榮國華, 周景云, 吳鴻宇, 魏孝榮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

氮素是植物生長(zhǎng)必不可少的營養(yǎng)元素，土壤氮含量是評(píng)價(jià)土壤氮素供應(yīng)能力的重要指標(biāo)之一[1-2]。土壤全氮主要由有機(jī)氮和無機(jī)氮組成，有機(jī)氮存在于有機(jī)質(zhì)、植物和微生物殘?bào)w中，并且與無機(jī)氮通過固定和礦化過程相互轉(zhuǎn)化[2-3]。土壤學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)ν寥鲤B(yǎng)分供應(yīng)、植物養(yǎng)分吸收、溫室氣體排放等的研究中均需測(cè)定土壤全氮含量[4]。

土壤全氮含量常用凱氏定氮法測(cè)定。該方法用濃硫酸和混合加速劑對(duì)樣品進(jìn)行消煮分解，將氮素轉(zhuǎn)化為銨離子，通過測(cè)定消煮液中銨離子含量計(jì)算全氮含量。目前銨離子的定量分析主要采用蒸餾滴定法，凱氏定氮儀可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蒸餾、滴定等過程[6]，在土壤全氮分析測(cè)定中最為常用。此法雖然經(jīng)典，但測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，蒸餾1個(gè)樣品需3～5 min，且蒸餾廢液中大量的高濃度堿處理不當(dāng)還會(huì)引起環(huán)境污染。

連續(xù)流動(dòng)分析儀在銨離子分析測(cè)定中具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛使用并逐漸替代蒸餾滴定方法[7-9]。該方法基于靛酚藍(lán)反應(yīng)原理，消煮液在堿性條件(pH≈13.0)下銨和次氯酸根反應(yīng)生成氯胺，經(jīng)硝普鈉催化，氯胺與水楊酸反應(yīng)生成藍(lán)綠色絡(luò)合物，在波長(zhǎng)660 nm處比色測(cè)定[10-11]。目前使用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤全氮的研究也有報(bào)道，如宋書會(huì)等使用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤全氮含量，并與凱氏定氮儀測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)定結(jié)果無顯著差異，而且呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系[12]。其他研究結(jié)果也表明，流動(dòng)分析儀法對(duì)植物、土壤、秸稈、肥料中全氮含量的測(cè)定結(jié)果與凱氏定氮儀法無顯著差異，而且流動(dòng)分析儀穩(wěn)定性更高[13-16]。

目前對(duì)流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀法測(cè)定土壤全氮的比較研究所選用的樣品均來自同一類型，而且不同土地利用方式和質(zhì)地下的土壤全氮、顆粒組成等性質(zhì)差異巨大，其對(duì)流動(dòng)分析儀法應(yīng)用是否會(huì)產(chǎn)生影響尚不清楚，從而限制了該方法適用性的評(píng)價(jià)。本研究在黃土高原從北到南選取9個(gè)地點(diǎn)3種典型土地利用方式下的土壤樣品為對(duì)象，用連續(xù)流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量，分析兩種測(cè)定結(jié)果與不同土地利用方式和土壤質(zhì)地的關(guān)系，以確定連續(xù)流動(dòng)分析儀法在黃土高原土壤全氮測(cè)定中的適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和土壤樣品采集

本研究在黃土高原從北到南選取9個(gè)土壤質(zhì)地和養(yǎng)分狀況差異顯著的地點(diǎn)，在每個(gè)采樣地點(diǎn)選擇農(nóng)地、林地和草地3種土地利用方式為研究對(duì)象。9個(gè)采樣地點(diǎn)分別位于神木、榆林、米脂、綏德、延安、富縣、黃陵、銅川、扶風(fēng)(表1)。所選取的采樣地點(diǎn)農(nóng)地主要種植玉米(ZeamaysLinn)、高粱(PanicummiliaceumL.)和大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)；草地的優(yōu)勢(shì)種為多年生針茅(StipagrandisP. Smirn.)和紫花苜蓿(LotuscorniculatusL.)；林地在神木、米脂、綏德、延安、富縣、黃陵、銅川和扶風(fēng)的主要優(yōu)勢(shì)種為松樹(Pinus)和刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn)，在榆林的主要優(yōu)勢(shì)種為榆樹(UlmuspumilaL.)。

表1 不同地點(diǎn)的土壤質(zhì)地劃分

2014年9月，在每個(gè)地點(diǎn)的每個(gè)土地利用方式下布設(shè)3個(gè)10 m×10 m小區(qū)采集土壤樣品。在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇7個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆采集0—10 cm和10—20 cm兩個(gè)土層土壤樣品，構(gòu)成混合樣品。本研究共采集64個(gè)樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室后去除植物殘?bào)w，風(fēng)干后分別研磨過2 mm和0.25 mm篩，用于土壤顆粒組成和全氮含量測(cè)定。土壤顆粒組成使用MS2000激光粒度儀(Malvern Instruments Ltd. UK)測(cè)定[17]。

1.2 土壤樣品消解

土壤樣品用硫酸銅—硫酸鉀硫酸消解后供全氮測(cè)定[10]。稱取0.500 0 g土壤樣品于消煮管，加入1.8 g催化劑(K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1)和5 ml濃硫酸，搖勻后置于自動(dòng)消解爐上加熱，在360℃消煮至消解液澄清，同時(shí)做空白試驗(yàn)。消解結(jié)束后冷卻至室溫，定容至100 ml，搖勻以備分析測(cè)試。

