賈 斌，尚麗君，潘 潔，孫紅梅，王 穎，原二玎

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所，河南 鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室，河南 鄭州 450002；3.溫縣產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心，河南 溫縣 454850）

氮是作物必需的營養(yǎng)元素，對作物的整個生長過程起著重要的作用[1-2]。肥料是作物獲取氮的主要來源，是農(nóng)作物生長過程中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前市售的肥料中氮元素主要分為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、酰胺態(tài)氮和有機質(zhì)氮。肥料中總氮含量的快速準確測定對肥料品質(zhì)鑒別、土地科學(xué)合理施肥有重要意義[3-4]。

肥料中總氮含量的測定方法主要有凱氏定氮法（蒸餾后滴定、全自動定氮儀）、流動分析儀和杜馬斯燃燒法等。凱氏定氮法因其儀器成本低、重復(fù)性好、精密度高，成為目前肥料總氮含量測定的主要方法[5-7]。凱氏定氮法需要根據(jù)不同形態(tài)的氮選用不同的前處理方法，將氮轉(zhuǎn)化為硫酸銨，之后用凱氏定氮儀自動蒸餾滴定。采用凱氏定氮法測定肥料中總氮含量時，前處理過程過于繁瑣、消耗時間長、對試驗人員要求較高，在檢測過程中使用大量的鉻粉、定氮合金、高濃度酸、堿等，會產(chǎn)生大量危害人體和環(huán)境的廢液、廢氣。其中，在測定含硝態(tài)氮的肥料時，需要先將硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮后才能進行下一步處理，極易還原不完全，導(dǎo)致結(jié)果偏低且穩(wěn)定性差。與凱氏定氮法相比，杜馬斯燃燒法在測定肥料中總氮含量時，無需繁復(fù)的前處理，無論何種形態(tài)的氮都可直接進樣檢測，快速、高效且無需消耗試劑，環(huán)境友好，不會產(chǎn)生對人和環(huán)境有害的廢液、廢氣。

目前，國內(nèi)已有部分關(guān)于杜馬斯燃燒法測定肥料總氮含量精密度、測定效率等[8-10]方面的研究。潘崇雙等[8]分別用杜馬斯燃燒法、凱氏定氮法測定復(fù)混肥料樣品中的總氮含量，結(jié)果表明，杜馬斯燃燒法能夠在高原條件下快速并準確測定肥料中的總氮含量，其精密度、測定效率均優(yōu)于凱氏定氮法；皮向東等[9]應(yīng)用杜馬斯燃燒法對含不同形態(tài)氮的復(fù)混肥料總氮含量進行測定發(fā)現(xiàn)，其測定結(jié)果與國標法比較，差異不顯著；劉蓉等[10]對質(zhì)控樣品以及6 種常見市售肥料總氮含量分別采用杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法進行檢測發(fā)現(xiàn)，杜馬斯燃燒法較凱氏定氮法具有更高的精密度和準確度，且具有更加快捷、安全、環(huán)保等優(yōu)點。杜馬斯燃燒法也被列入行業(yè)標準《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準水溶肥料總氮、磷、鉀含量的測定》（NY/T 1977—2010）、《中華人民共和國出入境檢驗檢疫行業(yè)標準肥料中總氮含量的測定 燃燒分析法》（SN/T 3097—2012）。盡管如此，實際情況是多數(shù)試驗依舊采用凱氏定氮法來測定肥料中的總氮含量，杜馬斯燃燒法并沒有替代凱氏定氮法成為最主要的總氮含量測定方法。鑒于此，擬采用杜馬斯燃燒法、凱氏定氮法2種方法對市面上常見的不同氮形態(tài)肥料進行總氮含量測定，比較測定結(jié)果的準確度和精密度以及不同形態(tài)氮肥料總氮含量測定結(jié)果的相關(guān)性，并探討2 種方法的優(yōu)缺點，為推動杜馬斯燃燒法成為測定肥料總氮含量的主要方法提供多角度的令人信服的數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選取市場購買的20種含氮肥料作為試驗樣本，包括4 種尿素氮肥、4 種有機肥料、6 種大量元素水溶肥料（含硝態(tài)氮和不含硝態(tài)氮）、6種復(fù)混肥料（含硝態(tài)氮和不含硝態(tài)氮）。固體樣品經(jīng)粉碎過0.25 mm篩后密封保存、待測。

