常生華 袁 航 王召鋒 侯扶江

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/草業(yè)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心/蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，蘭州 730020）

元素分析是一種常見的分析手段，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、地質(zhì)、石油、化工、環(huán)保等眾多領(lǐng)域，能反映物質(zhì)元素分布特征等基本信息［1］。隨著高?；窘ㄔO(shè)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)施投入的增加，元素分析儀廣泛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，為固體和液體樣品中的元素含量分析提供了方便快捷的服務(wù)。目前高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室使用較多的元素分析儀主要德國的Elementar、美國PerinElmer、美國Thermo Fishier Scientific等公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品，分別針對測定對象、元素含量大小和樣品采樣量多少以及精準(zhǔn)度等因素配置不同廠家不同型號產(chǎn)品［2］。元素分析儀的原理就是使用燃燒法，通過氧化還原分離不同的元素［3］。本研究中使用的元素分析儀為德國Elementar vario MACRO CUBE，主要是將樣品在裝填催化劑的管中燃燒分解，排除雜質(zhì)氣體，將需要測試的各元素組分氣體分離，采用熱導(dǎo)檢測器對相關(guān)氣體進(jìn)行檢測［4］。

土-草-畜系統(tǒng)是草學(xué)、生態(tài)學(xué)和畜牧學(xué)研究中最常見的元素循環(huán)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)中的營養(yǎng)元素評價是草學(xué)、生態(tài)學(xué)和畜牧學(xué)研究的主要內(nèi)容和基礎(chǔ)性研究，主要測定的常用評價指標(biāo)有C、H、N、S元素含量與營養(yǎng)元素的流動過程［5］。土-草-畜系統(tǒng)元素循環(huán)過程復(fù)雜，樣品多且數(shù)量大，并且各項(xiàng)元素的含量隨著樣品分布區(qū)域和自身因素其含量差別較大［6］。因此，在通常的測定中，稱樣量的大小直接影響測定結(jié)果和測樣的成本［7］。通過探究利用元素分析儀測定植物樣品過程中，樣品稱樣量與測試準(zhǔn)確率以及測樣時間和成本等之間的關(guān)系，確定精準(zhǔn)測定下適宜的樣品稱取量，為科研工作者樣品采集、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品

植物樣品選取1年生飼用玉米秸稈，樣品采集于甘肅民勤綠洲灌溉大田飼用玉米種植基地，采樣時間2018年10月底，玉米完熟期，采集有代表性的全株玉米地上部分，用剪刀剪切為5 cm左右小截，置陰涼通風(fēng)處，自然風(fēng)干后，在實(shí)驗(yàn)室用植物樣品粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，然后過40目篩，將過篩后的樣品放在玻璃板上，用分樣板反復(fù)前后左右翻動，充分混合。將混合好的樣品攤成等厚度的正方形，用分樣板從樣品上沿對角線劃下，分成4個對頂角的三角形，任取兩個對頂三角形為樣本，將兩外兩個對頂三角形的樣品移走，將剩下的樣品在混合，按照上述方法反復(fù)分取，直到接近所需樣品重量為止，裝入封口袋，備用。

1.2 儀器

儀器使用德國Elementar vario MACRO CUBE-CHNS mode；電 子 天 平 用RADWAG AS110.R1，最大稱樣量110 g，可讀性0.1 mg。

1.3 操作步驟與分析條件

設(shè)置7個不同的樣品稱量梯度，分別為20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg、70 mg、80 mg（精確至0.1 mg），標(biāo)準(zhǔn)品用磺胺，重復(fù)6次。稱取制備好的玉米秸稈樣品，按照包裹要求，將樣品緊密包裹于錫箔紙中，放入60位的自動進(jìn)樣盤中，選擇自動進(jìn)樣。

將元素分析儀的模式選為CHNS模式；載氣用He氣，純度≥99.996%；氣瓶減壓閥設(shè)置0.16～0.17MPa；燃?xì)鉃镺2，純度≥99.995%；氣減壓的輸出壓力在0.20～0.22 MPa。石英燃燒管中催化劑為WO3，純度99.9%，加熱溫度1150℃；還原管中還原劑為Cu絲，純度99.9%，加熱溫度850℃。

