陶曙華， 王潔敏， 苗雪雪， 陳祖武， 陳英姿， 龔浩如， 薛 丹

(湖南省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所 農(nóng)業(yè)部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室，湖南 長沙 410125)

0 引 言

氮、磷和鉀是植物生長所必需的大量元素，植物中的氮磷鉀主要來自于土壤，故土壤中全氮、全磷和全鉀的含量高低直接關(guān)系到作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量水平，而氮磷鉀也是評價土壤潛在肥力的重要指標。測定土壤中氮磷鉀含量，有助于了解土壤的肥力情況，對合理的施用化肥有直接的指導意義，減少化肥濫用不僅節(jié)約成本，亦可降低農(nóng)業(yè)污染[1-4]。

國內(nèi)根據(jù)國家或行業(yè)標準[5-11]，測定全氮的方法主要是凱氏定氮法，此方法用濃硫酸+催化劑消煮，然后用定氮儀蒸餾滴定；測定全磷的方法主要是硫酸-高氯酸消解或氫氧化鈉熔融，鉬藍比色法測定。測定全鉀的方法是硝酸+高氯酸+氫氟酸消解或氫氧化鈉熔融，消解液用火焰光度計測定。一般實驗室全氮用凱氏法單獨消解，全磷鉀則用堿熔法聯(lián)合消解，消解液再分別上機測定。堿熔法操作步驟繁瑣，高溫熔融后需要逐個數(shù)次加熱水加酸溶解洗滌，費時費力。國內(nèi)外有不少研究者提出采用酸消解聯(lián)合測定全磷和全鉀，朱波[12]、相里炳銓[13]等提出用高氯酸+氫氟酸消解，彭靖茹等[14]提出用王水+氫氟酸消解，劉澤斌等[15]提出用王水消解，胡鐘勝等[16]提出用硝酸+氫氟酸等消解。也有研究者提出全氮和全磷的聯(lián)合消解，馬有芳[17]、徐立松[18]等用高氯酸+硫酸等進行消解。大部分的研究止于氮磷或磷鉀的聯(lián)合消解，氮磷鉀三項聯(lián)合消解的研究很少，國外有研究者[19-20]提出利用特有的裝置采用比色法同時測定土壤中全氮全磷和全鉀，國內(nèi)孫嘉興[21]提出用硫酸+氫氟酸+高氯酸在消解儀消解，但是硫酸沸點高，消解時間較長，而且消解儀價格比較昂貴。本實驗參考國家行業(yè)標準以及相關(guān)研究，采用一般實驗室都能配備的石墨消解器，用同一消解液消解土壤樣品，在消解過程中討論了酸系、酸系比例以及稱樣量對試驗結(jié)果的影響，旨在找到最合適的酸系及其比例，獲得最好的消解效果，為土壤中全氮磷鉀的同時檢測建立科學、準確、快捷的分析方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試樣品：土壤標準樣品4個：GBW07405、GBW07452，GBW07390、GBW07364，由地球物理地球化學勘查研究所提供。土壤試樣11個，均過0.149 mm孔徑篩，由湖南省水稻研究所試驗基地提供。

主要儀器：FOSS定氮儀(Kjeltec 2 300，瑞典），紫外分光光度計（UV2450，日本島津），火焰光度計（Model 410,英國Sherword），ELGA超純水機（萊特萊德北京純水設(shè)備技術(shù)股份有限公司），電子天平（AUX120，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司），智能石墨消解器（湖南金蓉園儀器設(shè)備有限公司），高速冷凍離心機（MULTIFUGE X1R，美國熱電）。

主要試劑：濃硫酸、硼酸、氫氧化鈉、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、抗壞血酸等均為分析純；高氯酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸銨、磷酸二氫鉀為優(yōu)級純；氯化鉀為工作基準物質(zhì)。試驗中所用的水均為去離子水。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品的消解和測定