1.2 儀器與試劑

儀器：FOSS 8400 全自動定氮儀（福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司）；Gerhardt Dumatherm-DT 杜馬斯定氮儀（德國格哈特分析儀器有限公司）；16位高溫消化爐（福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司）；ME 204/02 電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；壓片機（德國格哈特分析儀器有限公司）。

試劑：GBW（E）100126 全麥粉（中國計量科學(xué)研究院）、GBW10013 黃豆（中國計量科學(xué)研究院）、硫酸銨基準試劑（天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）、硝酸鈉基準試劑（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）、乙二胺四乙酸（EDTA）標準品（德國格哈特分析儀器有限公司）、鹽酸（蘇州晶瑞化學(xué)有限公司）、硫酸（蘇州晶瑞化學(xué)有限公司）、混合催化劑（福斯賽諾分析儀器蘇州有限公司）、甲基紅指示劑（上海麥克林生化科技股份有限公司）、溴甲酚綠指示劑（上海麥克林生化科技股份有限公司）、還原鉻粉（北京福斯曼科技有限公司）、氮氣（≥99.99%，北京普萊克斯實用氣體有限公司）、氧氣（≥99.999%，北京普萊克斯實用氣體有限公司）、氦氣（≥99.999%，北京普萊克斯實用氣體有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 凱氏定氮法 樣品前處理按照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準水溶肥料總氮、磷、鉀含量的測定》（NY/T 1977—2010）中總氮含量測定的試樣處理過程進行處理。樣品消解后用FOSS 8400全自動定氮儀自動蒸餾滴定，每個試樣做5次重復(fù)試驗，同時做空白。

1.3.2 杜馬斯燃燒法 稱取試樣0.1～0.2 g（精確到0.000 1 g），用無氮錫箔紙包裹后用壓片機壓片，放入樣品盤待測。液體樣品稱入錫箔紙后加入一定量的無氮吸附劑，壓片待測。樣品采用Gerhardt Dumatherm-DT 杜馬斯定氮儀進行測定，每個試樣做5 次重復(fù)試驗，同時做空白。樣品在燃燒管中充分燃燒氧化，生成的混合氣體經(jīng)由高溫銅粉還原、除雜、除水后僅剩氮氣，通過熱導(dǎo)檢測器進行定量。主要儀器條件：燃燒溫度980 ℃、還原溫度650 ℃、氧氣流量400 mL/min、氧氣因子1.2 mL/mg。

樣本氮含量差異較大，為保證杜馬斯燃燒法測定結(jié)果的科學(xué)性、準確性，選取低氮含量的EDTA 標準品和高氮含量的硫酸銨基準試劑分別稱取質(zhì)量梯度（20～240 mg）做線性寬度不同的標準曲線，樣品測定時根據(jù)樣品氮含量的高低選取科學(xué)合理的標準曲線定值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2003 對試驗數(shù)據(jù)進行分析作圖，采用SPSS 22.0進行鄧肯氏單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的精密度和準確度比較

采用杜馬斯燃燒法，稱取一定質(zhì)量梯度的EDTA 標準品和硫酸銨基準試劑做標準曲線，以氮質(zhì)量為橫坐標、杜馬斯峰面積為縱坐標繪制標準曲線，結(jié)果如圖1—2 所示。2 組標準曲線相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)較高，R2均為0.999 9，具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。采用杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法分別測定4種標準物質(zhì)［GBW（E）100126 全麥粉、GBW10013 黃豆、硫酸銨基準試劑、硝酸鈉基準試劑］總氮含量，結(jié)果見表1。由表1可知，凱氏定氮法測定硝酸鈉基準試劑的結(jié)果略低于真實含量（證書標示值）；硫酸銨基準試劑用2種方法測定的結(jié)果與其真實含量基本一致；其余2 種標準物質(zhì)用2種方法測定的結(jié)果都在標準物質(zhì)證書標示值范圍內(nèi)，且精密度良好，能夠滿足試驗需求，但杜馬斯燃燒法測定值的相對標準偏差低于凱氏定氮法，精密度更高。

表1 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法對標準物質(zhì)及基準試劑的測定結(jié)果Tab.1 Results of Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method for standard substance and reference regent

圖1 杜馬斯燃燒法測定EDTA的標準曲線Fig.1 Standard curve for EDTA determination by Dumas combustion method

