有重要意義[3-4]。

肥料中總氮含量的測(cè)定方法主要有凱氏定氮法（蒸餾后滴定、全自動(dòng)定氮儀）、流動(dòng)分析儀和杜馬斯燃燒法等。凱氏定氮法因其儀器成本低、重復(fù)性好、精密度高，成為目前肥料總氮含量測(cè)定的主要方法[5-7]。凱氏定氮法需要根據(jù)不同形態(tài)的氮選用不同的前處理方法，將氮轉(zhuǎn)化為硫酸銨，之后用凱氏定氮儀自動(dòng)蒸餾滴定。采用凱氏定氮法測(cè)定肥料中總氮含量時(shí)，前處理過(guò)程過(guò)于繁瑣、消耗時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)試驗(yàn)人員要求較高，在檢測(cè)過(guò)程中使用大量的鉻粉、定氮合金、高濃度酸、堿等，會(huì)產(chǎn)生大量危害人體和環(huán)境的廢液、廢氣。其中，在測(cè)定含硝態(tài)氮的肥料時(shí)，需要先將硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮后才能進(jìn)行下一步處理，極易還原不完全，導(dǎo)致結(jié)果偏低且穩(wěn)定性差。與凱氏定氮法相比，杜馬斯燃燒法在測(cè)定肥料中總氮含量時(shí)，無(wú)需繁復(fù)的前處理，無(wú)論何種形態(tài)的氮都可直接進(jìn)樣檢測(cè)，快速、高效且無(wú)需消耗試劑，環(huán)境友好，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人和環(huán)境有害的廢液、廢氣。

目前，國(guó)內(nèi)已有部分關(guān)于杜馬斯燃燒法測(cè)定肥料總氮含量精密度、測(cè)定效率等[8-10]方面的研究。潘崇雙等[8]分別用杜馬斯燃燒法、凱氏定氮法測(cè)定復(fù)混肥料樣品中的總氮含量，結(jié)果表明，杜馬斯燃燒法能夠在高原條件下快速并準(zhǔn)確測(cè)定肥料中的總氮含量，其精密度、測(cè)定效率均優(yōu)于凱氏定氮法；皮向東等[9]應(yīng)用杜馬斯燃燒法對(duì)含不同形態(tài)氮的復(fù)混肥料總氮含量進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，其測(cè)定結(jié)果與國(guó)標(biāo)法比較，差異不顯著；劉蓉等[10]對(duì)質(zhì)控樣品以及6 種常見(jiàn)市售肥料總氮含量分別采用杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，杜馬斯燃燒法較凱氏定氮法具有更高的精密度和準(zhǔn)確度，且具有更加快捷、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。杜馬斯燃燒法也被列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水溶肥料總氮、磷、鉀含量的測(cè)定》（NY/T 1977—2010）、《中華人民共和國(guó)出入境檢驗(yàn)檢疫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)肥料中總氮含量的測(cè)定 燃燒分析法》（SN/T 3097—2012）。盡管如此，實(shí)際情況是多數(shù)試驗(yàn)依舊采用凱氏定氮法來(lái)測(cè)定肥料中的總氮含量，杜馬斯燃燒法并沒(méi)有替代凱氏定氮法成為最主要的總氮含量測(cè)定方法。鑒于此，擬采用杜馬斯燃燒法、凱氏定氮法2種方法對(duì)市面上常見(jiàn)的不同氮形態(tài)肥料進(jìn)行總氮含量測(cè)定，比較測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度以及不同形態(tài)氮肥料總氮含量測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性，并探討2 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為推動(dòng)杜馬斯燃燒法成為測(cè)定肥料總氮含量的主要方法提供多角度的令人信服的數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的20種含氮肥料作為試驗(yàn)樣本，包括4 種尿素氮肥、4 種有機(jī)肥料、6 種大量元素水溶肥料（含硝態(tài)氮和不含硝態(tài)氮）、6種復(fù)混肥料（含硝態(tài)氮和不含硝態(tài)氮）。固體樣品經(jīng)粉碎過(guò)0.25 mm篩后密封保存、待測(cè)。

1.2 儀器與試劑

儀器：FOSS 8400 全自動(dòng)定氮儀（福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司）；Gerhardt Dumatherm-DT 杜馬斯定氮儀（德國(guó)格哈特分析儀器有限公司）；16位高溫消化爐（福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司）；ME 204/02 電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；壓片機(jī)（德國(guó)格哈特分析儀器有限公司）。

