氣相分子吸收光譜法測定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量

吳昊， 朱紅霞， 袁懋， 許人驥， 薛荔棟*

(1.湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站， 湖北 武漢 430074；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站， 北京 100012)

氮素是植物生長所需最多的元素之一，氮素的含量高低是衡量土壤肥力的重要依據(jù)。土壤有效態(tài)氮，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺等，是反映土壤近期內(nèi)氮素供應(yīng)情況的重要指標，是土壤的養(yǎng)分指標，也是重要的環(huán)境評價指標，用于評價面源污染風(fēng)險[1]。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作為土壤中氮素存在的兩種重要形態(tài)，其含量是衡量土壤大量元素氮的重要參考指標。同時，由于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥使用存在過量問題，大量的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流入地表水和地下水中，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等問題。近年來，土壤中氨氮和硝態(tài)氮污染嚴重，并且污染著周邊的水質(zhì)[2-5]。因此，建立快速的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的分析測定方法，既有利于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域土壤精準施肥，也有利于生態(tài)環(huán)境保護工作的開展。

迄今，國內(nèi)外制定了土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定的多個方法[6-11]，這些方法對土壤樣品浸提過程以及浸提液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定方法和步驟作出了明確的規(guī)定。現(xiàn)行的土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的標準分析方法主要是基于分光光度法的《土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定 氯化鉀溶液提取——分光光度法》(HJ 634—2012)和《土壤硝態(tài)氮的測定 紫外分光光度法》(GB/T 32737—2016)。分光光度法已成為目前應(yīng)用最廣的土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定手段[6-12]。但該技術(shù)最終試液測定時易受顏色、渾濁度和其他離子等干擾，必須進行脫色等前處理操作而不能直接測定。此外，該方法測試步驟需要手工操作，效率較低。楊靖民等[13]在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于流動注射-分光光度法的土壤硝態(tài)氮測定方法，分析效率有所改善，但仍然需要復(fù)雜的前處理步驟。而且，土壤樣品前處理過程中，土壤中氮的形態(tài)含量也會發(fā)生變化，嚴重影響著實驗室測定的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量與采樣時含量的一致性[14]。此外，目前已有基于電化學(xué)測試手段測定土壤硝酸態(tài)氮的報道[15-17]，但該技術(shù)干擾較為嚴重，需要繁瑣的電極處理，儀器維護困難。因此，亟需發(fā)展前處理更為簡單、儀器維護成本低且更為高效的土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的分析手段。

氣相分子吸收光譜法是一種準確性高、線性范圍寬且不受樣品顏色和濁度干擾的含氮、含硫化合物的實用分析手段。該方法分析過程不需化學(xué)分離，所用化學(xué)試劑少，且不使用有毒試劑。當(dāng)前，該方法已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)亞硝酸鹽氮、氨氮、硝酸鹽氮、總氮、硫化物等物質(zhì)的分析測定[18-24]。將氣相分子吸收光譜法應(yīng)用于土壤氮素分析，較之傳統(tǒng)的分光光度法可以顯著改善分析效率，且綠色環(huán)保。呂保玉等[25]將氣相分子吸收光譜法應(yīng)用于土壤中氨氮的分析，并與苯酚顯色法進行了對比，證明了該方法的可行性；暴瑋等[26]就氣相分子吸收光譜法土壤氨氮分析操作步驟的繁瑣程度和分析性能與分光光度法進行了對比，研究結(jié)果體現(xiàn)了氣相分子吸收光譜法的高效、準確等優(yōu)勢。但上述已報道的氣相分子吸收光譜法均是對單一形態(tài)氮進行提取和測定，未實現(xiàn)對土壤不同形態(tài)氮成分的同時提取、分析，多種形態(tài)氮指標分析效率相對偏低，且上述方法未對分析過程中載氣等條件參數(shù)進行探討，這在一定程度上制約了該方法的分析性能。本文以氯化鉀溶液作為提取液，一次性同時浸提土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮兩種氮成分，不經(jīng)脫色處理，直接采用氣相分子吸收光譜法測定，建立了一種土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的可行性分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和主要試劑

AJ-3700氣相分子吸收光譜儀(上海安杰環(huán)保科技股份有限公司)。儀器工作條件為：燈電流300mA，氣源壓力0.2MPa，光電倍增管(PMT)負高壓260V，測量方式為峰高。

