FOSS Kjeltec 8400全自動凱式定氮儀測定土壤全氮方法探討

高 飛，陳素賢，杜曉玉，周 欣，王 熹

（北京市耕地建設(shè)保護中心，北京 100101）

氮是植物生長的必要營養(yǎng)元素之一，土壤全氮含量的高低，反映了土壤的潛在供氮水平。因此，全氮分析是土壤檢測的重要指標。在土壤科學、植物科學等領(lǐng)域?qū)ν寥罓I養(yǎng)供應、植物營養(yǎng)吸收等的研究均需測定土壤全氮含量。測定土壤全氮的經(jīng)典方法是采用半微量開氏法。該方法原理是用濃硫酸消煮土壤樣品，使有機氮轉(zhuǎn)化為氨，并與硫酸結(jié)合成硫酸銨，向消煮液中加入過量氫氧化鈉后蒸餾，將銨鹽轉(zhuǎn)化成氨，隨水餾出后用過量硼酸溶液吸收，然后以標準酸滴定，計算出土樣中全氮含量。該方法雖然所需儀器設(shè)備簡單，但操作復雜，且結(jié)果受環(huán)境和人為因素影響較大，分析效率較低。基于經(jīng)典的半微量開氏法設(shè)計的FOSS Kjeltec 8400型全自動凱式定氮法，可實現(xiàn)樣品消煮、蒸餾、滴定等過程全自動化控制。FOSS Kjeltec 8400型全自動凱氏定氮儀應用高精度顏色傳感器和智能化程序控制判斷滴定終點，可自動完成加水、加酸、加堿、蒸餾、滴定、滴定杯清洗、消化管排空等步驟。在檢測過程中無需人為干預，避免了蒸餾、滴定過程中的人為誤差，整個過程只需幾分鐘，大大提高了工作效率。FOSS Kjeltec 8400型全自動凱氏定氮儀法在測定土壤全氮過程中，主要有3個過程：消化分解過程、堿解蒸餾過程和標準酸滴定過程。筆者通過測定標準土樣和耕層土樣中的全氮，進行對比試驗，分析了2種方法的精密度和準確度，旨為采用FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀測定土壤全氮含量提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗樣品

土壤樣品：采自北京市各區(qū)縣耕層土壤，樣品數(shù)量為10個，采樣深度為0~20 cm。采集的土壤樣品平鋪于樣品盤，去除殘根、石塊等雜物，室溫（25℃左右）條件下自然風干。風干后的土壤樣品平鋪在制樣板上，剔除雜物，用木棍碾壓、研磨，過0.25 mm篩，用于土壤全氮測定。

標準土樣：選取廣州廣電計量檢測股份有限公司研制的農(nóng)用地土壤有效態(tài)成分參比物質(zhì)（編號為SAS-1、SAS-2、SAS-3）。

1.2 主要儀器與試劑

全自動凱氏定氮儀：Kjeltec 8400型，瑞士FOSS公司；凱氏定氮管：250mL，瑞士FOSS公司；電子天平：ME104型，感量為0.000 1 g，瑞士梅特勒公司；電熱消解儀：DigiBlock EHD 20型，北京萊伯泰科有限公司。試驗所用試劑均為分析純。試驗用水為去離子水。

氫氧化鈉溶液[c(NaOH)=10 mol·L]：稱取400 g氫氧化鈉，溶解于少量水中，移入1 L容量瓶中，加水至刻度，搖勻。

硫酸標準溶液[c(1/2 HSO)=0.02 mol·L]：吸取15.0 mL硫酸慢慢注入到400 mL水中，混勻，冷卻后轉(zhuǎn)移入1 L容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，即得硫酸標準溶液[c(1/2 HSO)=1.0 mol·L]。吸取硫酸標準溶液[c(1/2 HSO)=1.0 mol·L]20.0 mL，用1 L容量瓶稀釋至刻度，即得硫酸標準溶液[c(1/2 HSO)=0.02 mol·L]。