試劑：GBW（E）100126 全麥粉（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）、GBW10013 黃豆（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）、硫酸銨基準(zhǔn)試劑（天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）、硝酸鈉基準(zhǔn)試劑（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、乙二胺四乙酸（EDTA）標(biāo)準(zhǔn)品（德國(guó)格哈特分析儀器有限公司）、鹽酸（蘇州晶瑞化學(xué)有限公司）、硫酸（蘇州晶瑞化學(xué)有限公司）、混合催化劑（福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司）、甲基紅指示劑（上海麥克林生化科技股份有限公司）、溴甲酚綠指示劑（上海麥克林生化科技股份有限公司）、還原鉻粉（北京福斯曼科技有限公司）、氮?dú)猓ā?9.99%，北京普萊克斯實(shí)用氣體有限公司）、氧氣（≥99.999%，北京普萊克斯實(shí)用氣體有限公司）、氦氣（≥99.999%，北京普萊克斯實(shí)用氣體有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 凱氏定氮法 樣品前處理按照《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水溶肥料總氮、磷、鉀含量的測(cè)定》（NY/T 1977—2010）中總氮含量測(cè)定的試樣處理過(guò)程進(jìn)行處理。樣品消解后用FOSS 8400全自動(dòng)定氮儀自動(dòng)蒸餾滴定，每個(gè)試樣做5次重復(fù)試驗(yàn)，同時(shí)做空白。

1.3.2 杜馬斯燃燒法 稱(chēng)取試樣0.1～0.2 g（精確到0.000 1 g），用無(wú)氮錫箔紙包裹后用壓片機(jī)壓片，放入樣品盤(pán)待測(cè)。液體樣品稱(chēng)入錫箔紙后加入一定量的無(wú)氮吸附劑，壓片待測(cè)。樣品采用Gerhardt Dumatherm-DT 杜馬斯定氮儀進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)試樣做5 次重復(fù)試驗(yàn)，同時(shí)做空白。樣品在燃燒管中充分燃燒氧化，生成的混合氣體經(jīng)由高溫銅粉還原、除雜、除水后僅剩氮?dú)猓ㄟ^(guò)熱導(dǎo)檢測(cè)器進(jìn)行定量。主要儀器條件：燃燒溫度980 ℃、還原溫度650 ℃、氧氣流量400 mL/min、氧氣因子1.2 mL/mg。

樣本氮含量差異較大，為保證杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，選取低氮含量的EDTA 標(biāo)準(zhǔn)品和高氮含量的硫酸銨基準(zhǔn)試劑分別稱(chēng)取質(zhì)量梯度（20～240 mg）做線性寬度不同的標(biāo)準(zhǔn)曲線，樣品測(cè)定時(shí)根據(jù)樣品氮含量的高低選取科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)曲線定值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2003 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行鄧肯氏單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的精密度和準(zhǔn)確度比較

采用杜馬斯燃燒法，稱(chēng)取一定質(zhì)量梯度的EDTA 標(biāo)準(zhǔn)品和硫酸銨基準(zhǔn)試劑做標(biāo)準(zhǔn)曲線，以氮質(zhì)量為橫坐標(biāo)、杜馬斯峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖1—2 所示。2 組標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)較高，R2均為0.999 9，具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。采用杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法分別測(cè)定4種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［GBW（E）100126 全麥粉、GBW10013 黃豆、硫酸銨基準(zhǔn)試劑、硝酸鈉基準(zhǔn)試劑］總氮含量，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，凱氏定氮法測(cè)定硝酸鈉基準(zhǔn)試劑的結(jié)果略低于真實(shí)含量（證書(shū)標(biāo)示值）；硫酸銨基準(zhǔn)試劑用2種方法測(cè)定的結(jié)果與其真實(shí)含量基本一致；其余2 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用2種方法測(cè)定的結(jié)果都在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)標(biāo)示值范圍內(nèi)，且精密度良好，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)需求，但杜馬斯燃燒法測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于凱氏定氮法，精密度更高。

表1 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及基準(zhǔn)試劑的測(cè)定結(jié)果Tab.1 Results of Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method for standard substance and reference regent

圖1 杜馬斯燃燒法測(cè)定EDTA的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve for EDTA determination by Dumas combustion method

圖2 杜馬斯燃燒法測(cè)定硫酸銨的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve for determination of ammonium sulfate by Dumas combustion method

