快速高通量微敞開—石墨消解法測定有機肥料中有機質①

趙沛華 文 典 李梅霞 王富華 杜瑞英③

(1 廣東省農業科學院農產品公共監測中心/農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室(廣州)/廣東省農產品質量安全風險評估重點實驗室 廣東廣州510640;2 廣東農科監測科技有限公司 廣東廣州510640)

有機肥料主要來源于植物和（或）動物。經過發酵腐熟的含碳有機物，可改善土壤肥力、提供植物營養、提高作物品質［1］。有機質含量是衡量有機肥料肥力的重要技術指標之一［2］。測定有機肥料的有機質方很多，有重量法、容量法、比色法，加熱方式有沸水浴、油浴、烘箱、電熱板加熱等［2-10］。加熱是容量法測定有機質含量的關鍵環節，可通過優化加熱方式以提高檢測效率，如周俊等［5］比較了沸水浴、油浴和稀釋熱3 種方法測定了復混肥中的有機質含量，結果表明沸水浴和油浴測定結果比稀釋熱法的穩定性和準確性更好。田種存等［6］采用油浴法、唐玉霞等［7］利用恒溫烘箱加熱氧化法代替沸水浴加熱氧化測定有機肥中有機質，測定結果與沸水浴法一致，大大縮短了測定時間、減少試劑用量，但油浴法卻存在易污染空氣、試管不易清洗的缺點。目前有機肥中有機質含量測定的檢測依據為農業行業標準NY 525-2012，該標準原理是采用沸水浴加熱法使重鉻酸鉀氧化有機碳，再用硫酸亞鐵滴定，根據氧化前后氧化劑消耗量，計算有機肥料中的有機質含量。但在實際檢測中發現，該標準方法在操作過程中存在以下缺點：①樣品制備過1.0 mm 篩，顆粒大，均勻性差，容易出現消解不徹底，精密度差；②試劑用量大，加液耗時長，效率低；③重鉻酸鉀具有粘滯性［11］，難以保證使用移液管加液時的精準度；④水浴鍋處理樣品量少，加熱時間長；⑤樣品消解液轉移過程發熱，需冷卻后定容，且分取樣液滴定，工作效率低。為了提高有機肥中有機質的工作效率，本研究結合NY 525-2012，改變加熱方式和改進實驗操作環節，采用微敞開硬質玻璃消解管和石墨消解儀進行了高通量石墨消解法快速測定有機肥料中有機質的方法研究，旨在研究一種具有操作簡便快速、節約試劑、準確省時，適合大批量有機肥料中有機質的測定方法。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料和試劑

供試的原料樣品為有機肥料成品和豬糞肥。

試劑包括：濃硫酸；0.20 mol/L重鉻酸鉀標準（1/6 K2Cr2O7）溶液；0.20 mol/L 硫酸亞鐵滴定溶液（現用現標）；1.6 mol/L 重鉻酸鉀（1/6 K2Cr2O7）溶液；鄰菲羅啉指示劑。

1.1.2 儀器與設備

震動盤式瑪瑙研磨儀，德國西伯SIEB TECHNIK公司產品；ED54 itouch 石墨消解儀，中國萊伯泰科公司產品；HH-8 數顯恒溫水浴鍋，中國常州澳華公司產品；瓶口分液器，德國DispensetteS 1-10 mL 公司產品；數字瓶口滴定器，德國Brand/普蘭德（0～50 mL）公司產品；萬分之一天平，美國梅特勒—托利多公司產品；定制硬質玻璃消解管（高10 cm，直徑3 cm，玻璃管塞邊緣開1個三角排氣槽）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

由于有機肥料種類多，成分復雜，均勻性差，在制備樣品時細度盡可能小［12］。李國棟等［13］研究表明，土壤樣品粒徑大小直接影響有機質含量測定的結果。考慮到樣品代表性以及本改進方法稱樣量少，有機肥料樣品經過室溫下自然風干氧化后，搗碎通過Φ 1 mm 篩，四分法縮分至100 g，用震動盤式瑪瑙研磨儀研磨并全部通過100目篩，分裝于聚乙烯封口袋（瓶），干燥器中保存。

1.2.2 樣品處理

用微量樣品勺準確稱量過100 目篩風干樣品0.040 0～0.100 0 g 于硬質玻璃消解管中，用瓶口分液器準確加入5 mL 的1.6 mol/L 重鉻酸鉀溶液，用移液器緩慢加入5 mL 濃硫酸，輕輕搖勻，蓋好帶槽管塞，放入已升溫至180℃石墨消解儀中，準確計時8 min，立即把試管取出冷卻至室溫，用三級水將消解液完全洗入250 mL 廣口三角瓶內，使得瓶內溶液體積約為50～60 mL，滴入2～3 滴鄰菲羅啉指示劑，用0.2 mol/L 硫酸亞鐵滴定，溶液顏色由橙黃色、綠色、暗綠色，最后變為磚紅色為終點。同時稱取0.100 0 g 二氧化硅代替試樣，按照相同分析步驟，使用同樣的試劑，進行空白試驗。