標準方法：全氮磷鉀的消解和測定分別用凱氏定氮法[7]、堿熔-鉬銻抗比色法[8]、堿熔-火焰光度法[12]。

聯(lián)合消解法：稱取土壤試樣0.1000～0.3000 g于PTFE管中，加0.5 mL水潤濕，加入混合酸輕輕搖動使之混合均勻，靜置30 min，然后在電熱板上180 ℃左右加熱，消煮完全后取下冷卻，如混合酸中有HF，則加0.5 mL HClO4繼續(xù)消煮以驅(qū)除多余的HF，再加入濃度為2 mol/L的HCl 5 mL，置電熱板上低溫加熱，使殘渣溶解，然后全部轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中，定容，搖勻，置于離心機4 000轉(zhuǎn)/分，離心8 min，同時做空白試驗。待測液分別上機測定，與標準方法一致。

1.2.2 標準曲線的繪制

分別稱取預先在105 ℃干燥至恒重并保存于干燥器中的優(yōu)級純KH2PO4、工作基準物質(zhì)KCl，配制標準P、K儲備液，然后逐級稀釋，分別得到磷標準系列溶液：0.0，0.1，0.2，0.4，0.6， 0.8，1.0 μg/mL；鉀標準系列溶液： 0.0，2.5，5.0，7.5，10.0 μg/mL。

1.2.3 樣品的測定

氮的測定：按照LY/T 1228—2015上的要求配制NaOH堿液、硼酸稀釋液和HCl滴定液，然后在FOSS定氮儀編輯方法，稀釋液體積：無；堿液體積：20 mL；接收液體積：30 mL；蒸餾終點時間s/體積mL：150。然后吸取20 mL待測樣品上清液在FOSS定氮儀上進行測定，得到樣品中氮的含量。

磷的測定：按照LY/T 1232—2015堿熔-鉬銻抗比色法，吸取適量待測樣品上清液于50 mL容量瓶中，用稀酸和稀堿調(diào)節(jié)pH至溶液呈微黃色，然后加鉬銻抗顯色劑5 mL，用水定容，30 min后在紫外可見光光度計上讀取吸光度值，通過標準曲線回歸，得出樣品中磷的含量。

鉀的測定：按照LY/T 1234—2015堿溶-火焰光度法，適當稀釋待測樣品溶液，在火焰光度計上先用標準空白調(diào)零度，用標準曲線的最高濃度點（10.0 μg/mL）調(diào)至相應濃度，反復調(diào)試至穩(wěn)定，然后以濃度直讀方式，測定待測樣品中K的濃度。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)分析；采用SPSS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 消解條件的優(yōu)化

2.1.1 消解酸的選擇

土壤的消解常用的酸系有：HNO3+ HCl+ HF +HClO4[22]、HNO3+ HCl+ HF[23]、HNO3+ HF + H2O2[24]、HNO3+ HCl[25]等，但硝酸中含氮元素，不適合用于氮的提取，此試驗不予考慮。從已有的研究來看，HClO4+HF消解液可以同時測磷鉀[12-13]；H2SO4+HClO4消解液可以同時測氮磷[17-18]；H2SO4+HClO4+HF消解液可以同時測氮磷鉀[21]。本實驗采用石墨電熱板濕消解法，選擇上述三種酸系對4個土壤標準樣品進行消解比較，分別是A(3 mL H2SO4+1 mL HClO4+2 mL HF)、B（5 mL H2SO4+1 mL HClO4）、C（4 mL HClO4+4 mL HF）。從表1可見，A酸系全氮磷鉀都基本消解完全，但是因為硫酸的沸點高，而聚四氟乙烯消解管最高耐溫240 ℃，電熱板溫度不能太高，消解時間延長，需要近4 h，從環(huán)保和成本角度考慮不采用此混合酸系。B酸系全氮和全磷的檢測結(jié)果都達到證書標值范圍，但鉀含量偏低，這可能是因為氮磷鉀在土壤中的結(jié)合形態(tài)不同，土壤中的氮95%是有機態(tài)，土壤中磷的有機態(tài)的比例也有10%～50%，而土壤全鉀90%～98%成礦物的結(jié)合形態(tài)，存在于礦物晶格中，而且晶格比較穩(wěn)定，H2SO4和HClO4尚不能完全破壞這類晶格。C酸系消解完全，四個土壤標準樣品的氮磷鉀含量皆在標值范圍內(nèi)。HClO4在高溫條件下是一種很強的氧化劑，可以徹底消解土壤中的有機質(zhì)，HF可以破壞硅酸鹽的晶格結(jié)構(gòu)，溶出土壤中的金屬元素，這兩種酸混合使用能達到消解土壤的目的，而且高氯酸沸點130 ℃，氫氟酸沸點112 ℃，兩者沸點都不高，電熱板消解器溫度不需太高，消解時間為2 h左右，比A酸系和B酸系的時間少了2 h以上，綜上所述本實驗選擇C酸系作為聯(lián)合消煮混合酸。