2.2 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的測(cè)定結(jié)果分析

分別采用杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定4組不同類(lèi)型肥料共20個(gè)樣品的總氮含量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可見(jiàn)，杜馬斯燃燒法（D）測(cè)定的20 個(gè)樣品的總氮含量為1.24%～46.52%，凱氏定氮法（K）測(cè)定的總氮含量為1.18%～46.23%；杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法的測(cè)定結(jié)果比值（D/K）為0.991～1.069，測(cè)量差值（D-K）為-0.17%～0.85%。對(duì)大多數(shù)樣品而言，杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果略高于凱氏定氮法，但不存在顯著性差異。

表2 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定肥料中總氮含量結(jié)果Tab.2 Results of Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method for total nitrogen content in fertilizer

對(duì)于尿素氮肥，杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）略高于凱氏定氮法，這可能是尿素氮含量較高、受杜馬斯定氮儀進(jìn)樣量限制所致，凱氏定氮法稱(chēng)取的樣品量是杜馬斯燃燒法的3～5 倍，由稱(chēng)樣量和樣品均勻性引入的誤差較小。因此，對(duì)于氮含量較高的肥料樣品，凱氏定氮法的精密度更好一些。2 種方法對(duì)有機(jī)肥料總氮含量的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有顯著性差異，但凱氏定氮法的RSD明顯高于杜馬斯燃燒法，這可能是凱氏定氮法有機(jī)肥料繁瑣的前處理過(guò)程所導(dǎo)致的。有機(jī)肥料中含大量的有機(jī)成分，杜馬斯定氮儀可通過(guò)近千度的高溫迅速灰化樣品，形成氮氧物氣體進(jìn)入檢測(cè)器，而凱氏定氮法消化劑硫酸所提供的消化環(huán)境只有400 ℃左右，且操作復(fù)雜，極易引入誤差。

本研究中，大量元素水溶肥料和復(fù)混肥料氮含量跨度較大，介于8.75%～24.01%。對(duì)于不含硝態(tài)氮的樣品，2種測(cè)定方法的測(cè)定值不存在顯著性差異；對(duì)于含硝態(tài)氮的樣品，2 種方法的測(cè)定值表現(xiàn)出了顯著性差異。杜馬斯燃燒法的測(cè)定結(jié)果更接近真實(shí)含量，且重復(fù)性良好。凱氏定氮法的測(cè)定值偏低，且重復(fù)性較差，主要原因包括以下幾個(gè)方面：一是肥料消化過(guò)程中會(huì)加入鉻粉或定氮合金將硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮，還原效率往往達(dá)不到100%，硝態(tài)氮不能被完全還原，高溫消解時(shí)部分未還原的硝態(tài)氮逸出；二是還原過(guò)程中電爐溫度不易控制，硝態(tài)氮含量較高的肥料其硝態(tài)氮易逸出；三是硫酸消解過(guò)程中大量的催化劑極易結(jié)塊，引起爆沸，導(dǎo)致氮損失。

2.3 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的相關(guān)性分析

對(duì)2 種方法測(cè)定20 組不同肥料中總氮含量的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，以杜馬斯燃燒法測(cè)定值為橫坐標(biāo)，以凱氏定氮法測(cè)定值為縱坐標(biāo)作圖，具體見(jiàn)圖3。對(duì)不含硝態(tài)氮和含硝態(tài)氮的肥料分別做相關(guān)性分析，具體見(jiàn)圖4、圖5。以2 種方法的測(cè)定值為橫坐標(biāo)，以測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為縱坐標(biāo)作圖，具體見(jiàn)圖6。如圖3 所示，R2=0.999 6，2 種方法的結(jié)果存在明顯的線性相關(guān)。由圖4 和圖5 可知，不含硝態(tài)氮的肥料2種方法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)系數(shù)更接近1（R2=0.999 9），含硝態(tài)氮的肥料2 種方法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，為0.998 5。表明硝態(tài)氮是造成2種方法測(cè)定肥料總氮含量時(shí)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因。凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果的RSD為0.1%～4.5%，杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果的RSD為0.1%～2.1%（表2），結(jié)合圖6 可知，對(duì)于不同成分的肥料，杜馬斯燃燒法的測(cè)量結(jié)果有良好的重復(fù)性，凱氏定氮法對(duì)于含硝態(tài)氮肥料的測(cè)定有一定劣勢(shì)，更適合高含氮量的尿素總氮含量的測(cè)定。

圖3 20種肥料杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性Fig.3 Correlation between the results of 20 fertilizers determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

圖4 不含硝態(tài)氮肥料杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性Fig.4 Correlation between the results of fertilizers without nitrate nitrogen determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