圖2 杜馬斯燃燒法測定硫酸銨的標準曲線Fig.2 Standard curve for determination of ammonium sulfate by Dumas combustion method

2.2 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的測定結(jié)果分析

分別采用杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定4組不同類型肥料共20個樣品的總氮含量，結(jié)果見表2。由表2 可見，杜馬斯燃燒法（D）測定的20 個樣品的總氮含量為1.24%～46.52%，凱氏定氮法（K）測定的總氮含量為1.18%～46.23%；杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法的測定結(jié)果比值（D/K）為0.991～1.069，測量差值（D-K）為-0.17%～0.85%。對大多數(shù)樣品而言，杜馬斯燃燒法測定結(jié)果略高于凱氏定氮法，但不存在顯著性差異。

表2 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定肥料中總氮含量結(jié)果Tab.2 Results of Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method for total nitrogen content in fertilizer

對于尿素氮肥，杜馬斯燃燒法測定結(jié)果的相對標準偏差（RSD）略高于凱氏定氮法，這可能是尿素氮含量較高、受杜馬斯定氮儀進樣量限制所致，凱氏定氮法稱取的樣品量是杜馬斯燃燒法的3～5 倍，由稱樣量和樣品均勻性引入的誤差較小。因此，對于氮含量較高的肥料樣品，凱氏定氮法的精密度更好一些。2 種方法對有機肥料總氮含量的測量結(jié)果沒有顯著性差異，但凱氏定氮法的RSD明顯高于杜馬斯燃燒法，這可能是凱氏定氮法有機肥料繁瑣的前處理過程所導(dǎo)致的。有機肥料中含大量的有機成分，杜馬斯定氮儀可通過近千度的高溫迅速灰化樣品，形成氮氧物氣體進入檢測器，而凱氏定氮法消化劑硫酸所提供的消化環(huán)境只有400 ℃左右，且操作復(fù)雜，極易引入誤差。

本研究中，大量元素水溶肥料和復(fù)混肥料氮含量跨度較大，介于8.75%～24.01%。對于不含硝態(tài)氮的樣品，2種測定方法的測定值不存在顯著性差異；對于含硝態(tài)氮的樣品，2 種方法的測定值表現(xiàn)出了顯著性差異。杜馬斯燃燒法的測定結(jié)果更接近真實含量，且重復(fù)性良好。凱氏定氮法的測定值偏低，且重復(fù)性較差，主要原因包括以下幾個方面：一是肥料消化過程中會加入鉻粉或定氮合金將硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮，還原效率往往達不到100%，硝態(tài)氮不能被完全還原，高溫消解時部分未還原的硝態(tài)氮逸出；二是還原過程中電爐溫度不易控制，硝態(tài)氮含量較高的肥料其硝態(tài)氮易逸出；三是硫酸消解過程中大量的催化劑極易結(jié)塊，引起爆沸，導(dǎo)致氮損失。

2.3 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的相關(guān)性分析

對2 種方法測定20 組不同肥料中總氮含量的結(jié)果進行相關(guān)性分析，以杜馬斯燃燒法測定值為橫坐標，以凱氏定氮法測定值為縱坐標作圖，具體見圖3。對不含硝態(tài)氮和含硝態(tài)氮的肥料分別做相關(guān)性分析，具體見圖4、圖5。以2 種方法的測定值為橫坐標，以測定值的相對標準偏差為縱坐標作圖，具體見圖6。如圖3 所示，R2=0.999 6，2 種方法的結(jié)果存在明顯的線性相關(guān)。由圖4 和圖5 可知，不含硝態(tài)氮的肥料2種方法測定結(jié)果的相關(guān)系數(shù)更接近1（R2=0.999 9），含硝態(tài)氮的肥料2 種方法測定結(jié)果的相關(guān)系數(shù)相對較低，為0.998 5。表明硝態(tài)氮是造成2種方法測定肥料總氮含量時測定結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因。凱氏定氮法測定結(jié)果的RSD為0.1%～4.5%，杜馬斯燃燒法測定結(jié)果的RSD為0.1%～2.1%（表2），結(jié)合圖6 可知，對于不同成分的肥料，杜馬斯燃燒法的測量結(jié)果有良好的重復(fù)性，凱氏定氮法對于含硝態(tài)氮肥料的測定有一定劣勢，更適合高含氮量的尿素總氮含量的測定。

