季 敏，黃河清，楊 旭

(國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心〔上?！?上海 200062)

世界各國的農(nóng)業(yè)施肥及灌溉實踐表明，為了使作物穩(wěn)定高產(chǎn)，作物在整個生長期間都應得到足夠的養(yǎng)分，特別是氮素養(yǎng)分[1-2]。我國單位面積施肥量是世界平均水平的3倍，但氮肥利用率僅為發(fā)達國家平均水平的50%左右。目前三大糧食作物對氮肥、磷肥和鉀肥的利用率分別為33%、24%、42%。復合肥料是最常用的肥料之一，所以提高復合肥料中氮的利用率具有重要的現(xiàn)實意義。

在含硫酸脲復合肥料的生產(chǎn)中[3-5]，硫酸脲是基礎(chǔ)生產(chǎn)原料。1934年Dalman[6]研究了CO(NH2)2-H2SO4-H2O三元系統(tǒng)相圖，提出尿素和硫酸可以形成不同組成的低溫共熔物，共熔點為10 ℃。在10 ℃和25 ℃的CO(NH2)2-H2SO4-H2O三元體系中，存在以下幾個區(qū)：不飽和溶液區(qū)；CO(NH2)2單相結(jié)晶區(qū)；H2SO4·2CO(NH2)2結(jié)晶區(qū)；CO(NH2)2·H2SO4結(jié)晶區(qū)；CO(NH2)2與H2SO4·2CO(NH2)2兩相區(qū)，表明硫酸與尿素可以形成共熔物。硫酸脲本身可以作為一種含氮、硫元素的酸性肥料來施用，其可以減輕土壤耕層中銨態(tài)氮的揮發(fā)，減少氮素的損失。大量研究表明施用硫酸脲效果要比單獨施用尿素好，比單獨施用硫酸銨更為安全。含硫酸脲復合肥料的出現(xiàn)，對提高養(yǎng)分綜合利用率、改良土壤、修復地力以及進一步實現(xiàn)科學合理施肥都有著重要的意義，其市場前景十分廣闊。但是目前有關(guān)含硫酸脲復合肥料的相關(guān)標準還未出臺，為規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對此類產(chǎn)品的技術(shù)指標及緩釋特性進行評價研究，為含硫酸脲復合肥料標準的制定提供技術(shù)支持。

含硫酸脲復合肥料中主要氮素形態(tài)為CO(NH2)2-H2SO4共熔體，是一種混合物，包括CO(NH2)2單相結(jié)晶區(qū)、H2SO4·2CO(NH2)2結(jié)晶區(qū)、CO(NH2)2·H2SO4結(jié)晶區(qū)、CO(NH2)2與H2SO4·2CO(NH2)2兩相區(qū)等幾種形態(tài)，因此沒有相對應的標準物質(zhì)，不適合用“硫酸脲”來表征。經(jīng)查閱文獻，含腐殖酸和海藻酸肥料標準中用“氨揮發(fā)抑制率”[7]來表征該類肥料的特征，其定義為“表征含海藻酸類肥料減少氨揮發(fā)損失的功能性指標。在脲酶(尿素酶)和氧化鎂的作用下尿素分解，釋放出的氨被硼酸溶液吸收，海藻酸類肥料和尿素消耗硫酸標準滴定溶液體積的差值與后者的比值，以百分數(shù)表示”。上述產(chǎn)品中氮素形態(tài)單一，主要成分為酰胺態(tài)氮，而含硫酸脲復合肥料中氮素形態(tài)較復雜，包括酰胺態(tài)氮、CO(NH2)2-H2SO4共熔體和銨態(tài)氮，用上述方法和指標來測定和表征并不能充分反映含硫酸脲復合肥料產(chǎn)品的緩釋特性。綜上所述，采用“氨揮發(fā)氮占總氮的百分率”來表征含硫酸脲復合肥料的緩釋特性。

1 原理

產(chǎn)品的特征指標為氨揮發(fā)氮占總氮的百分率，該指標用于表征含硫酸脲復合肥料中氮素緩釋性能。肥料中的氮素形態(tài)除CO(NH2)2-H2SO4共熔體外，還與磷酸一銨、氯化鉀等原料反應形成新的復鹽固溶體。該測定方法主要原理為酰胺態(tài)氮在尿素酶的作用下水解為銨態(tài)氮，試液中銨態(tài)氮濃度增加，酰胺態(tài)氮濃度降低，可以直接測定銨態(tài)氮的揮發(fā)量或酰胺態(tài)氮的損失量，即銨態(tài)氮的增加量等于酰胺態(tài)氮的損失量。在氧化鎂存在的條件下，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨釋放出來，用硼酸溶液吸收后，再用一定濃度的硫酸標準滴定溶液滴定，從而得到氨揮發(fā)氮量。試液中的酰胺態(tài)氮與對二甲氨基苯甲醛發(fā)生定量反應，用分光光度法在波長430 nm處測定吸光度，可以計算出酰胺態(tài)氮的含量。