ME104型電子天平(瑞士梅特勒公司，精確到萬分之一)。

氯化鉀、鹽酸、無水乙醇、三氯化鈦、溴化鉀等：均為分析純。

氨氮標準溶液(GSB 04-2832—2011，1000±0.7mg/L)，硝酸鹽氮標準溶液[GSB 04-2837-2011(a)，1000±0.7mg/L]，環(huán)境保護部標準樣品研究所，在4℃下密封保存。

1.2 實驗樣品

新鮮土壤樣品：土壤樣品的采集和制備按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)的要求進行。于2019年8月分別選取內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟巴彥浩特鎮(zhèn)西城區(qū)耕地兩塊，采集耕地土層20cm的土樣，兩塊耕地分別用梅花點法進行采樣，取樣后將土樣進行混合。隨后將混合土樣放置于風(fēng)干盤中，攤成2～3cm的薄層，適時壓碎、翻動，揀出碎石、砂礫、植物的殘渣等[27-28]。利用四分法將土樣分成兩份，并過2mm篩。

制備的樣品編號分別為BYHT-1、BYHT-2，待用。

1.3 實驗方法

準確稱取20.0g土壤樣品于250mL聚乙烯瓶中，加入100mL氯化鉀溶液(1mol/L)，室溫下置于振蕩器中振蕩1h，移取上清液于50mL樣品管中，在儀器最佳工作條件下上機測試，空白浸提液平行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 載氣與載氣流量選擇

選取相同稀釋濃度的標準使用液，分別選擇相同流速的空氣、氮氣作為載氣，測試銨態(tài)氮及硝態(tài)氮的吸收值，結(jié)果如圖1所示。兩種載氣均符合分析實驗的要求，但是從便捷性以及經(jīng)濟性方面考慮，本實驗采用空氣作為載氣。

圖1 (a)空氣和氮氣作為載氣對銨態(tài)氮測定的影響；(b)空氣和氮氣作為載氣對硝態(tài)氮測定的影響Fig.1 (a)Effect on ammonium nitrogen tests using air and nitrogen as carrier gas; (b) Effect on nitrate nitrogen tests using air and nitrogen as carrier gas

空氣流量直接影響反應(yīng)生成氮氧化物的傳輸效率，本方法儀器在反應(yīng)模塊和氣液分離裝置及吸光池結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計均能有效降低載氣的消耗量。因此，本方法所需載氣流量相對較低。采用相同濃度的標準溶液，在0.10～0.13L/min載氣流量范圍內(nèi)，考察空氣流量對銨態(tài)氮及硝態(tài)氮測定的影響。在213.9nm和214.4nm測試波長下，對1mg/L銨態(tài)氮及硝態(tài)氮標準溶液進行3次平行測試，結(jié)果如圖2所示。在所選載氣流量范圍內(nèi)，銨態(tài)氮及硝態(tài)氮分析靈敏度隨載氣流量變大而降低。同時，實驗過程發(fā)現(xiàn)，空氣流量過低時，銨態(tài)氮及硝態(tài)氮測試峰形平臺太短，不易掌握讀數(shù)時間。因此，綜合考慮，選擇載氣流速為0.12 L/min，這也與劉盼西等[29]報道的采用同型號儀器應(yīng)用于硫化物測定的最佳流量一致。

圖2 空氣流量對銨態(tài)氮及硝態(tài)氮測定靈敏度的影響Fig.2 Effect of carrier gas velocity on sensitivity for ammonium nitrogen and nitrate nitrogen determination

2.2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮吸收譜圖與線性范圍

儀器電機波長校正后，選擇213.9nm和214.4nm作為吸收波長。將1mg/L銨態(tài)氮及2mg/L硝態(tài)氮標準溶液分別進入反應(yīng)模塊，在鹽酸載液條件下充分反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化氮和二氧化氮氣體，氣體進入吸光管產(chǎn)生吸收，以峰高計，采集吸光度值，采集譜圖如圖3所示。

圖3 銨態(tài)氮及硝態(tài)氮標準溶液基于氣相分子吸收光譜法在213.9nm及214.7nm吸收波長下采集的譜圖Fig.3 Spectrograms acquired from ammonium nitrogen and nitrate nitrogen standard solution at 213.9nm and 214.7nm based on gas phase molecular absorption spectrometry