1.4 統(tǒng)計分析方法

每個樣品重復(fù)測定6次，樣品中C、H、N、S含量用元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基為基礎(chǔ)）表示。6次測量值的算術(shù)平均值為樣品元素含量的測量結(jié)果，用SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并作圖。

重復(fù)性分析采用以下公式進(jìn)行重復(fù)性計算［8］：

式中：Xi—每次測定數(shù)值，%；

N—測定次數(shù)。

參考依據(jù)：JJF1321-2011《元素分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》，RSD≤2%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稱樣量對標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中元素含量測定值的影響

用元素分析儀測定標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中元素含量，不同的稱量梯度間C、H、N、S 4種元素含量以及C/N、C/H值的響應(yīng)不同（圖1）。隨標(biāo)準(zhǔn)品磺胺稱樣量的增加，磺胺中C、H、N、S元素含量測定值有上升也有下降，不同稱樣量間磺胺各元素含量測定值差異顯著（P＜0.05）。

圖1 不同稱樣量下的磺胺測定值

標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中N元素含量測定值隨著稱樣量的增加呈下降趨勢，不同稱樣量間標(biāo)準(zhǔn)品磺胺N含量測定值差異顯著（P＜0.05）。標(biāo)準(zhǔn)品磺胺稱樣量在30 mg時，標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中N含量和標(biāo)準(zhǔn)值相比有差異，但差異不明顯。標(biāo)準(zhǔn)品磺胺稱樣量40 mg～80 mg時，隨稱樣量增加，標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中N含量測定值呈下降趨勢。標(biāo)準(zhǔn)品磺胺稱樣量在20 mg～50 mg之間C含量測定值變化不大，標(biāo)準(zhǔn)品磺胺稱樣量大于50 mg之后，C含量測定值急劇下降，差異顯著（P＜0.05）。標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中H含量測定值在稱樣量20 mg時差異顯著（P＜0.05），稱樣量大于30 mg之后，標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中H含量測定值相互之間差異不顯著。標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中S元素含量測定值隨著稱樣量的增加而變化不同，稱樣量20 mg～30 mg差異明顯，稱樣量30 mg～40 mg對標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中S元素含量影響不明顯，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)品磺胺稱樣量50 mg～80 mg時，稱樣量對標(biāo)準(zhǔn)品磺胺中S元素含量測定值影響顯著（P＜0.05）。

2.2 不同稱樣量對玉米秸稈中元素含量測定值的影響

利用元素分析儀測定玉米秸稈元素含量，不同稱樣量對玉米秸稈中C、H、N、S 4種元素含量測定值以及C/N、C/H影響不同（圖2），不同稱樣量處理下的玉米秸稈元素含量測定值之間差異性顯著（P＜0.05）。

圖2 不同稱樣量下玉米秸稈各元素含量

玉米秸稈中的N元素含量測定值隨著玉米秸稈稱樣量的增加表現(xiàn)出先降后升的趨勢。當(dāng)玉米秸稈稱樣量在50 mg時，玉米秸稈N含量測定值最低，玉米秸稈稱樣量在20 mg～70 mg時，玉米秸稈N含量測定值無顯著差異，玉米秸稈稱樣量80 mg下玉米秸稈中N含量測定值有顯著差異（P＜0.05），由此，在測定玉米秸稈等植物樣品N含量時，樣品稱取量的適宜范圍是20 mg～70 mg，最經(jīng)濟(jì)的樣品稱樣量應(yīng)為20 mg。

玉米秸稈中C含量測定值隨著玉米秸稈稱樣量增加呈下降趨勢。當(dāng)玉米秸稈稱樣量在20 mg～30 mg時，玉米秸稈C含量測定值最高，玉米秸稈稱樣量在40 mg～80 mg時玉米秸稈C含量測定值基本保持平穩(wěn)，測定值之間的差異不顯著，但和在玉米秸稈稱樣量20 mg～30 mg處理相比，玉米秸稈中的C含量測定值差異顯著（P＜0.05）。在利用元素分析儀測定玉米秸稈C含量時的最佳稱樣量為20 mg。

