秦 琳，黃世群，仲伶俐，周 虹，趙 珊，向 冰，雷紹榮

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測(cè)試中心，四川 成都 610066）

氮素是作物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，在生命體乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都起著重要作用［1-2］。土壤中氮素總量反映著土壤氮循環(huán)的狀況，是衡量土壤基礎(chǔ)肥力、評(píng)價(jià)土壤資源的一項(xiàng)重要指標(biāo)［3］。土壤中氮素分為有機(jī)氮和無機(jī)氮，其中絕大部分為有機(jī)結(jié)合形態(tài)的氮，無機(jī)形態(tài)的氮一般僅占全氮的1%～5%［4］。土壤中全氮量的檢測(cè)是土壤分析的常規(guī)項(xiàng)目，掌握合理方法準(zhǔn)確測(cè)定出土壤中全氮的含量，對(duì)合理施用氮肥具有重要意義。

土壤中全氮的分析方法主要有凱氏定氮法、紅外光譜技術(shù)和杜馬斯燃燒法［5］。其中，凱氏定氮法是測(cè)定土壤中全氮的標(biāo)準(zhǔn)方法［6-8］，原理是試樣土壤在加催化劑的條件下用濃硫酸高溫消煮，將土壤中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+與硫酸結(jié)合為硫酸銨，通過氫氧化鈉強(qiáng)堿蒸餾出NH3，最后用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定NH3量來確定全氮含量。但其測(cè)得的氮并不包括NO2--N 和NO3--N，因一般土壤中NO2--N 和NO3--N 含量不超過全氮量的1%，故忽略不計(jì)。如遇含有顯著數(shù)量NO2--N 和NO3--N 的土壤，需要將樣品中的NO2--N 氧化為NO3--N，再用還原劑將NO3--N 還原為NH4+-N［9］。使用凱氏定氮法時(shí)，由于消煮時(shí)間過長(zhǎng)，操作過程繁瑣危險(xiǎn)，且需要大量化學(xué)試劑（如濃硫酸、氫氧化鈉溶液和硼酸溶液等），不僅加大了檢測(cè)成本，且嚴(yán)重污染環(huán)境，對(duì)實(shí)驗(yàn)員健康存在潛在危害［10-11］。相比之下，杜馬斯燃燒法具有環(huán)保、高效的優(yōu)勢(shì)，已被歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在多個(gè)行業(yè)采用［12-13］，其測(cè)定原理是試樣在純氧（≥99.99%）環(huán)境中高溫燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生混合氣體，其中的碳、硫等干擾氣體和鹽類被吸收管吸收，氮氧化物被全部還原成氮?dú)?，形成的氮?dú)鈿饬魍ㄟ^熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）進(jìn)行檢測(cè)得出試樣中的全氮含量［14］。與凱氏定氮法相比，杜馬斯燃燒法測(cè)得的氮轉(zhuǎn)化效率更高，全氮更完全［5］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用杜馬斯燃燒法測(cè)定土壤中全氮含量的文獻(xiàn)已有不少［15-19］。王忻昱等［15］采用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法分別對(duì)農(nóng)田、茶園、林地和草地土壤樣品的全氮含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法的檢測(cè)結(jié)果無明顯差異，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。張薇等［16］采用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法對(duì)10 種土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全氮含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明對(duì)于硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量較低的樣品，兩種方法均可采用；杜馬斯燃燒法更適用于大批量樣品的檢測(cè)；低氮含量的樣品采用凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果更加準(zhǔn)確。Dhaliwal 等［19］采用改進(jìn)的凱氏定氮法（水楊酸-硫代硫酸銨-硫酸來消煮土壤樣品）測(cè)定土壤的全氮含量（包含NO2--N 和NO3--N），但測(cè)定結(jié)果仍低于杜馬斯燃燒法的測(cè)定結(jié)果。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的測(cè)定土壤全氮含量的標(biāo)準(zhǔn)方法多采用的是凱氏定氮法［6-7，20］，僅在LY/T 1228-2015 森林土壤氮的測(cè)定中采用了元素分析儀法（杜馬斯燃燒法）?？梢?，杜馬斯燃燒法還沒有完全取代凱氏定氮法成為測(cè)定土壤全氮含量的標(biāo)準(zhǔn)方法，其測(cè)定結(jié)果與凱氏定氮法存在哪些差異，是急需探索的。