分別配制濃度為0.00、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00mg/L氨氮標準系列溶液及0.00、0.20、0.40、0.80、2.00、4.00mg/L硝酸鹽氮標準系列溶液。以吸光度為縱坐標，標準溶液濃度為橫坐標，擬合得到銨態(tài)氮及硝態(tài)氮的標準曲線。線性回歸方程分別為y=0.1107x-0.0007及y=0.0919x-0.0013，標準曲線的線性相關(guān)系數(shù)皆為R2=0.9998，線性系數(shù)完全滿足一般實驗室對于分析的要求。

2.3 分析方法評價

2.3.1方法檢出限

重復(fù)測定空白樣品7次，以99%置信度區(qū)別于空白樣品而被測定出來的最低濃度作為檢出限，計算公式如下：

檢出限=s×t(n-1,1-α=0.99)

式中：s為n次加標測定濃度的標準偏差；t=自由度為n-1時的t值(查表獲得)；n為重復(fù)測定的加標樣品數(shù)；1-α為置信水平。連續(xù)分析7個樣品時，通過查表可得，在99%置信區(qū)間內(nèi)，t(6，0.99)=3.143。

測定結(jié)果如表1所示，計算出本方法對銨態(tài)氮的檢出限為0.013mg/kg，對硝態(tài)氮的檢出限為0.002mg/kg。較之基于分光光度法的國家標準方法 HJ 634—2012中土壤銨態(tài)氮的檢出限(0.10mg/kg)和硝態(tài)氮的檢出限(0.15mg/kg)，本方法的檢出限有了顯著改善。一方面，這取決于高效的氣相分子發(fā)生效率以及實驗所用氣相分子吸收光譜儀特有的高靈敏度分析性能；另一方面，這是由于本方法因試劑消耗量的減少有效降低了空白值，并因自動化法代替了手工法，有效減少了人為操作誤差。

表1 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮空白樣品測定結(jié)果

表2 土壤樣品中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮精密度測試結(jié)果

2.3.2方法精密度

采用氣相分子吸收光譜法對BYHT-1、BYHT-2土壤樣品中銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量進行7次測定，結(jié)果如表2所示。氣相分子吸收光譜法測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的相對標準偏差(RSD)在0.06%～0.37%之間，較之基于分光光度法的現(xiàn)行標準，本方法精密度有顯著改善。這主要是由于本方法無需繁瑣的顯色步驟，降低了樣品處理的人為誤差，且所用試劑少，因此試劑引入的干擾較小；同時，本方法受樣品顏色和潔凈度影響較小。

2.3.3方法加標回收率

根據(jù)上述樣品銨態(tài)氮含量測試結(jié)果，分別加入適量GSB 04-2832—2011和GSB 04-2837—2011(a)標準儲備液，進行回收率測試，結(jié)果如表3所示，本方法檢測農(nóng)田土壤中銨態(tài)氮及硝態(tài)氮加標回收率為96.3%～99.9%及98.5%～100.7%。較之基于分光光度法的 HJ 634—2012中土壤中銨態(tài)氮的回收率(80.9%～105%)和硝態(tài)氮的回收率(81%～114%)數(shù)據(jù)，本方法準確度更高。這是由于本方法實現(xiàn)了反應(yīng)生成的氮氧化物氣相分子與基體的分離；同時，實驗試劑消耗量降低，因此降低了基體干擾。相關(guān)結(jié)果表明，本方法適用于農(nóng)田土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的檢測分析。

表3 土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測定加標回收實驗結(jié)果

3 結(jié)論

土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量變化的程度取決于土壤類型、肥力等。經(jīng)過土壤采樣、運輸、保存及前處理等過程后，分析測試時很難獲得能反映采樣時土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的分光光度法分析效率低，分析流程長且操作過程干擾嚴重等特點，大大降低了土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分析的效率和測定結(jié)果的準確性。本文建立了一次性同時浸提土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮兩種氮成分，不經(jīng)脫色處理，用氣相分子吸收光譜法測定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮兩種氮素含量的方法。本方法的線性范圍寬，且不需復(fù)雜的前處理以及有毒試劑，配合全自動的氣相分子吸收光譜儀測定，操作簡單高效，一個批次樣品(50個)的分析流程僅需要5h。

本工作為土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定提供了一種高效、可靠的測試手段，也為氣相分子吸收光譜法在土壤領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供了參考依據(jù)。但是由于土壤中氮素轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性，在實際操作過程中應(yīng)減少土壤前處理對土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測定的影響。