土壤養分檢測能力驗證結果分析

趙 迪，陳 宏，周 婭

(1 四川省耕地質量與肥料工作總站，四川 成都 610041；2 四川省農業科學研究院分析測試中心，四川 成都 610066)

土壤是人類賴以生存和可持續發展的基礎，是農業生產的基礎生產資料[1-2]。土壤養分是土壤肥力的重要組成部分，準確獲取土壤養分數據是土壤資源環境調查與評價等工作的重要前提和基礎，可為科學施肥、養分高效管理、耕地質量提升提供依據[3]。pH值、有機質、全氮、有效磷、堿解氮、緩效鉀、速效鉀是土壤養分檢測的重要項目，準確地測定這些項目具有十分重要的意義。

能力驗證是檢查實驗室質量的重要方法[4-6]。為加強耕地質量檢測網絡建設與管理，規范基層耕地質量化驗室運行，強化檢測質量控制，提升技術支撐和服務能力，2019年對四川省從事耕地質量檢測的38家化驗室進行pH、有機質、全氮、有效磷、堿解氮、緩效鉀和速效鉀等7個項目的能力驗證。使用穩健統計對能力驗證結果進行了分析和評價。

1 實 驗

1.1 能力驗證樣品

本次能力驗證所用樣品由農業農村部肥料質量監督檢驗測試中心(成都)提供(1個考核樣，2個干擾樣)，能力驗證樣品發放前，依據《能力驗證樣品均勻性和穩定性評價指南》(CNAS-GL03)[7]，采用單因子方差分析法和T檢驗法對樣品進行均勻性和穩定性檢驗。

1.2 能力驗證項目和方法

本次能力驗證項目為土壤養分項目，分別為pH、有機質、全氮、有效磷、堿解氮、緩效鉀和速效鉀等7個項目。本次考核中，推薦檢測標準和方法，主要參考相關農業標準和《土壤分析技術規范》(第二版)[8]。

1.3 結果統計和評價標準

根據CNAS-GL02：2006《能力驗證結果的統計和能力評價指南》，為充分減少極端值對統計結果的影響，同時又不需將極端值從數據集合中剔除，本次能力驗證采樣四分位距和中位值穩健(Z比分數)統計技術。Z值計算公式如下：

式中：Z——實驗室的Z比分數

x ——實驗室的測試結果

X——給定值，本次能力驗證采用中位值作為給定值

NIQR—標準化四分位間距

Z值的大小反映了各實驗室結果與中位值的偏離程度，Z值的符號“+”與“-”表示實驗室結果相對于中位值的偏離方向。當|Z|≤2時，結果滿意；當2<|Z|<3時，結果可疑；當|Z|≥3時，結果不滿意或離群。

統計結果通過繪制Z比分數序列直方圖，可清晰地反映實驗室間的差異，并對參加實驗室的檢測能力情況進行判定。

2 結果與討論

2.1 實驗室檢測結果分析

在能力驗證結果統計分析中，未對干擾樣品的結果進行統計，只對考核樣的數據進行統計分析。本次能力驗證共向38家實驗室發放樣品38組，收到數據38組，統計pH值、有機質、全氮、有效磷、堿解氮、緩效鉀和速效鉀的測定結果的頻數，根據含量分組及頻數繪制分布直方圖并進行正態擬合，可以看出，雖有個別極端值出現，但整體數據近似于正態分布(見圖1)，表明用四分位穩健統計方法是可靠的。

圖1 測試結果的數據分布Fig.1 Data distribution of test results

對各實驗室上報的測定結果按照穩健Z比分法進行統計。從表1中可見，本次能力驗證的穩健變異系數(Robust CV)介于1.1%～10.6%之間，其中pH、有機質和全氮等3個全量養分項目的CV值明顯小于有效磷、堿解氮、緩效鉀和速效鉀等4個有效養分項目的CV值，總體顯示出參加實驗室的整體水平較高，但變動范圍和CV值差異同時也顯示部分實驗室的有效養分項目檢測能力有待提高。

表1 實驗室檢測結果統計分析匯總Table 1 Statistical analysis of laboratory test results

2.2 實驗室檢測結果Z比分數及滿意率分析

本次能力驗證共對38家實驗室進行了評價，包含四川省的農業、地質體系內實驗室和第三方檢測實驗室，分布較廣，可在一定程度上反映四川省內從事土壤常規養分項目檢測實驗室的整體檢測能力水平。參加實驗室檢測土壤養分的能力狀況用Z比分數表示，圖2～圖8分別為土壤pH值、有機質、全氮、有效磷、堿解氮、緩效鉀和速效鉀的能力狀況的Z比分數柱狀圖。