本試驗(yàn)將采用傳統(tǒng)的凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法對(duì)不同梯度全氮含量的土壤樣品（全氮含量梯度為0%～0.06%、0.06%～0.1%、0.1%～0.2%、0.2% ～0.3%、0.3% ～0.4%和0.4% ～0.5%） 進(jìn)行檢測(cè)，比較兩種方法在測(cè)定結(jié)果的精密度、準(zhǔn)確度及相關(guān)性和檢測(cè)成本方面的差異性，探討杜馬斯燃燒法用于土壤全氮檢測(cè)的可行性，以期為準(zhǔn)確快速測(cè)定土壤全氮含量提供方法參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

供試土壤樣品為6 組不同梯度全氮含量的土壤樣品（全氮含量梯度為0%～0.06%、0.06%～0.1%、0.1% ～0.2%、0.2% ～0.3%、0.3% ～0.4%和0.4%～0.5%），每個(gè)梯度10 個(gè)樣品，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（成都）提供；供試土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心研制，共4 份，分別為華北平原土壤（GBW07427）、四川盆地土壤（GBW07428）、新疆灰鈣土（GBW07459）和陜西黃綿土（GBW07460）。

所有的供試樣品需經(jīng)風(fēng)干，挑去石塊、塊莖等雜物，過2 mm 篩后進(jìn)一步研磨，使其全部通過0.149 mm 篩后裝入廣口瓶備用。供試土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均置于65 ℃干燥箱內(nèi)干燥24 h，待測(cè)。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

rapid MAX N EXCEED 型元素分析儀（德國(guó)Elementar 公司）；FOSS2400 全自動(dòng)凱氏定氮儀、消化爐（瑞典FOSS 公司）；AUY 220 電子天平（日本島津公司，精度為0.1 mg）。

1.2.2 試劑與氣體

濃硫酸；催化劑（K2SO4∶CuSO4·5H2O= 10∶1）；10 g·L-1硼酸溶液；400 g·L-1氫氧化鈉溶液；0.05 mol·L-1鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液（按照GB/T 601-2016《化學(xué)試劑 標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》規(guī)定配制并標(biāo)定）；0.1%甲基紅乙醇溶液；0.1%溴甲酚綠乙醇溶液；氧化銅和Pt 催化劑；ESA-REGAINER；氧化鋁；五氧化二磷；氧氣（純度≥99.99%）；氦氣（純度≥99.99%）；標(biāo)準(zhǔn)品：硫酸銨（N：21.21%，純度≥99.99%，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)）；天冬氨酸［N：10.52%，純度≥98%，SIGMA 公司生產(chǎn)］。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 凱氏定氮法

稱取待測(cè)樣品約1 g（準(zhǔn)確至0.000 1 g）于消化管中，加入5 g 催化劑（K2SO4∶CuSO4·5H2O=10∶1）和濃硫酸10 mL，搖勻，在消化爐上420℃消化約1 h，待消煮液呈亮綠色并澄清透明后，取下放冷，緩慢加入約20 mL 水。待液體冷卻后，置于FOSS2400 全自動(dòng)凱氏定氮儀上進(jìn)行加堿蒸餾3.5 min，將試樣中的氨通過冷凝由硼酸溶液直接吸收，并用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定硼酸吸收液，記錄鹽酸滴定體積，計(jì)算樣品中全氮含量。每個(gè)樣品做3 次重復(fù)測(cè)定，同時(shí)做5 份空白測(cè)定。稱取硫酸銨標(biāo)準(zhǔn)品20.0、30.0、40.0、50.0 和60.0 mg，進(jìn)行蒸餾滴定，得標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 杜馬斯燃燒法

采用rapid MAX N EXCEED 型元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。稱取待測(cè)樣品約1 g（準(zhǔn)確至0.000 1 g）于坩堝中，置于自動(dòng)進(jìn)樣盤內(nèi)，在燃燒爐溫度達(dá)900 ℃以上、次級(jí)燃燒管溫度達(dá)900 ℃以上、還原管溫度達(dá)600 ℃以上、氧氣（純度≥99.99%）壓力達(dá)0.25 MPa、氦氣（純度≥99.99%）壓力達(dá)0.38 MPa，儀器自動(dòng)進(jìn)樣檢測(cè)，加氧時(shí)間為120 s，加氧流速為300 mL·min-1。每個(gè)樣品做3 次重復(fù)測(cè)定，同時(shí)做5 份空白測(cè)定。稱取天冬氨酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)50.0、100.0、150.0、200.0 和250.0 mg，上機(jī)檢測(cè)，得標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用DPS 7.05 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較，采用Excel 2007 軟件進(jìn)行線性回歸分析，P＜0.05 認(rèn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法的精密度及質(zhì)量控制比較

凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量時(shí)，稱取不同質(zhì)量硫酸銨標(biāo)準(zhǔn)品，以稱樣量為橫坐標(biāo)、總氮含量為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線?？偟糠秶鸀?.11 ～12.5 mg，標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1）為y=0.210 4x-0.072，R2=0.999 8。采用杜馬斯燃燒法時(shí)，稱取天冬氨酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以總氮含量為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線?？偟糠秶鸀? ～25 mg，標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖2）為y=2 638.9x+299.3，R2=1。由此可見，兩種方法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)品時(shí)，方法穩(wěn)定，且回收率較高。

分別用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測(cè)定了4 份土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全氮含量，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定6 次，結(jié)果見表1。可看出，兩種方法測(cè)定結(jié)果都接近于真實(shí)值。比較兩種方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）和相對(duì)誤差（RE）值，可確定杜馬斯燃燒法精密度更高，且準(zhǔn)確度更好。

圖1 凱氏定氮法含氮量標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 杜馬斯燃燒法含氮量標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量結(jié)果分析

分別用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測(cè)定6 組不同梯度全氮含量的土壤樣品（全氮含量分別為0% ～0.06%、0.06% ～0.1%、0.1% ～0.2%、0.2% ～0.3%、0.3% ～0.4%和0.4% ～0.5%），每個(gè)梯度10 個(gè)樣品，結(jié)果見表2。6 組不同梯度全氮含量的土壤樣品，兩種方法的測(cè)定值之比（D/K）的范圍分別為0.692 ～0.965、0.940 ～1.104、0.993 ～1.079、0.995 ～1.058、1.008 ～1.057 和1.000 ～1.092。對(duì)于含氮量范圍為0%～0.06%的樣品，兩種方法的測(cè)定值間差異較大，凱氏定氮法的測(cè)定結(jié)果均高于杜馬斯燃燒法；含氮量范圍為0.06%～0.3%的樣品，兩種方法的測(cè)定結(jié)果表現(xiàn)出一致性；含氮量0.3 %～0.5 %的樣品，兩種方法間差異較大，杜馬斯燃燒法的測(cè)定結(jié)果均高于凱氏定氮法。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，可以看出含氮量范圍為0%～0.06%、0.3%～0.4%和0.4%～0.5%的30 個(gè)樣品中，有21 個(gè)樣品兩種方法的測(cè)定結(jié)果間存在顯著性差異?？梢姡煌康耐寥罉悠窇?yīng)選擇合適的方法才能保證其測(cè)定的準(zhǔn)確度。對(duì)于低氮含量（0%～0.06%）的土壤樣品，凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度更高，主要是因?yàn)楹繕O低的土壤中，其NO2--N 和NO3--N 含量一般也較低，半微量的凱氏法更加適用，與張薇等［16］的研究結(jié)果一致；其次，杜馬斯燃燒法測(cè)得的含氮量是通過換算樣品在燃燒后形成的氮?dú)鈿饬髁康姆迕娣e得出，當(dāng)樣品含氮量極低時(shí)，通過計(jì)算峰面積的積分值來換算含氮量，準(zhǔn)確度會(huì)降低。而對(duì)于含氮量（0.3% ～0.4%和0.4% ～0.5%）較高的土壤樣品，杜馬斯燃燒法的測(cè)定結(jié)果更加準(zhǔn)確，主要是因?yàn)槠錅y(cè)得的全氮包括了NO2--N 和NO3--N，全氮更完全，因而測(cè)定結(jié)果高于凱氏定氮法。

表1 凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測(cè)定4 份土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全氮含量（n=6） （%）

表2 凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測(cè)定土壤全氮含量

續(xù)表

由圖3 可看出，當(dāng)含氮量范圍為0%～0.06%時(shí)，杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)為0.00%～9.96%；當(dāng)含氮量大于0.06%時(shí)，其變異系數(shù)均小于5%，且大多數(shù)樣品測(cè)定值的變異系數(shù)比凱氏定氮法測(cè)定的低。而用凱氏定氮法對(duì)6 組不同梯度含氮量的土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)，其變異系數(shù)均小于5%。相比較而言，當(dāng)土壤樣品含氮量大于0.06%時(shí)，選用杜馬斯燃燒法進(jìn)行全氮含量檢測(cè)更為合適。

圖3 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量的變異系數(shù)