玉米秸稈中H元素含量測定值隨著玉米秸稈稱樣量增加而下降。當(dāng)玉米秸稈稱樣量在20 mg～30 mg處理下時，玉米秸稈中H元素含量測定值下降，玉米秸稈稱樣量在30 mg～50 mg時，玉米秸稈中H元素含量測定值與其他處理相比差異不顯著，玉米秸稈稱樣量在60 mg～80 mg時，各稱樣量之間玉米秸稈中H元素含量測定值差異不顯著。相對玉米秸稈中H元素含量測定，樣品稱樣量越大，對測定值的影響越小，最經(jīng)濟(jì)的樣品稱樣量應(yīng)該在30 mg～40 mg之間。

玉米秸稈中S元素含量測定值隨玉米秸稈稱樣量增加呈先上升后下降趨勢。玉米秸稈稱樣量對玉米秸稈S元素含量測定值有顯著影響（P＜0.05）。玉米秸稈稱樣量在20 mg～30 mg時，玉米秸稈中S元素含量測定值上升，玉米秸稈稱樣量在30 mg～50 mg時，玉米秸稈中S元素含量測定值下降，稱樣量30 mg與60 mg時，玉米秸稈中S元素含量測定值之間差異顯著（P＜0.05）。相對玉米秸稈中S元素含量的測定，最佳樣品稱取量是30 mg～40 mg。

用元素分析儀測定樣品過程中，C/N的峰值拖尾直接影響測試效率與實(shí)驗(yàn)效果。用元素分析儀測定玉米秸稈過程中，隨著玉米秸稈稱樣量增減，玉米秸稈中元素含量測定值C/N值逐漸下降，20 mg和30 mg玉米秸稈稱樣量之間C/N值差異不明顯，與其他玉米秸稈稱樣量相比，測定值的C/N值有明顯顯著（P＜0.05）。30 mg、40 mg、50 mg玉米秸稈稱樣量對其測定值的C/N影響無差異，60 mg～70 mg的玉米秸稈稱樣量下，其測定值的C/N值無差異，但與80 mg玉米秸稈稱樣量相比，其測定值的C/N值差異顯著（P＜0.05）。C/H測定值與稱樣量的關(guān)系不明顯，隨著玉米秸稈稱樣量的增減，其元素含量測定值C/H值增加，玉米秸稈稱樣量在20 mg與50 mg時，其元素含量測定值C/H的變化不明顯，與其他稱樣量處理下的影響顯著（P＜0.05）。

2.3 樣品重復(fù)性分析

對6次重復(fù)的元素測定值進(jìn)行樣品重復(fù)性分析，玉米秸稈中C、H、N、S 4種元素含量用元素分析儀進(jìn)行測定，其測定值的重復(fù)性較好，RSD值全部小于2%，最大的1.999%，最小值為0.363%（表1）。

表1 樣品重復(fù)性

3 結(jié)語

對于元素分析儀測定植物樣品的稱樣量，不同樣品稱樣量對樣品元素含量測定結(jié)果有影響。在測定土-草-畜系統(tǒng)中C、H、N、S 4種元素含量過程中，樣品的采集量大小存在不可確定性，考慮時間和測定成本等因素，樣品稱樣量要求盡量以最少量為佳。用元素分析儀測定玉米秸稈中C、N、H、S4種元素含量時，最佳稱樣量應(yīng)該在20 mg～40 mg之間。

稱樣量是使用元素分析儀測定植物樣品元素含量過程中的主要參數(shù)，一方面影響樣品的測試結(jié)果，不同的樣品在不同稱樣量下的元素含量測定結(jié)果有明顯差異，測試元素不同，所需樣品的稱樣量不同。相同樣品，測試的主要元素不同，稱樣量對其的影響也不同［9］。另一方面，稱樣量直接作用于測試效率和測試成本。元素分析儀使用的基本的耗材有錫箔紙、燃燒管、還原管、干燥管、氧氣和氦氣，樣品量越大，樣品采集、樣品處理、樣品測試過程中氧化、還原等過程相對漫長，時間消耗相對較大，所需用的耗材量就會增加，測試成本上升，測試效率下降［10］。尤其相對于生態(tài)學(xué)、草學(xué)、畜牧學(xué)等樣品量和樣品數(shù)量等較多的科學(xué)研究中的測試，測試成本和測試效率也是研究過程中的主要考慮的因素。因此，合理的樣品稱取量是大數(shù)量樣品測試中前期主要確定的參數(shù)之一，也是使用元素分析儀進(jìn)行樣品測試過程中必須明確的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。