1.3 凱式定氮儀測(cè)定土壤全氮

本研究中凱式定氮法測(cè)定土壤全氮所用儀器為全自動(dòng)凱氏定氮儀(KjelFlexK-360)，配置DL15型自動(dòng)滴定儀和DG115-SC電極；滴定管容積為20 ml，分辨率為1/10000，電位分辨率為0.1 mV。本方法所用試劑為40%氫氧化鈉、20 g/L硼酸、0.02 mol/L(1/2 H2SO4)標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.01 mol/L(1/2 H2SO4)標(biāo)準(zhǔn)溶液。測(cè)定過程按照儀器說明和要求操作。

1.4 連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤全氮

流動(dòng)分析儀法測(cè)定土壤全氮所用的儀器設(shè)備為AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國布朗—盧比公司生產(chǎn))，配置有MT7和MT82化學(xué)模塊，雙通道，含AACE操作軟件。本方法所用試劑為堿性緩沖溶液、水楊酸鈉溶液、次氯酸鈉溶液、4%硫酸溶液、硫酸銨儲(chǔ)備液(1 000 mg N/L)。測(cè)定過程按照儀器說明和要求操作。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用JMP Pro 13軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分布檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)以及相關(guān)性分析。由于土壤全氮含量不可能為0，因此，對(duì)凱氏定氮儀和流動(dòng)分析儀測(cè)定的土壤全氮值進(jìn)行線性擬合時(shí)，將其截距設(shè)為0。所有圖表均采用Excel 2016軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 凱氏定氮儀和流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤全氮含量比較

流動(dòng)分析儀測(cè)定的土壤全氮含量范圍為0.24～2.24 g/kg，平均值為0.89 g/kg，凱氏定氮儀測(cè)定的土壤全氮含量范圍為0.28～2.12 g/kg，平均值為0.87 g/kg。兩種分析方法測(cè)定結(jié)果之間有著極顯著正相關(guān)關(guān)系，回歸直線斜率接近1(p<0.000 1)(圖1)；t檢驗(yàn)結(jié)果表明，雙尾檢驗(yàn)p>0.05，兩種方法測(cè)定的土壤全氮含量無顯著差異(表2)。

圖1 流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量及其線性相關(guān)分析

表2 流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量t檢驗(yàn)

2.2 土地利用方式對(duì)全氮測(cè)定結(jié)果的影響

流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定的農(nóng)地、林地和草地的土壤全氮含量分別為(0.58±0.05)，(0.58±0.05)，(1.07±0.09)，(1.05±0.09)，(0.88±0.12)，(0.87±0.11) g/kg，測(cè)定結(jié)果接近。兩種方法測(cè)定結(jié)果在農(nóng)地、林地和草地的相關(guān)系數(shù)分別為0.94，0.97，0.99(p<0.01)(表2)，斜率均接近1(圖2)。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，雙尾檢驗(yàn)p>0.05，兩種方法在不同土地利用方式下測(cè)定的全氮含量無顯著差異。因此，流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀對(duì)土壤全氮含量的測(cè)定結(jié)果不受土地利用方式的影響。

2.3 土壤質(zhì)地對(duì)全氮測(cè)定結(jié)果的影響

通過測(cè)定土壤樣品顆粒組成，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將每個(gè)地點(diǎn)的土壤質(zhì)地劃分為砂壤土、黏壤土和壤黏土。流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定的砂壤土、黏壤土和壤黏土全氮含量分別為(0.61±0.02)，(0.61±0.02) g/kg，(0.98±0.03)，(1.00±0.03) g/kg，(1.40±0.09)，(1.31±0.09) g/kg。兩種方法測(cè)定的砂壤土、黏壤土和壤黏土全氮含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.99，0.96，0.98(p<0.01)(表2)，斜率均接近1(圖2)。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，雙尾檢驗(yàn)p>0.05，兩種方法對(duì)不同質(zhì)地土壤全氮含量的測(cè)定無顯著差異(表2)。此外，流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定的全氮差值與土壤黏粒(p=0.1601)、粉粒(p=0.2018)和砂粒(p=0.1789)含量無顯著的線性關(guān)系(圖3)。因此，兩種儀器的測(cè)定全氮含量不受土壤質(zhì)地的影響。

圖2 不同土地利用方式和土壤質(zhì)地下流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定結(jié)果線性相關(guān)分析

圖3 流動(dòng)分析儀和凱氏定氮儀測(cè)定全氮差值與土壤質(zhì)地的線性相關(guān)分析

3 討 論

流動(dòng)分析儀法測(cè)定的土壤全氮含量與凱氏定氮儀法測(cè)定結(jié)果無顯著差異，而且極顯著正相關(guān)，這與以前的研究結(jié)果一致[12-13]。因此，流動(dòng)分析儀法可用于黃土高原土壤全氮含量的測(cè)定。另外，流動(dòng)分析儀測(cè)定全氮含量所用的試劑量遠(yuǎn)小于凱氏定氮儀，試劑配制時(shí)間和儀器調(diào)試時(shí)間約需要2 h，按照測(cè)定速率50個(gè)/h，每天可測(cè)定300樣次，適合于大批量樣品的測(cè)試。

4 結(jié) 論

(1) 連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤全氮時(shí)具有分析速度快、消耗試劑少、準(zhǔn)確度和精密度較高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)大批量的樣品進(jìn)行檢測(cè)非常經(jīng)濟(jì)、快捷。該方法與凱氏定氮法相比無顯著差異，表明這兩種測(cè)定方法在黃土高原土壤中具有可比性。

(2) 流動(dòng)分析儀法對(duì)全氮含量的測(cè)定不受土地利用方式和土壤質(zhì)地的影響，可用于不同管理措施和不同類型土壤。