酸性氯酸钾处理-水浴加热全自动凯氏定氮仪测定土壤矿物中的固定态铵

刘敬上 陈庆芝 姜云军*

(1.河北省地质矿产勘查开发局 国土资源勘查中心,石家庄 050081;2．河北省地质实验测试中心,河北 保定 071051;3．河北省矿产资源与生态环境重点实验室,河北 保定 071051)

土壤是人类赖以生产、生活和生存的物质基础,土壤的本质特征是土壤肥力,即土壤具有培育植物的能力。氮素是植物营养中最重要的元素之一,是土壤肥力最重要的指标。

固定态铵是指存在于2∶1型黏土矿物层,不能被中性盐所替代出来的铵离子,是土壤中氮素的一种重要形态[1]。王华等[2-3]分别对土壤铵态氮的测定方法进行了研究,20世纪50年代起,固定态铵是土壤氮库的一个重要组成部分已逐步得到公认,我国对固定态铵的研究主要从20世纪80年代开始,研究人员对固定态铵的含量、来源、影响因素的相关性及测定方法进行了比较多的研究[4-10]。在我国耕地土壤0～20 cm土体中,固定态铵的平均储量约占全氮储量15%[11]。固定态铵作为一种重要的潜在氮源,准确测定其含量,对于认识土壤肥力的形成机理、生态系统氮循环和保障国家粮食安全具有十分重要的意义。研究人员对固定态铵前处理和测定方法进行了研究,主要有蒸馏法[12]、加热分解法[13]和氢氟酸法[14]。到目前为止还没有一种标准的测定方法,Silva-Bremner 测定方法应用较广泛[14]。该方法用KOBr-KOH 溶液去除土壤中有机氮化合物和可交换态铵,土壤残渣经0.5 mol/L KCl淋洗后,用5 mol/L HF和1 mol/L HCl 组成的混酸,振荡24 h,然后蒸馏测定。Silva-Bremner法主要缺点:测试过程耗时过长,在较强的碱性氧化条件下造成黏土矿物边缘的部分溶解,使原来固定在矿物边缘的铵离子提前释放,造成实际结果偏低[15],并且次溴酸钾溶液的制备需要用到价格昂贵且危险性较大的液溴,配制过程需要冰水浴,过程繁琐及要求比较严苛。李楠等[16]对检测方法进行了改进,将蒸馏滴定法改为纳试剂分光光度法;张崇玉等[17]采用电热板低温加热法代替24 h振荡,解决了耗时问题,但不同厂家电热板的控温精度及实际温度和显示温度的差异,造成结果精密度不尽如人意。

在上述方法的基础上进行了改进,利用氯酸钾-盐酸溶液分解土壤中的有机氮,用水浴加热法代替振荡法,测试结果与Silva-Bremner法相比较,精密度、准确度满足要求。

1 实验部分

1.1 主要仪器设备及试剂

海能K1100全自动凯氏定氮仪,湘仪 L-550离心机(5 000 r/min),北京永光明医疗仪器厂DZKW-D/S电热恒温水浴锅(温度波动±0.5 ℃)

氯酸钾、盐酸、氢氟酸、氯化钾、硼酸、氢氧化钠均为分析纯,实验用水为去离子水。

氯酸钾(30 g/L)-盐酸(10%)混合溶液(现用现配):3 g氯酸钾溶于50 mL水,加入10 mL盐酸,用水定容至100 mL。

氯化钾溶液(0.5 mol/L):37.2 g氯化钾溶于1 L水中,摇匀。

氢氟酸(5 mol/L)-盐酸(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浓盐酸和162 mL浓氢氟酸,用水定容1 L,摇匀。

硼酸溶液(20 g/L):20 g硼酸溶于1 L水中,摇匀。

氢氧化钠溶液(10 mol/L):400 g氢氧化钠溶于水中,稀释至1 L,摇匀。

甲基红(1 g/L)-溴甲酚绿(5 g/L)混合指示剂乙醇溶液:称取0.1 g甲基红和0.5 g溴甲酚绿溶于100 mL乙醇(95%)中,混匀。

盐酸标准溶液(0.01 mol/L):量取9 mL浓盐酸于10 L试剂瓶中,加水至10 L,摇匀,用基准无水碳酸钠标准溶液标定。

1.2 实验方法

称取1.0 g(精确至0.001 g)样品于100 mL塑料离心管中,加20 mL氯酸钾-盐酸混合溶液,盖好盖子,摇匀,静置2 h。加入60 mL沸水摇匀,放置过夜。于离心机上离心5 min,弃去上层清液。加60 mL氯化钾(0.5 mol/L)溶液,振荡,离心,弃去上清液,如此反复三次。在离心管中加5 mL氢氟酸(5 mol/L)-盐酸(1 mol/L)溶液,在沸水浴上蒸干。将消解好的样品移入自动定氮仪中,加碱蒸馏,用硼酸吸收,以溴甲酚绿为指示剂,用0.01 mol/L的盐酸标准溶液滴定至溶液变粉红色为终点。随同试样做空白实验。