硫酸標準溶液標定：準確稱取已在250℃干燥4 h的基準無水碳酸鈉，置于250 mL錐形瓶中，加50 mL水溶解，再加2滴甲基紅指示劑，用硫酸溶液滴定至紅色剛出現(xiàn)，小心煮沸至紅色褪去，冷卻至室溫；繼續(xù)滴定、煮沸、冷卻，直至剛出現(xiàn)的微紅色再加熱時不褪色為止。以滴定用去硫酸溶液實際體積計算出硫酸標準滴定溶液濃度。

混合指示劑：稱取0.5 g溴甲基綠和0.1 g甲基紅溶解于100 mL的95%乙醇中。

硼酸-指示劑混合溶液：硼酸質(zhì)量濃度為10 g·L。將10g硼酸溶于950 mL蒸餾水中，加入20 mL的混合指示劑，充分混合后，滴加氫氧化鈉溶液[c(NaOH)=0.1 mol·L]，直至溶液呈紫紅色（pH值為4.5），稀釋定容1 L。

1.3 樣品處理

準確稱取1.000 0 g土壤樣品于干燥的消煮管底部，每個樣品3次重復。消煮管中加入2 g催化劑（KSO∶CuSO∶Se=100∶10∶1）和5 mL濃硫酸，混勻。將消煮管置于已設(shè)定好溫度的電熱消解儀上。在150℃下加熱10 min，350℃下加熱10 min，420℃下加熱60 min，直至消煮液變?yōu)榛野咨蛏詭ЬG色的澄清溶液。待消煮液冷卻后，分別進行半微量開氏法測定和Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀法蒸餾滴定。

1.4 半微量開氏法測定方法

按國標NY/T 53-1987《土壤全氮測定法》進行測定。在消煮液冷卻后，用30 mL去離子水定量全部轉(zhuǎn)入蒸餾器內(nèi)。在150 mL錐形瓶中，加入5 mL硼酸-指示劑混合液，放在冷凝管末端，管口置于硼酸液面上3~4 cm處。向蒸餾室內(nèi)緩慢加入20 mL濃度為10 mol·L的氫氧化鈉溶液，通入蒸汽蒸餾，待餾出液體積約50 mL時，停止蒸餾，用硫酸標準溶液滴定餾出液至顏色由藍綠色剛變?yōu)榧t紫色，記錄所用標準酸體積（mL）。設(shè)置2個空白。

1.5 Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀測定方法

1.5.1 儀器工作條件 配置滴定儀，設(shè)置工作參數(shù)為：加水20 mL、氫氧化鈉溶液25 mL、硼酸-指示劑混合溶液25 mL，在滴定劑桶中加入已標定的0.02 mol·L的硫酸標準溶液。

1.5.2 操作步驟 使用Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀進行蒸餾測定。打開全自動凱氏定氮儀和酸滴定儀，接好冷凝進水管和氫氧化鈉溶液進水管。按啟動開關(guān)鍵后，開始進行蒸餾滴定，設(shè)置2個空白，儀器測定的2次空白值相差＜0.05 mL開始樣品測定。

根據(jù)以下公式計算土壤中全氮（N）含量，以質(zhì)量分數(shù)w計，數(shù)值以百分數(shù)（%）表示。

式中，為酸標準滴定溶液濃度，單位為摩爾每升（mol·L）；為滴定試樣溶液所消耗的酸標準滴定液體積，單位為毫升（mL）；為滴定空白溶液所消耗的酸標準滴定液體積，單位為毫升（mL）；0.014為

N的摩爾質(zhì)量，單位為千克每摩爾（kg·mol）；m為

風干試樣質(zhì)量，單位為克（g）；f為干試樣吸濕水含量，單位為百分率（%）。

1.6 統(tǒng)計分析

每個土壤樣品均重復測定3次，全氮含量以氮元素的質(zhì)量分數(shù)表示。3次測量值X的算術(shù)平均值為土樣全氮的估計值，即測定結(jié)果。測定結(jié)果中的允許絕對偏差按照標準NY/T 1121.24—2012《土壤檢測第24部分：土壤全氮的測定自動定氮儀法》執(zhí)行，標準偏差采用Excel中公式計算，RSD值為標準偏差與算術(shù)平均值的比值。采用SPSS軟件分析工具庫的配對樣品t檢驗，進行2種方法的差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種方法測定土樣全氮結(jié)果比較