2.3 兩種方法的相關(guān)性分析

在對(duì)杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法測(cè)定土壤樣品的全氮含量進(jìn)行比較之后，對(duì)兩種方法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行分析。如圖4、5 所示，含氮量范圍為0%～0.06%的樣品，兩種方法的測(cè)定值之比（D/K）為0.692 ～0.965，且杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)為0.00%～9.96%，測(cè)定結(jié)果不穩(wěn)定，兩種方法的測(cè)定值間存在顯著的線性相關(guān)，但R2僅為0.904 9。含氮量大于0.06%的土壤樣品，兩種方法的測(cè)定結(jié)果間存在顯著的線性相關(guān)（R2=0.997 9）。

圖4 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量的相關(guān)關(guān)系（含氮量為0%～0.06%）

圖5 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量的相關(guān)關(guān)系（含氮量為0.06%～0.5%）

2.4 兩種方法的檢測(cè)成本對(duì)比

檢測(cè)成本是除精密度和準(zhǔn)確度之外，評(píng)價(jià)一項(xiàng)檢測(cè)方法可行性的重要指標(biāo)。因此，本文對(duì)兩種方法的檢測(cè)成本做了對(duì)比，分別對(duì)本試驗(yàn)中所有樣品和標(biāo)準(zhǔn)品所需的試劑、時(shí)間、人力成本和儀器成本，以及排廢情況等進(jìn)行比較（表3）。兩種方法的土壤樣品測(cè)定次數(shù)為60×3=180，標(biāo)準(zhǔn)品測(cè)定次數(shù)為4×6=24；凱氏定氮法的硫酸銨測(cè)定次數(shù)為5，杜馬斯燃燒法的天冬氨酸測(cè)定次數(shù)為5；空白測(cè)定次數(shù)為5。

表3 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的檢測(cè)成本比較

杜馬斯燃燒法檢測(cè)前僅需根據(jù)需要填充ESA REGAINER 和更換干燥劑后，稱樣就可上機(jī)檢測(cè)，且試劑耗材不用配制；而凱氏定氮法檢測(cè)前需要配制大量化學(xué)試劑，需要消煮樣品，且消煮過程繁瑣費(fèi)時(shí)，蒸餾滴定時(shí)使用的酸堿對(duì)試驗(yàn)人員和環(huán)境都有較大危害。由表3 可看出，完成本試驗(yàn)中所有樣品的檢測(cè)，杜馬斯燃燒法僅需22.3 h，且1 名實(shí)驗(yàn)員就可完成；而凱氏定氮法需45.7 h，需2 名實(shí)驗(yàn)員，時(shí)間、人力和耗電量都約是杜馬斯燃燒法的兩倍。雖然杜馬斯燃燒法儀器成本和試劑成本高于凱氏定氮法，但基于降低時(shí)間、人工成本和環(huán)保的角度來說，杜馬斯燃燒法更具有優(yōu)越性。

3 結(jié)論

杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測(cè)定土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全氮含量，兩種方法測(cè)定結(jié)果都接近于真實(shí)值。比較兩種方法的RSD 和RE 值，可確定杜馬斯燃燒法精密度更高，且準(zhǔn)確度更好；對(duì)于含氮量范圍為0%～0.06%的樣品，兩種方法的測(cè)定值之比（D/K）為0.692 ～0.965，且杜馬斯燃燒法測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)為0.00%～9.96%，測(cè)定結(jié)果不穩(wěn)定，兩種方法的測(cè)定值間存在顯著的線性相關(guān)，但R2僅為 0.904 9；而含氮量大于0.06%的樣品，兩種方法的測(cè)定結(jié)果表現(xiàn)出一致性，其測(cè)定值之比（D/K）為0.940 ～1.104，變異系數(shù)均小于5%，測(cè)定結(jié)果間存在顯著的線性相關(guān)（R2=0.997 9）。在檢測(cè)成本方面，完成本試驗(yàn)中所有樣品的檢測(cè)，杜馬斯燃燒法所需時(shí)間和人力都約是凱氏定氮法的1/2，上機(jī)檢測(cè)前，免去了消煮、配制試劑等諸多繁瑣程序。在環(huán)境保護(hù)方面，杜馬斯燃燒法不使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿，不污染環(huán)境，不危害人體健康，是一種環(huán)保、高效檢測(cè)方法。綜上所述，對(duì)于含氮量范圍為0%～0.06%的土壤樣品，凱氏定氮法的測(cè)定結(jié)果更接近于真實(shí)值，而對(duì)于含氮量大于0.06%的土壤樣品，杜馬斯燃燒法更加適用。