2 结果与讨论

2.1 全自动凯氏定氮仪工作参数的优化

在自动蒸馏滴定前,每升硼酸吸收液加5 mL甲基红-溴甲酚绿混合指示剂。根据样品前处理后的总酸度、固定态铵含量及样品之间残留影响,通过实验,选定了仪器最佳工作参数,见表1。

表1 自动定氮仪工作参数

2.2 氯酸钾溶液浓度实验

Silva-Bremner法中次溴酸钾成品很难获得,需要用价格昂贵的液溴配制。液溴具有强挥发、强刺激、强腐蚀的性质,是一种强氧化剂,使用安全性较差。氯酸钾试剂比较稳定且价格便宜,加入盐酸溶液生成次氯酸,氧化性能比较强,操作简单,易于存放。固定盐酸浓度10%,考察不同浓度的氯酸钾溶液来氧化去除土壤中有机氮化合物。

称取同一样品1.0 g(精确至0.001 g)于100 mL塑料离心管中,加20 mL不同浓度的氯酸钾-盐酸溶液(固定盐酸浓度10%),盖好盖子,摇匀,分别水浴加热,以下同实验方法。结果见表2。

表2 氯酸钾浓度实验

由实验可知,当氯酸钾浓度达到2%时,固定态铵的含量趋于稳定。为了反应完全,选3%的氯酸钾作为消解试剂。

2.3 氯酸钾-盐酸溶液的用量

称取同一样品1.0 g(精确至0.001 g)于100 mL塑料离心管中,加不同体积氯酸钾-盐酸混合溶液(3%～10%),以下同实验方法操作。结果见表3。

表3 氯酸钾-盐酸溶液用量

由表3结果可以看出,氯酸钾-盐酸溶液用量小于15 mL时,固定态铵的结果偏高,可能与氧化有机氮不完全有关;大于30 mL时,结果有偏低的趋势。为了方法的有效完全性,选择氯酸钾-盐酸溶液用量为20 mL。

2.4 水浴温度与水浴时间的优化

选用在70、80、90和100 ℃四种水浴温度和0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 h 6种水浴时间,结果见表4。结果表明,随着水浴温度和水浴时间的增加,测定结果也逐渐增加,在90 ℃加热4 h和100 ℃加热1～3 h的测定结果与Silva-Bremner法结果相吻合。综合考虑,实验选择100 ℃水浴加热,水浴时间1.5～2 h。

表4 不同水浴温度和时间固定态铵结果

2.5 两种方法测定结果

根据固定态铵含量从低到高,分别选取了砖红壤、暗棕壤、黑钙土、黑土和白浆土五种不同类型的土壤样品作为实验样品,分别以Silva-Bremner法和本方法测定样品的固定态铵,每种样品分别测试7遍,结果见表5。

表5 Silva-Bremner 法与本法固定态铵结果比较

2.6 数据分析

在方法比较中,通常采用测量参考物质或有证标准物质来获取正确度信息,也可通过加标回收实验,利用回收率验证方法的正确度。但是,固定态铵没有参考或标准物质,也不能通过加标回收来验证方法的正确度,在这种情况下,通过数据分析,用统计学原理来评价方法的可靠性[18]。

2.6.1 离群值判断

按照升序顺序对每组结果进行排序,已知每组数据的平均值和标准偏差,测定次数为7,用格拉布斯(Grubbs)公式分别计算每组最小值和最大值的偏差(分别用G1和G7表示),结果见表6。取置信概率为95%,查格布拉斯临界值表可知G0.95(7)=1.938。所有计算G值绝对值均小于G0.95(7)=1.938。因此,未发现统计离群值,即所有检测结果无离群值。

表6 两种测定方法统计学结果

2.6.2F检验

2.6.3t检验

取置信概率为95%,α=0.05,自由度f=7+7-2=12,查t分布表可知,t表=2.179。分别计算各组t值,结果见表6。t值均小于t表=2.179。可认为本法的测量结果与Silva-Bremner 法之间无显著性差异,比对实验结果满意,其正确性满足要求。

3 结论

本文利用氯酸钾-盐酸溶液分解土壤中的有机氮,用100 ℃水浴加热1.5～2 h代替振荡法,测试结果与Silva-Bremner法相比较,用统计学方法对数据进行了评价,方法的精密度、准确度满足要求。