表1 不同酸系消解土壤標準樣品全氮磷鉀含量檢測結(jié)果1）

2.1.2 消解酸比例的優(yōu)化

從環(huán)保和成本的角度考慮，在滿足消解效果的前提下，要盡量減少用酸量。氫氟酸對儀器玻璃部件有腐蝕作用，試驗中應盡量減少其使用量，并且在消解完全后應再加入高氯酸繼續(xù)消煮以去除多余的HF。

本試驗設(shè)定三種HClO4與HF的比例，HClO4∶HF分別是（a）4∶4、（b）4∶2、（c）4∶1，從圖1可以看出，HClO4∶HF為4∶2的配比消解完全，重現(xiàn)性較好，而且氫氟酸的用量相對較少。

圖1 不同消解酸比例對試驗結(jié)果的影響

2.1.3 樣品稱取量的選擇

樣品的稱取量影響著消解的加酸量、消解時間以及檢測結(jié)果的重現(xiàn)性。樣品稱量大加酸量增多，帶入雜質(zhì)的風險增大，試劑誤差就會增大，而且消解的時間也越長；樣品稱量小用酸量少，消解時間短，但檢測結(jié)果的重現(xiàn)性較差，因此選擇合適的稱取量很重要。傳統(tǒng)方法中氮的稱量是1.0 g（精確到0.000 1 g,下同），磷鉀的稱量是0.25 g，聯(lián)合消解需要統(tǒng)一稱量，加酸量一定時，稱樣量越少，消解越完全，如果用較少的稱量能同時滿足氮磷鉀的測定，則可以適當減少稱樣量。本實驗以磷鉀稱量0.25 g為比對，比較了三種稱樣量的消解，分別稱量約0.15 g、0.25 g和0.35 g，檢測結(jié)果見圖2，可以看出，稱量0.25 g和0.35 g的準確度和重現(xiàn)性都符合要求，而0.250 0 g用酸量較少，消解時間較短，因此選擇稱量0.25 g。

圖2 不同稱樣量對試驗結(jié)果的影響

2.2 方法的驗證

本試驗選擇4 mL HClO4+2 mL HF為消解試劑，稱量0.250 0 g左右，采用智能石墨消解器加熱，180 ℃消解約2.0 h左右，待濃白煙冒盡，再加入0.5 mL HClO4驅(qū)趕剩余的HF，再加入濃度2mol/L的HCl l5mL，置電熱板上低溫加熱，使殘渣溶解，然后取下冷卻定容至50 mL，并離心，取上清液分別上機測定全氮磷鉀含量。本試驗從四個方面驗證該方法的準確性與重復性。

2.2.1 檢測結(jié)果的準確度

用聯(lián)合消煮的方法對四個土壤標準樣品進行了測定，每個樣品三次重復，檢測結(jié)果見表2，可以看出，標準樣品測得值均在證書標值范圍內(nèi)，說明聯(lián)合消解方法測定結(jié)果的準確度符合要求。