圖5 含硝態(tài)氮肥料杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性Fig.5 Correlation between the results of nitrogencontaining fertilizers determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

圖6 2種方法測(cè)定結(jié)果的RSD分析Fig.6 RSD analysis of the results of two methods

2.4 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的優(yōu)缺點(diǎn)

2.4.1 杜馬斯燃燒法 杜馬斯燃燒法測(cè)定肥料中總氮含量具有高效、快速、無(wú)需前處理操作、直接進(jìn)樣等優(yōu)勢(shì)，且杜馬斯定氮儀自動(dòng)化程度較高，對(duì)檢測(cè)人員操作沒(méi)有過(guò)高要求，檢測(cè)人員編輯完成進(jìn)樣程序后可自主完成檢測(cè)任務(wù)；可以進(jìn)行連續(xù)分析測(cè)試，對(duì)大批次樣品更具優(yōu)勢(shì)；對(duì)環(huán)境友好，在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的廢液、廢氣，安全性高。

杜馬斯燃燒法進(jìn)樣量較小，因此對(duì)樣品的細(xì)度和均勻性有更高要求；儀器需要升至近千度的高溫，檢測(cè)完成關(guān)機(jī)時(shí)要降溫至500 ℃以下的安全溫度，對(duì)于單個(gè)樣品或極少樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)檢測(cè)成本和平均時(shí)耗略高于凱氏定氮法。

2.4.2 凱氏定氮法 凱氏定氮法對(duì)于少量樣品的檢測(cè)成本較低，對(duì)于液體和固體樣品的稱(chēng)樣質(zhì)量和樣品細(xì)度要求相對(duì)更低。

凱氏定氮法的應(yīng)用較為廣泛，但在測(cè)定肥料時(shí)需要根據(jù)不同類(lèi)型的肥料進(jìn)行不同的前處理，操作繁瑣、容易引入誤差，對(duì)檢測(cè)人員有較高的要求；對(duì)于大批量樣品的檢測(cè)，耗時(shí)較長(zhǎng)、檢測(cè)效率低；在前處理和檢測(cè)過(guò)程中會(huì)使用大量的高濃度酸堿，并產(chǎn)生大量廢液，對(duì)環(huán)境和人體危害性較大。

3 結(jié)論與討論

凱氏定氮法作為經(jīng)典的定氮方法，廣泛應(yīng)用在食品、飼料、土壤、肥料等的分析測(cè)試中[11-13]。對(duì)于肥料總氮含量的測(cè)定，部分研究表明，凱氏定氮法可以達(dá)到試驗(yàn)要求的準(zhǔn)確度、精密度[14-16]，但前處理過(guò)程過(guò)于繁瑣，還原和消化過(guò)程用到的圓底燒瓶容易受熱不均，出現(xiàn)消化爆沸和樣品板結(jié)的情況，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度；在含硝態(tài)氮肥料的前處理過(guò)程中，鎘粉沉積、還原效率低，導(dǎo)致凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果偏低。由于杜馬斯燃燒法的原理不同，無(wú)需冗雜的前處理過(guò)程，人為引入的誤差較小，測(cè)定結(jié)果更為精確；對(duì)于大批次的樣品檢測(cè)，凱氏定氮法的自動(dòng)化程度較低，而杜馬斯定氮儀可固體自動(dòng)進(jìn)樣，大大提高了檢測(cè)效率[17-20]。

本研究分類(lèi)對(duì)比了2種方法對(duì)不同類(lèi)型肥料總氮含量的測(cè)定結(jié)果，為不同類(lèi)型肥料中總氮含量的測(cè)定提供方法選擇依據(jù)。結(jié)果表明，在不受硝態(tài)氮影響的情況下，杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法在測(cè)定不同類(lèi)型肥料中總氮含量時(shí)，其測(cè)定結(jié)果差異不顯著，且精密度和準(zhǔn)確度都能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范食品理化檢測(cè)》（GB/T 27404—2008）和《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)分析方法驗(yàn)證通則》（GB 5009.295—2023）的檢測(cè)要求，但杜馬斯燃燒法的精密度更好；在測(cè)定高氮含量尿素肥料時(shí)，受進(jìn)樣量所限，杜馬斯燃燒法精密度略低于凱氏定氮法；對(duì)于含硝態(tài)氮的肥料，2種方法的測(cè)定結(jié)果差異顯著，杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度更好。綜合考慮環(huán)境友好度、工作效率、試驗(yàn)成本等因素，杜馬斯燃燒法更適用于肥料總氮含量的測(cè)定。