楊娜，王若男，蔣侃俊，黃華

（1.上海市園林科學規(guī)劃研究院，上海城市困難立地綠化工程技術研究中心，上海 200230；2.上海市崇明區(qū)農產品質量安全中心，上海 200230； 3.上海市崇明區(qū)新村鄉(xiāng)農業(yè)綜合技術推廣服務中心，上海 200230）

土壤水解性氮，又稱土壤有效氮，是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質氮的總和，能夠反映土壤近期的氮素供應情況，是衡量土壤肥力的重要指標，與作物生長關系更為密切［1］，因此，快速準確的測定土壤中水解性氮含量是制定行之有效的氮肥施肥方案的關鍵技術環(huán)節(jié)之一。

目前，水解性氮的測定方法有生物培養(yǎng)法、酸水解法、堿解擴散法和堿解蒸餾法等［2］?，F有的林業(yè)行業(yè)標準LY／T 1228—2015中水解性氮的測定［3］采用的是堿解擴散法，在擴散皿的外室中，加入一定量的土壤樣品，在強堿和硫酸亞鐵-鋅存在條件下進行水解還原，使易水解氮轉化為氨氣被擴散皿內室的硼酸溶液吸收，用鹽酸標準溶液滴定吸收液中的氨，根據消耗鹽酸標準液的量計算水解性氮的含量［3］，但該方法測定周期長，操作過程容易發(fā)生內室污染，且由于擴散皿的設計缺陷，容易出現結果重復性較差的情況下［4］。因此，學者研究了各類可以替代堿解擴散法的檢測方法，如呂曉慧［5］和石欣［6］均用凱氏定氮管蒸餾法準確測定了土壤中的水解性氮；鄭福麗等［7］和王國楨等［8］采用自動定氮儀堿解蒸餾準確測定了土壤中的水解性氮；隨著科學技術的發(fā)展，近紅外光譜技術也日漸運用到土壤水解性氮的檢測中來，彭海根等［9］結合競爭自適應重加權采樣變量選擇算法快速測定了土壤水解性氮含量。但以上方法均有一定缺點，凱氏定氮裝置體積較大，易碎且高溫加熱危險性較高，其設計缺陷容易出現空白偏高的問題；全自動定氮儀操作簡便，但價格相對比較高昂，不利于推廣；近紅外光譜技術則需要結合CARS 有效特征波長篩選方法和偏最小二乘（PLS）建模方法等，對檢測人員的要求過高，且需要大批量的土壤進行分析，價格也比較昂貴。

自動蒸餾裝置依據經典凱氏定氮法設計，將樣品消化裝置和自動測氮蒸餾裝置集于一體，該儀器安裝、操作簡單、測量準確，使用安全可靠、省時省力。自動蒸餾裝置可兼顧測定土壤及肥料全氮，測定過程中，由儀器自動加入氫氧化鈉，而土壤、有機肥料和綠化用有機基質中全氮、水解性氮檢測標準中對于氫氧化鈉的濃度要求不同，不同待測物需要配制多次氫氧化鈉并分別測量，可見氫氧化鈉濃度的統一也成為了提高檢測效率的關鍵點之一。為了能夠減少配制不同濃度的氫氧化鈉，林永峰等［10］在堿解蒸餾法中利用6 mol／L 的氫氧化鈉準確了測定土壤水解性氮含量，但是由于土壤全氮及有機肥料全氮的檢測中均采用的是10 mol／L的氫氧化鈉，以上研究仍舊無法兼顧?；诖?，筆者采用自動蒸餾裝置作為檢測手段，用堿解蒸餾（氫氧化鈉濃度為10 mol／L）的方法測定土壤水解性氮，操作過程較為簡單，適合于大批量樣品的測定，大大提高了檢測效率。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