2 試驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 尿素酶水解容量法測定氨揮發(fā)氮占總氮的百分率[8-9]

2.1.1 主要儀器和試劑

擴散皿：外室內(nèi)徑90 mm、高度22 mm，內(nèi)室內(nèi)徑45 mm、高度14 mm。

恒溫箱：PYX-DHS-400BS型，可控溫度(40±1) ℃，上海躍進醫(yī)療器械有限公司。

尿素酶溶液：稱取0.500 g尿素酶，加10 mL水，用研缽研磨至糊狀，全部轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，儲存于4 ℃冰箱中，備用。

氧化鎂懸浮液：30 g/L。

硼酸溶液：20 g/L。

混合指示劑：0.099 g溴甲酚綠和0.066 g甲基紅溶解于100 mL 95%(體積分數(shù)，下同)乙醇溶液中。

硫酸標準滴定溶液：c(1/2H2SO4)=0.02 mol/L。

堿性甘油：向100 mL甘油中加入1 g氫氧化鈉，攪拌均勻后備用。

2.1.2 分析步驟

用研缽將樣品研磨至全部通過0.50 mm孔徑篩，混合均勻，置于潔凈、干燥容器中。

稱取試樣約1 g(精確至0.000 1 g)于燒杯中，加100 mL水溶解后，全部轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，定容，搖勻，靜置2 h后，備用。

移取5.00 mL試樣溶液的上清液于擴散皿外室，加2 mL硼酸溶液于擴散皿內(nèi)室，并滴加2滴混合指示劑，然后在擴散皿外室邊緣涂上堿性甘油，蓋上毛玻璃，旋轉(zhuǎn)數(shù)次，使皿邊與毛玻璃完全黏合。移動毛玻璃，通過邊緣的縫隙向擴散皿外室加入2 mL尿素酶溶液，立即蓋嚴，隨后將擴散皿置于(25±1) ℃恒溫箱中，培養(yǎng)20 min。

培養(yǎng)結(jié)束以后，小心取出擴散皿，移動毛玻璃，通過邊緣的縫隙向擴散皿中加入5 mL氧化鎂懸浮液，立即蓋嚴，并用橡皮筋固定。隨后將擴散皿置于(40±1) ℃恒溫箱中，繼續(xù)培養(yǎng)1 h以后取出。用硫酸標準滴定溶液滴定內(nèi)室硼酸溶液吸收的氨，當溶液的顏色由藍綠色變?yōu)槲⒓t色時即為滴定終點。

在測定試樣的同時，不添加脲素酶溶液，按上述培養(yǎng)環(huán)境和測定步驟進行對照試驗。

2.1.3 分析結(jié)果表述

氨揮發(fā)氮占總氮的百分率w的數(shù)值以%表示，按式(1)計算：

(1)

式中：V1——試樣測定時消耗的硫酸標準滴定溶液的體積，mL；

V0——對照試驗消耗的硫酸標準滴定溶液的體積，mL；

c——硫酸標準滴定溶液的濃度，mol/L；

14.01——氮的摩爾質(zhì)量，g/mol；

D——分取倍數(shù)(定容體積/分取體積)；

m——試樣的質(zhì)量，g；

N——試樣中總氮的質(zhì)量分數(shù)，%；

10——將g/kg換算為%的系數(shù)。

2.1.4 結(jié)果與討論

不同肥料中總氮及氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測定結(jié)果見表1。

表1 不同肥料中總氮及氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測定結(jié)果(容量法)

從表1可以看出，普通復合肥料18-18-18中氨揮發(fā)氮占總氮的40.62%，表明普通復合肥料在脲素酶的作用下，尿素快速分解，酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。4種規(guī)格的含硫酸脲復合肥料中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率均低于標準值(20%)，表明在相同測試條件下，含硫酸脲復合肥料中的氨揮發(fā)氮釋放量整體下降，進而氨揮發(fā)氮占總氮的百分率減小，從而體現(xiàn)出該類肥料氮素的緩釋性能，這可能是CO(NH2)2-H2SO4共熔體的作用。

對含硫酸脲復合肥料18-18-18進行精密度測定，結(jié)果見表2。

由表2可知，測定結(jié)果的相對標準偏差(RSD)為8.76%，說明該方法具有較高的精密度。

表2 含硫酸脲復合肥料18-18-18的精密度測定結(jié)果(容量法)

2.2 尿素酶水解分光光度法測定氨揮發(fā)氮占總氮的百分率

2.2.1 主要儀器和試劑

分光光度計：UV-240型，日本島津制作所。

恒溫箱：同2.1.1。

尿素酶溶液：配制同2.1.1。

尿素標準溶液：準確稱取尿素(國家標準樣品)1.071 9 g于1 L容量瓶中，加水溶解后稀釋至刻度，此溶液中酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度為0.5 g/L。