圖2 參加實驗室土壤pH測試能力的Z比分數Fig.2 Distribution diagram of Z value of pH

圖3 參加實驗室土壤有機質測試能力的Z比分數Fig.3 Distribution diagram of Z value of organic matter

圖4 參加實驗室土壤全氮測試能力的Z比分數Fig.4 Distribution diagram of Z value of total nitrogen

圖5 參加實驗室土壤有效磷測試能力的Z比分數Fig.5 Distribution diagram of Z value of available phosphorus

圖6 參加實驗室土壤堿解氮測試能力的Z比分數Fig.6 Distribution diagram of Z value of alkali-hydrolyzed nitrogen

圖7 參加實驗室土壤緩效鉀測試能力的Z比分數Fig.7 Distribution diagram of Z value of slow-acting potassium

圖8 參加實驗室土壤速效鉀測試能力的Z比分數Fig.8 Distribution diagram of Z value of quick-acting potassium

此次能力驗證參加實驗室的滿意度情況分布在71.1%～100%，具體見表2。從這7個項目的滿意度來看，各項目滿意度：堿解氮>速效鉀>全氮>緩效鉀>pH=有機質>有效磷，參加實驗室在本次能力驗證的7個項目上表現出的檢測水平上參差不齊，通過查看各實驗室反饋原始記錄，結合實驗間的經驗交流和總結文獻研究，逐項對本次驗證項目的滿意度和檢測要點進行分析討論。

表2 實驗室檢測結果評價統計表Table 2 The statistical table for evaluation of laboratory test results

2.3 原因分析

2.3.1 土壤pH值

本次能力驗證土壤pH的滿意度為89.5%，根據原始記錄的反饋情況，各實驗室使用的酸度計有國產的、進口的，其中使用上海雷磁酸度計的實驗室較多，未發現由于儀器品牌、型號不同而產生明顯的結果差異。在土壤pH的檢測過程中應注意以下問題[9]。

一是長時間存放未使用的電極使用前在0.1 mol/L鹽酸溶液或水中浸泡24 h以上，使之活化。二是去除CO2的水，要煮沸10 min以上，使水中CO2完全排除，再加蓋冷卻，在當日內使用。三是電極在懸濁液中所處的位置對測定結果有影響，玻璃電極球泡下部位于土液界面處，甘汞電極插入上部清液。四是pH讀數時搖動燒杯會使讀數偏低，應在搖動后稍加靜止再讀數。五是在測量樣品pH前，至少使用兩種pH標準緩沖溶液進行pH計的校正。六是如果做批量樣品，建議每做10個樣品用標準緩沖液(6.86)校準pH計，以監控pH計的穩定性，并盡量按土壤類型將pH相差大的樣品分開測定，以避免因電極響應遲鈍而造成的測定誤差。七是溫度影響電極點位和水的電離平衡，測量時土壤懸浮液的溫度和標準緩沖液溫度之差不能超過1 ℃。

2.3.2 土壤有機質

本次能力驗證土壤有機質的滿意度為89.5%，所有實驗室均采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質，容量法雖操作簡單，無需較高的分析技術和特殊儀器設備，但實際檢測中，要把土壤有機質結果做準確并不易，需注意以下幾點[10-12]：

(1)消煮溫度和時間的影響，當油浴鍋溫度在185～190 ℃之間時，放入消煮管，使油浴溫度維持在175～180 ℃之間，注意油浴液面要高于消煮管中溶液面，確保樣品溶液完全受熱。從消煮管中溶液真正沸騰時開始計時，加熱(5±0.5) min，期間可以輕輕晃動鐵絲籠幾次，保證溶液溫度均勻。注意判斷溶液真正沸騰，剛開始消煮管內有少量的小氣泡產生，這是有機質被氧化而釋放出的二氧化碳，不是溶液沸騰，尤其是含碳酸鹽的土壤，剛加熱就有大量的二氧化碳產生，這也不是溶液沸騰，只有溶液真正沸騰才能開始計時。

(2)氧化劑添加量的影響，消煮液一般是黃褐色，如果以綠色為主，說明溶液中有Cr3+，即氧化劑重鉻酸鉀不足，應該減少稱樣量重新測定。如果樣品測定時消耗的硫酸亞鐵溶液體積小于空白試驗所用硫酸亞鐵溶液的1/3，說明有機碳氧化不完全，氧化劑量不夠，應減少稱樣量重新測定。