自動蒸餾裝置：KDN-812 型，上海纖檢儀器有限公司。

純水儀：ELGA Purelab Option Q7 型，英國埃爾格公司。

硼酸、甲基紅、溴甲酚綠：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

氫氧化鈉：優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司。

液體石蠟：化學純，國藥集團化學試劑有限公司。

鹽酸標準溶液：質量濃度為0.100 6 mol／L，編號為210507，上海市計量研究院。

土壤成分分析標準物質：編號分別為GBW 07412a（遼寧棕壤）、GBW 07413a（河南黃潮土）、GBW 0715a（湖北水稻土）和GBW 07460（山西黃綿土），其水解性氮標準值分別為(57±4)、(76±10)、(165±10)、(45±4) mg／kg，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所。

土壤樣品：質地為壤土，pH 8.0～8.5，有機質質量分數為11.0～42.9 g／kg，全氮質量分數為0.946～2.17 g／kg，來源于上海市某郊野公園及上海某公園。

實驗室用水為超純水，由純水儀直接制備。

1.2 溶液配制

10 mol／L 氫氧化鈉：稱取400.0 g 氫氧化鈉溶于水中，用超純水定容至1 L。

0.1 mol／L 氫氧化鈉：稱取0.40 g 氫氧化鈉溶于水中，用超純水定容到100 mL。

甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑：稱取0.50 g 溴甲酚綠與0.10 g 甲基紅于瑪瑙研缽中研細，用少量95%乙醇研磨至全部溶解，用95%乙醇定容至100 mL。

硼酸-指示劑溶液：稱取10.0 g 硼酸溶于1 L水中，使用前，每升硼酸溶液中加入5.0 mL 甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑，并用0.1 mol／L 氫氧化鈉調節(jié)至紫紅色（pH 值約為4.5）。

鹽酸標準溶液：0.01 mol／L，用0.01 mol／L 硼砂溶液標定。

1.3 儀器工作條件

硼酸用量：25 mL；加入蒸餾水體積：60 mL；加入氫氧化鈉體積：10 mL；蒸餾時間：380 s。

1.4 實驗方法

稱取5.00 g 土壤標準物質置于蒸餾管中，用少量去離子水濕潤樣品后加入1 mL 液體石蠟，用定氮儀蒸餾裝置進行蒸餾，吸收液用0.01 mol／L 的鹽酸標準溶液進行滴定，由藍綠色剛變?yōu)樽霞t色且30 s 不褪色時為終點。記錄所用酸標準溶液的體積(mL)，隨同樣品做空白試驗，水解性氮計算公式如下：

式中：WN——水解性氮含量，g／kg；

V——滴定樣品溶液所用鹽酸標準溶液的體積，mL；

V0——滴定空白溶液所用鹽酸標準溶液的體積，mL；

c——鹽酸標準溶液的濃度，mol／L；

14——氮原子的毫摩爾質量，mg／mmol；

m——土壤樣品風干后質量，g；

k1——土壤樣品水分換算系數。

2 結果與討論

2.1 前處理條件優(yōu)化

正交試驗設計法［11］是研究多因素多水平試驗運用較廣的一種設計方法，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點［12］，能在多實驗條件下選出代表性強的少數實驗方案［13］。

在單因素試驗的基礎上，選取蒸餾水加入量（A，mL），NaOH 溶液的加入量（B，mL），蒸餾時間（C，s）3 個影響水解性氮回收率的主要因素，各因素選取6 個水平U6（63）進行試驗，試驗結果列于表1。采用均勻性設計方案選取標準物質（編號為GBW 07415a），按1.4 步驟進行試驗，測定數據列于表2。

表1 均勻性設計因素與水平

表2 均勻性設計實驗水解性氮回收率

由表2 可知，5 號試驗所得的水解性氮回收率最高，且6 次測定值均在標準物質證書提供的標準值誤差范圍內。由此可得最優(yōu)實驗條件：蒸餾水加入量為60 mL，NaOH 溶液加入量為10 mL，蒸餾時間為380 s。