對二甲氨基苯甲醛溶液：稱取20 g對二甲氨基苯甲醛，加入1 000 mL 95%乙醇，溶解后加入100 mL鹽酸混合，儲存于棕色瓶中，避光保存。

2.2.2 分析步驟

用研缽將樣品研磨至全部通過0.50 mm孔徑篩，混合均勻，置于潔凈、干燥容器中。

稱取試樣約1 g(精確至0.000 1 g)于燒杯中，加100 mL水溶解試樣，全部轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶中，定容，搖勻，靜置2 h后，備用。

移取5.00 mL試樣溶液的上清液置于100 mL容量瓶中，加入2 mL尿素酶溶液，搖勻，隨后在(25±1) ℃恒溫箱中培養(yǎng)20 min。培養(yǎng)結(jié)束后，將每個容量瓶用水稀釋至約50 mL，輕輕搖動，分別加入20.0 mL對二甲氨基苯甲醛溶液，用水稀釋至刻度，充分搖勻后靜置10 min，以未加酰胺態(tài)氮的溶液為參比溶液，用1 cm比色皿在波長430 nm處測定吸光度，根據(jù)標準溶液的線性回歸方程計算出酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度，換算出酰胺態(tài)氮的質(zhì)量。試液吸取量可根據(jù)樣品中酰胺態(tài)氮的含量進行調(diào)整，使其處于標準曲線的最佳位置。

在測定試樣的同時，不添加脲素酶溶液，按上述培養(yǎng)環(huán)境和測定步驟進行對照試驗。

2.2.3 分析結(jié)果表述

氨揮發(fā)氮占總氮的百分率w的數(shù)值以%表示，按式(2)計算：

(2)

式中：ρ1——添加脲素酶后，查得溶液中酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度，g/L；

ρ0——未添加脲素酶，查得對照組溶液中酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度，g/L；

V2——顯色體積，100 mL。

2.2.4 結(jié)果與討論

(1)標準曲線的繪制

移取不同量的尿素標準溶液分別置于6個100 mL容量瓶中，均用水稀釋至約50 mL，按2.2.2分析步驟測定吸光度。以酰胺態(tài)氮的質(zhì)量濃度為橫坐標，對應的吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。每次測定均需制作標準曲線。

酰胺態(tài)氮標準溶液的測定結(jié)果見表3，繪制的標準曲線見圖1。

表3 酰胺態(tài)氮標準溶液測定結(jié)果

圖1 酰胺態(tài)氮標準曲線

(2)實際樣品的測定

按分光光度法測定樣品中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率，結(jié)果見表4，精密度的結(jié)果見表5。

表4 不同肥料中總氮及氨揮發(fā)氮占總氮的百分率測定結(jié)果(分光光度法)

表5 含硫酸脲復合肥料18-18-18的精密度測定結(jié)果(分光光度法)

從表4可以看出，采用分光光度法測定得到的結(jié)果與容量法測定結(jié)果一致，含硫酸脲復合肥料中氨揮發(fā)氮占總氮的百分率比普通復合肥料降低了57.82%～62.16%。

由表5可知，測定結(jié)果的RSD為5.27%，精密度高于容量法，說明該方法具有較高的精密度。另外，該方法所用設備均為實驗室常用儀器，操作簡便，容易實現(xiàn)，能滿足絕大多數(shù)實驗室的要求，易于推廣應用，建議該法作為仲裁法。

2.3 兩種測定方法的比較

分別采用上述兩種方法對5種肥料進行測定，結(jié)果見表6。

表6 兩種方法的測定結(jié)果

由表6可知，兩種方法測定結(jié)果的相對偏差為0.08%～6.55%，未超過10%。

2.4 不同實驗室間測定結(jié)果的分析

不同實驗室分別采用容量法和分光光度法對兩種含硫酸脲復合肥料進行測定，結(jié)果見表7和表8。

由表7和表8可知，不同實驗室采用容量法和分光光度法測定所得結(jié)果的RSD分別為13.9%～15.0%和3.9%～10.2%，均小于20%。

表7 不同實驗室的測定結(jié)果(容量法)

3 結(jié)語

分別采用尿素酶水解容量法和尿素酶水解分光光度法對含硫酸脲復合肥料樣品中的氨揮發(fā)氮占總氮的百分率進行了測定，結(jié)果表明兩種方法測得的結(jié)果基本吻合，兩種方法間的相對偏差不超過10%，說明方法準確可靠。分光光度法的精密度優(yōu)于容量法的，建議作為仲裁法。

表8 不同實驗室的測定結(jié)果(分光光度法)