2 結果與分析

2.1 兩種測定方法前處理比較

從表1看出，沸水浴法試劑用量大，氧化時間長，樣液轉移過程產生熱量，需多次搖勻放冷才能定容，耗時長。石墨消解法減少稱樣量，提高了重鉻酸鉀溶液濃度，試劑用量減少10 倍，成本降低；提升消化溫度，減少了定容和分取步驟，大大縮短實驗時間，適宜大量樣品分析。

表1 兩種有機質測定方法前處理比較

2.2 消解溫度選擇實驗

以沸水浴法測定有機肥和豬糞的有機質含量為參比，借鑒油浴加熱法消解溫度（170～180℃），改變石墨消解儀加熱溫度，加熱時間8 min，分別選 擇6 個 檔 次（160、 170、 180、 190、 200、210℃）對兩組樣品進行實驗，每個樣品重復3次，測定有機質含量，選擇最佳的消解溫度。結果見表2。

表2 有機肥和豬糞的不同消解溫度有機質含量測定結果

由表2結果可知，同一加熱時間，加熱溫度越高樣品的有機質檢測結果越高［14］；從升溫過程看，空白滴定體積隨溫度升高也有所降低。當實驗溫度低于170℃，加熱至沸騰時間較長，氧化反應不夠充分，測試結果略偏低；當加熱溫度在170～190℃時，兩個樣品的測試結果接近，精密度好；當加熱溫度高于190℃時，樣液在3 min 左右達到沸騰，劇烈沸騰容易使樣液噴出，溫度過高可能會使重鉻酸鉀有所分解，導致結果偏高。綜合以上原因，溫度選擇為180℃比較合適。

2.3 消解時間選擇實驗

以180℃為固定加熱溫度，對有機肥和豬糞進行不同消解時間的對比實驗。將樣品放置在已升溫至180 ℃的石墨消解儀上開始計時，分別選取6個加熱時段（6、7、8、9、10、11 min）、每個樣品重復3次進行消解，測定兩種有機肥的有機質含量，選擇最佳消解時間。結果見表3。

由表3 所示，加熱時間從7～10 min 測定結果穩定。加熱時間低于7 min，消解不完全，導致部分有機質檢測結果偏低，精密性差；消解時間大于10 min，則使測定結果偏高。從準確度、精確度和時效性方面綜合考慮，選擇8 min 作為方法最終消解時間。

表3 有機肥和豬糞不同消解時間的有機質測定結果

2.4 結果重現性比較

為了驗證實驗條件的可行性，就石墨消解儀消解法和沸水浴法對有機肥和豬糞樣品進行對比實驗，每個樣品平行測定7次，計算出有機質含量的平均值，相對標準偏差。結果見表4。

從表4 可以看出，兩種測定方法的精密度較高，石墨消解法的相對標準偏差為0.73%～1.19%，沸水浴法的為0.54%～0.85%，能滿足精密度檢測要求。

用軟件SPSS-Statistics-V 19.0 對表4 中數據進行t測驗分析，兩種方法測定兩個樣品的方差齊性檢驗結果sig. 分別為0.44、0.293，均大于0.01，表明兩種方法的精密度無顯著性差異；Sig.（雙側）分別為0.141，0.282 均大于0.05，表明兩種方法的測定結果無顯著性差異。由此可見，優化后的石墨消解法對有機肥料中有機質測定具有較好的精密度和準確度。

2.5 工作效率比對實驗

采用批量檢測實驗，比對2 種方法的工作效率。本次實驗測定54 個有機肥樣品，將方法前處理過程按稱樣、加液、加熱消解、轉移定容、樣液分取、器皿清洗等環節劃分［15］，比較2 種方法各環節耗時情況。測試結果見表5。

表5 沸水浴法與石墨消解法前處理各環節用時比較 單位：min

由表5可見，兩個方法的分析環節耗時差別較大。石墨消解法稱樣量少，稱樣時需特別小心，稱樣環節用時稍多。沸水浴法在加液環節耗時較多，因重鉻酸鉀和濃硫酸有明顯的粘滯性，用50 mL 單標移液管加液時必須緩慢加入且要控制好各個樣品的流放速度，效率低。若是測定批量樣品時，檢測人員加液操作時間過長容易產生疲勞而影響準確性。石墨消解法試劑使用量少，利用瓶口分液器加液，幾秒鐘就能完成1 次加液，效率高，加液精準，避免移液管掛液現象，相比沸水浴法此環節可省時80 min；石墨消解儀一次能消解54個樣品，而沸水浴法使用8孔水浴鍋，最多只能容納18 個250 mL 三角瓶，樣品需要分批加熱，此處能省時112 min。另外，沸水浴法比石墨消解法多了轉移定容和樣液分取環節，在轉移溶液時會發熱，影響定容效率，此環節省時87 min。根據上述實驗數據和原因分析表明：微敞開-石墨消解法相比沸水浴法工作效率明顯提高，同測54 個樣品前處理用時減少231 min，工作效率提升了100%以上。

3 結論

微敞開—石墨消解儀消解法與沸水浴法相比，具有操作快速簡便、省時、省試劑、重現性高等優點。在180℃加熱8 min 的優化組合條件下樣品測定結果準確度和精密度好，與沸水浴法比較無顯著差異。在批量樣品比對試驗中，該方法前處理工作效率提升100%以上，適合于有機肥料中有機質含量的批量測定。