圖3 20種肥料杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定結(jié)果的相關(guān)性Fig.3 Correlation between the results of 20 fertilizers determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

圖4 不含硝態(tài)氮肥料杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定結(jié)果的相關(guān)性Fig.4 Correlation between the results of fertilizers without nitrate nitrogen determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

圖5 含硝態(tài)氮肥料杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定結(jié)果的相關(guān)性Fig.5 Correlation between the results of nitrogencontaining fertilizers determined by Dumas combustion method and Kjeldahl nitrogen determination method

圖6 2種方法測定結(jié)果的RSD分析Fig.6 RSD analysis of the results of two methods

2.4 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的優(yōu)缺點

2.4.1 杜馬斯燃燒法 杜馬斯燃燒法測定肥料中總氮含量具有高效、快速、無需前處理操作、直接進樣等優(yōu)勢，且杜馬斯定氮儀自動化程度較高，對檢測人員操作沒有過高要求，檢測人員編輯完成進樣程序后可自主完成檢測任務(wù)；可以進行連續(xù)分析測試，對大批次樣品更具優(yōu)勢；對環(huán)境友好，在檢測過程中不會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢液、廢氣，安全性高。

杜馬斯燃燒法進樣量較小，因此對樣品的細度和均勻性有更高要求；儀器需要升至近千度的高溫，檢測完成關(guān)機時要降溫至500 ℃以下的安全溫度，對于單個樣品或極少樣品進行檢測時檢測成本和平均時耗略高于凱氏定氮法。

2.4.2 凱氏定氮法 凱氏定氮法對于少量樣品的檢測成本較低，對于液體和固體樣品的稱樣質(zhì)量和樣品細度要求相對更低。

凱氏定氮法的應(yīng)用較為廣泛，但在測定肥料時需要根據(jù)不同類型的肥料進行不同的前處理，操作繁瑣、容易引入誤差，對檢測人員有較高的要求；對于大批量樣品的檢測，耗時較長、檢測效率低；在前處理和檢測過程中會使用大量的高濃度酸堿，并產(chǎn)生大量廢液，對環(huán)境和人體危害性較大。

3 結(jié)論與討論

凱氏定氮法作為經(jīng)典的定氮方法，廣泛應(yīng)用在食品、飼料、土壤、肥料等的分析測試中[11-13]。對于肥料總氮含量的測定，部分研究表明，凱氏定氮法可以達到試驗要求的準確度、精密度[14-16]，但前處理過程過于繁瑣，還原和消化過程用到的圓底燒瓶容易受熱不均，出現(xiàn)消化爆沸和樣品板結(jié)的情況，影響測定結(jié)果的準確度；在含硝態(tài)氮肥料的前處理過程中，鎘粉沉積、還原效率低，導(dǎo)致凱氏定氮法測定結(jié)果偏低。由于杜馬斯燃燒法的原理不同，無需冗雜的前處理過程，人為引入的誤差較小，測定結(jié)果更為精確；對于大批次的樣品檢測，凱氏定氮法的自動化程度較低，而杜馬斯定氮儀可固體自動進樣，大大提高了檢測效率[17-20]。

本研究分類對比了2種方法對不同類型肥料總氮含量的測定結(jié)果，為不同類型肥料中總氮含量的測定提供方法選擇依據(jù)。結(jié)果表明，在不受硝態(tài)氮影響的情況下，杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法在測定不同類型肥料中總氮含量時，其測定結(jié)果差異不顯著，且精密度和準確度都能滿足國家標準《中華人民共和國國家標準實驗室質(zhì)量控制規(guī)范食品理化檢測》（GB/T 27404—2008）和《中華人民共和國國家標準食品安全國家標準化學(xué)分析方法驗證通則》（GB 5009.295—2023）的檢測要求，但杜馬斯燃燒法的精密度更好；在測定高氮含量尿素肥料時，受進樣量所限，杜馬斯燃燒法精密度略低于凱氏定氮法；對于含硝態(tài)氮的肥料，2種方法的測定結(jié)果差異顯著，杜馬斯燃燒法測定結(jié)果準確度和精密度更好。綜合考慮環(huán)境友好度、工作效率、試驗成本等因素，杜馬斯燃燒法更適用于肥料總氮含量的測定。