表2 土壤標準樣品全氮磷鉀含量檢測結(jié)果1）

2.2.2 檢測結(jié)果的精密度

對土壤標準樣品GBW07452進行了11次平行測定，測定值與標準值比較，同時計算相對標準偏差以評價方法的精密度，檢測結(jié)果見表3，可以看出，氮磷鉀測得值均在證書標值范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)準確可靠；氮磷鉀相對標準偏差分別為1.04%、1.07%、1.19%，均在2%以下，說明此方法測定結(jié)果重現(xiàn)性好，方法穩(wěn)定，精確度符合要求。

表3 土壤標準樣品重復測定全氮磷鉀含量檢測結(jié)果

2.2.3 聯(lián)合消解方法與標準方法的比較

取本單位試驗基地酸性和堿性土壤為供試樣品，用本試驗的聯(lián)合消解方法和標準方法做比較，每個樣品做三個重復，測定結(jié)果見圖3，兩種方法氮磷鉀測定值相對相差分別是：N為0.66%～4.96%、P為0.58%～6.25%、K為1.15%～3.72%，均在允許誤差范圍內(nèi)，通過Excel 2007表計算，兩種方法的測定值間存在顯著的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r2氮磷鉀分別是：0.994、0.992、0.992。

圖3 聯(lián)合消解方法與標準方法的比較

2.2.4 樣品的加標回收率

取2.2.2土壤樣品兩個進行加標回收率測定，按照本底值約1.0倍分別加入N、P、K標準樣品，每份三次平行，皆采用優(yōu)化后的方法統(tǒng)一消解，然后分別測定氮磷鉀含量，計算加標回收率見表4。全N的加標回收率在96.4%～105.0%之間；全磷在94.2%～103.4%之間；全鉀在95.7%～96.18%之間。根據(jù)土壤常規(guī)分析對回收率的規(guī)定在95%～105%，聯(lián)合消煮方法測得結(jié)果符合要求。

表4 土壤全氮磷鉀加標回收試驗1)

3 討 論

一般來說，通過混合酸對土壤樣品進行消解，主要目的是破壞晶格結(jié)構(gòu)和土壤中的有機質(zhì)成分，溶出土壤中的成分元素和金屬元素。本實驗選擇4HClO4+2HF酸系聯(lián)合消解土壤中氮磷鉀，但由于土壤成分不同，一次消解可能不完全，需要再次加酸，加酸量需要根據(jù)消解內(nèi)溶物的狀態(tài)來決定，當消解管內(nèi)壁或內(nèi)溶物有黑色物，說明有機物消解不完全，需再次加入適量高氯酸；當內(nèi)溶物中本色沉淀物較多，說明除硅不完全，需要再次加入適量氫氟酸進行消解。消解過程中，并不是加酸越多越好，酸加多了，帶入的雜質(zhì)越多，誤差也就越大，而且，加酸量越大，消解的時間越長，環(huán)境污染會加重。

本試驗的目的與孫嘉興[21]的研究相同，旨在找到一種消解液能同時溶出土壤中的氮磷鉀，但從兩者的效率和成本比較，本實驗消解時間更短，用酸量更少，而且采用的是成本低的石墨消解器，不需要昂貴的消解儀。不過兩者在土壤樣品聯(lián)合消解完后，都需用不同的儀器分別測定氮磷鉀。如今，已有不少的研究者提出了用ICP-OES同時測定磷鉀[12-15]，但是用ICP-OES測氮的研究很少，可能是因為空氣中的氮會帶來較高的背景干擾，從而影響準確度。如果能適當改良進樣系統(tǒng)，消除空氣中氮的干擾，有望實現(xiàn)氮磷鉀的同時測定。

4 結(jié)束語

為了提高土壤樣品中全氮、全磷和全鉀含量的檢測效率，研究一次消解完成土壤全氮、全磷、全鉀含量的測定。本研究中建立的檢測方法，不需要重復稱樣、不需要分別消解，樣品消解快速、完全，消解液同時符合氮磷鉀三種成分的測定，與傳統(tǒng)的方法比較，本方法可以簡化實驗步驟，降低試劑成本和人工成本，準確度高、重現(xiàn)性好，具有簡便、快速、環(huán)保等優(yōu)點，適用于大批量土壤氮磷鉀的測定。