(3)滴定過程的影響，滴定中溶液顏色的變化是橙紅→藍綠→棕紅，當溶液滴落處顏色呈橙黃色→淺綠色時，可加快滴定速度；當溶液滴落處顏色呈綠色→深綠色時，可放慢滴定速度；當溶液滴落處顏色呈藍綠色→灰綠色時，須逐滴加入，最后要一滴一搖或者半滴一搖，直到滴定終點。

2.3.3 土壤全氮

本次能力驗證土壤全氮的滿意度為92.1%，根據原始記錄的反饋情況，各實驗室使用的定氮儀有全自動的、半自動的，有國產的、進口的，未發現由于滴定方式(儀器滴定或者人工滴定)，儀器品牌、型號不同而產生明顯的結果差異。在土壤全氮的檢測過程中應注意以下問題[13-17]：

(1)樣品消解過程注意事項，嚴格按照標準要求加入2 g加速劑和5 mL濃硫酸，硫酸量多量少都會影響檢測結果。開始用小火加熱消煮，待試管內反應緩和時(約10 min～15 min)，再加強火力，消煮溫度應控制在360～400 ℃之間，使消煮土液保持微沸狀態，硫酸蒸汽在消化管上部1/3處冷凝回流。消煮溫度超過400 ℃土液將劇烈沸騰，硫酸蒸汽達到消化管頂部甚至溢出，將引起硫酸銨的熱分解而導致氮素損失。當消煮溫度低于360 ℃時，容易消解不完全，特別是雜環氧化合物不易分解，使檢測結果偏低。待樣品消解成灰白帶綠色狀態后，需再繼續消煮60 min，使樣品中的含氮化合物完全轉化為氨態氮。消煮時間不夠，樣品中的氮不能完全轉化，造成結果偏低，消煮時間過長會造成樣品濺失、干結。

(2)氨蒸餾注意事項，樣品蒸餾前，要先檢查蒸餾裝置是否漏氣，并空蒸定氮儀30 min以洗凈管道，防止儀器污染。蒸餾時，定氮儀冷凝器的承接管應插入硼酸溶液中，以免吸收不完全，導致檢測結果偏低。蒸餾完后要注意防止倒吸。蒸餾時間一般為5 min，但由于儀器型號及蒸餾電流設置不同，應首先做試驗確定，即用納氏試劑逐分鐘檢查蒸餾液中是否含有銨。

三是樣品滴定注意事項，用0.01 mol/L的酸標準溶液滴定蒸出液，空白滴定所用的酸標準液體積一般不超過0.40 mL，如果超過該值，說明該批次消煮液可能被污染，需查明原因重新做樣。空白樣品和土壤樣品應滴到同一個標準，兩者的滴定終點應保持一致。

2.3.4 土壤有效磷

本次能力驗證土壤有效磷檢測采用的化學浸提法(Olsen法)，其原理是用含有高濃度的化學試劑和土壤土壤樣品充分平衡，用從土壤中交換到溶液中的磷含量來表征土壤有效磷的數量，水土比、浸提劑、浸提溫度、時間等都對測定結果有很大影響。相對而言，土壤養分常規7項中，有效磷最難做好，這也可能是本次盲樣考核土壤有效磷的滿意度最低的原因，只有72.1%。根據我們實驗室的檢測經驗和總結文獻研究[18-25]，將土壤有效磷的檢測關鍵點總結如下：

(1)浸提劑pH值。方法所用浸提劑為0.5 mol/L的NaHCO3(pH值=8.5)，土壤有效磷的測定值隨pH值的增加而增大，因此每次浸提前都要重新校正pH，并且保證一個批次的標線、標樣和樣品所使用的浸提劑pH一樣。

(2)浸提溫度和浸提容器。Olsen法對溫度條件要求嚴格，浸提溫度包括室溫、液溫、器皿溫度等幾個方面，以(25±1)℃為標準，溫度每升高1℃，土壤有效磷含量增加0.43 mg/kg。當室溫高于或低于25 ℃時，先開空調進行室溫調整，并使溫度先穩定1 h，使所有器皿溫度與室溫一致，冬季可以加熱浸提劑至25℃后使用。標準上的浸提容器是200 mL的塑料瓶，在日常檢測時，必須保證一批樣品的中標樣和樣品的浸提容器一致，因為容器的大小會影響測量結果，尤其是對于含有效磷高的土壤，容器太小會導致結果偏低。