根據表2 均勻性實驗的結果，以5 號最優(yōu)組合的各因素水平為基準，上下浮動取值，按正交設計表L15(33)設計正交試驗，各因素、水平列于表3。每組試驗測定6 個平行樣品，計算測定結果的相對標準偏差（RSD），以此為參考進一步選出最優(yōu)水平條件，得到最為穩(wěn)定的微波消解土壤樣品前處理條件，結果列于表4。

表3 正交設計因素與水平

表4 正交設計測定結果相對標準偏差（n=6）

由表4 可看出，5 號試驗的相對標準偏差最低，為0.88%，即當蒸餾水加入量60 mL，NaOH 溶液加入量10 mL，蒸餾時間380 s 時，為最佳水解性氮測定的蒸餾條件。

2.2 方法的檢出限

在優(yōu)化的蒸餾條件下，測定樣品空白溶液11次，以空白測定數據的平均值，并將稱樣量代入1.4中的公式計算得到檢出限。由表5 可知，優(yōu)化的條件下，土壤水解性氮的檢出限為2.34 mg／kg。

表5 空白測定數據及檢出限

2.3 精密度和準確度試驗

選取土壤標準物質GBW 07412a、GBW 07413a、GBW 07415a、GBW 07460 作為測定對象，其水解性氮含量的參考值來自證書，分別稱取6 個平行樣品，按照1.4 的方法進行測定，計算土壤樣品中水解性氮含量的相對標準偏差（RSD），以此來評價該方法的精密度。

同時采用堿解擴散法進行測定，與堿解蒸餾法測定結果的平均值和絕對差值進行比較，以評價堿解蒸餾法的準確度，結果見表6。

表6 精密度和準確度試驗結果

由表6 可知，使用堿解蒸餾法得到的測定結果的相對標準偏差為1.90%～3.75%，堿解擴散法得到的測定結果的相對標準偏差為4.16%～5.82%，試驗結果表明堿解蒸餾法較傳統堿解擴散法具有較高的精密度，能夠滿足實驗室檢測的相關要求。同時，堿解蒸餾法測定的各標準物質水解性氮的測定值都在證書提供參考值的允差范圍內，且與堿解擴散法測定值相比，兩種方法的絕對差值為1.0～2.0 mg／kg，符合LY／T 1288—2015 中當水解性氮的含量在200～50 mg／kg，絕對偏差為10～2.5 mg／kg；當水解性氮的含量小于50 mg／kg，絕對偏差小于2.5 mg／kg。因此，堿解蒸餾法能夠準確的測定土壤水解性氮。

2.4 實際樣品分析

應用預先篩選的土壤水解性氮堿解蒸餾的最佳條件，對上海市某郊野公園土壤及上海某公園種植土（共計45 個）進行土壤水解性氮進行測定，同時使用本方法和堿解擴散法［3］進行對比，部分結果列于表7。由表7 可知，采用兩種方法對不同區(qū)域土壤水解性氮的測定結果絕對偏差為1.1～4.0 mg／kg，均滿足LY／T 1288—2015 中的相關要求，表明堿解蒸餾法與堿解擴散法的測定結果無明顯差異，且堿解蒸餾法的標準相對偏差為1.50～2.57%，較堿解擴散法小，表明其具有更高的精密度。因此，堿解蒸餾法能夠準確的測定土壤中水解性氮的含量。

表7 實際樣品分析結果（部分）

3 結語

研究了適用于測定土壤水解性氮的堿解蒸餾法，通過對蒸餾水加入量、氫氧化鈉加入量、蒸餾時間進行了優(yōu)化，確定了最佳蒸餾條件：蒸餾水加入量為60 mL，氫氧化鈉加入量為10 mL，蒸餾時間為380 s，固體樣品的檢出限為2.34 mg／kg。該方法便于操作且節(jié)約時間，具有較好的精密度和準確度，可以滿足快速測定土壤中水解性氮的需要。