2.1.1 2種方法測定耕層土壤全氮結(jié)果相關(guān)性分別用半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定10份耕層土壤樣品，以半微量開氏法測定結(jié)果為橫坐標(x)、FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定結(jié)果為縱坐標(y)進行線性回歸。由圖1可知，線性回歸方程為=0.990 9+0.000 9，相關(guān)系數(shù)為0.999 8，表明2種方法測定結(jié)果之間呈極顯著相關(guān)。

圖1 半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法耕層土樣全氮測定結(jié)果相關(guān)性

表1為半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定10份耕層土壤樣品中全氮含量的t檢驗結(jié)果。由表1可知，2種分析方法測定平均值分別為0.162 8%，0.162 2%；t檢驗結(jié)果表明，雙尾檢驗＞0.05，表明2種方法測定結(jié)果沒有明顯差異。

2.1.2 2種方法測定標準土樣全氮結(jié)果相關(guān)性分別用半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定3份標準土壤樣品，以半微量開氏法測定結(jié)果為橫坐標(x)、FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定結(jié)果為縱坐標(y)進行線性回歸。由圖2可知，線性回歸方程為=0.992 8+0.000 3，相關(guān)系數(shù)為0.999 7，表明2種方法測定結(jié)果之間呈極顯著相關(guān)。

表1 配對樣品t檢驗

圖2 半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法標準土樣全氮測定結(jié)果相關(guān)性

表2為半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定3份標準土壤樣品中全氮含量的t檢驗結(jié)果。由表2可知，2種分析方法測定平均值分別為0.100 4%，0.100 0%；t檢驗結(jié)果表明，雙尾檢驗＞0.05，表明2種方法測定結(jié)果沒有明顯差異。

表2 配對樣品t檢驗

2.2 精密度試驗

表3和表4分別為半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定耕層土樣全氮的結(jié)果。結(jié)果顯示，半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定的耕層土樣全氮含量的標準偏差分別在0.001 0%~0.003 2%，0.001 2%~0.002 1%之間。每個樣品平行間的誤差均在誤差允許范圍內(nèi)，相對標準偏差（RSD）均小于5%，說明2種方法測定的土壤全氮精密度較高，穩(wěn)定性較好。與半微量開氏法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定結(jié)果的相對標準偏差較小。

表3 半微量開氏法測定土壤全氮結(jié)果精密度 %

表4 FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定土壤全氮結(jié)果精密度 %

2.3 準確度試驗

分別用半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定標準土樣SAS-1、SAS-2、SAS-3中的全氮含量，每個標準土樣平行測定3次，測定結(jié)果見表5和表6。2種方法測定的標準土樣全氮含量均在參比物質(zhì)量值范圍內(nèi)，相對標準偏差均小于5%，說明2種方法的準確度較好。與半微量開氏法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定標準土樣全氮含量均值更接近參比物質(zhì)量值，且相對標準偏差較小。

表5 半微量開氏法測定土壤全氮結(jié)果準確度 %

表6 FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定土壤全氮結(jié)果準確度 %

3 結(jié)論與討論

半微量開氏法是國家標準方法，由于制定時間較早，操作過程復雜，在滴定過程中，需要接觸強酸強堿，具有一定的危險性。人工滴定時耗費人力，且對終點的判定存在人為誤差。FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀測定過程中，強酸強堿試劑均在封閉室內(nèi)自動加入，降低了危險性，而且可以提高氨氣吸收的水平，基本不受溫度、壓力等方面的影響，進而提高了試驗的準確性。高精度顏色傳感器使滴定終點更準確，減少了人為操作誤差。與半微量開氏法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動定氮儀測定操作簡便，且具有較高的精確度和準確度。

應用半微量開氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動定氮儀法測定土樣中全氮含量，2種方法的測定結(jié)果之間無明顯差異，且精確度和準確度都較高，穩(wěn)定性較好，相對標準偏差均小于5%。2種方法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動定氮儀具有較高安全性，而且操作簡便，能夠降低勞動強度，減少操作風險和人為誤差，適合大批量土壤樣品全氮的測定。