(3)振蕩時間和頻率。土壤有效磷的測定值隨著振蕩時間的增加而增加，必須嚴格按照標準，在(25±1)℃的空氣浴或水浴中，用(180±20)r/min的頻率振蕩(30±1)min后，立即搖勻過濾。

(4)顯色溫度和時間：鉬銻抗法顯色以20～40 ℃為宜，溫度高顯色快，溫度低則顯色慢，如果室溫低于20 ℃，可放置在30～40 ℃的培養箱中保溫30 min，取出冷卻后比色，比色波長為880 nm，此波長處無有機質干擾。

2.3.5 土壤堿解氮

本次能力驗證土壤堿解氮檢測采用堿擴散法，此法步驟繁瑣，影響因素較多，雖然該項目本次考核的滿意度為100%，但在日常的批量檢測中，為了提高檢測效率，提高準確的檢測數據，就必須對易出問題的環節嚴格把關[26-27]。

堿擴散法中，堿解使用的高濃度氫氧化鈉與吸收液硼酸在同一個容器(擴散皿)的內外室中，極易造成交叉污染，造成結果偏高，因此在選擇擴散皿，盡量選內室深一點的擴散皿。在涂堿性膠液時要特別細心并且不能涂太多，蓋上毛玻璃片(毛面向下)后，要旋轉數次，不能有氣泡，保證完全蓋嚴，以防擴散過程中有氨氣逸出，造成結果偏低。在加氫氧化鈉時，速度要快、手法要穩，以免飛濺到內室或生成的氨氣漏出。用硼酸吸收氨時，溫度不宜超過40℃，溫度過高，影響硼酸對氨的吸收。實驗完后，先用水多次沖洗擴散皿后，放入稀酸中浸泡，再依次用自來水、純水沖洗干凈，正常風干后待用。如果擴散皿內室不干凈，一加硼酸就會立刻變藍，就需要重做。

2.3.6 土壤緩效鉀

本次能力驗證土壤緩效鉀的滿意度為91.9%，根據原始記錄的反饋情況，74.1%的實驗室用火焰光度計法，18.5%的實驗室用原子吸收分光光度法，7.4%的實驗室用等離子體發射光譜法，未發現因所用儀器不同而產生明顯的結果差異，土壤緩效鉀的檢測難點在提取環節，提取時要注意以下兩點[28-29]：

(1)跟土壤有機質檢測一樣，消煮溫度和時間對檢測結果影響較大，加熱時溫度要均勻，不要忽高忽低，油浴液面要高于消煮管中溶液面，確保樣品溶液完全受熱。

(2)煮沸時間要嚴格掌握，煮沸10 min是從溶液真正開始沸騰起計算時間，碳酸鹽土壤消煮時有大量的CO2氣泡產生，注意區分溶液真正沸騰。對于某些富含有機質或碳酸鈣的土壤，煮沸時應注意避免溶液溢出。

2.3.7 土壤速效鉀

本次能力驗證土壤速效鉀的滿意度為97.3%，原始記錄反饋的儀器使用情況與土壤緩效鉀一直，未發現因所用儀器不同而產生明顯的結果差異。土壤速效鉀的檢測難點在浸提環節，和土壤有效磷浸提一樣，浸提劑、浸提的溫度、時間、容器、振動頻率都對結果有很大的影響，浸提過程注意事項參考土壤有效磷檢測。此外，含乙酸銨的鉀標準溶液不能久放，以免長霉影響測定結果，如果樣品含量過高需要稀釋時，應用乙酸銨浸提劑稀釋定容，以消除基體效應[30]。

3 結 論

此次共組織了土壤養分7各項目的能力驗證，參加者主要是四川省內的實驗室，雖然參加的實驗室不是很多，結果滿意率也尚可，但基本客觀反映了四川省內從事土壤常規養分項目檢測實驗室的整體檢測能力水平。土壤常規養分項目檢測看似簡單，但實際檢測過程中影響因素多、細節把握嚴格，需要檢測人員具有豐富的經驗和過硬的業務能力。

有關土壤常規養分項目的能力驗證、盲樣考核、實驗室比對活動較少，建議加強這類項目的能力驗證等外部質控活動頻率，讓實驗室通過此類實驗室對比活動積累經驗，減小差距，不斷提高自身檢測業務能力，為客戶提供更準確、可靠的檢測數據，為耕地質量保護與監測提供更有力的技術支撐。