流動分析儀與凱氏定氮儀測定土壤全氮含量之比較研究

2023-01-09 03:19:02榮國華周景云吳鴻宇魏孝榮

水土保持研究 2023年1期

榮國華, 周景云, 吳鴻宇, 魏孝榮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室, 陜西楊凌 712100)

氮素是植物生長必不可少的營養(yǎng)元素，土壤氮含量是評價土壤氮素供應(yīng)能力的重要指標(biāo)之一[1-2]。土壤全氮主要由有機(jī)氮和無機(jī)氮組成，有機(jī)氮存在于有機(jī)質(zhì)、植物和微生物殘體中，并且與無機(jī)氮通過固定和礦化過程相互轉(zhuǎn)化[2-3]。土壤學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)ν寥鲤B(yǎng)分供應(yīng)、植物養(yǎng)分吸收、溫室氣體排放等的研究中均需測定土壤全氮含量[4]。

土壤全氮含量常用凱氏定氮法測定。該方法用濃硫酸和混合加速劑對樣品進(jìn)行消煮分解，將氮素轉(zhuǎn)化為銨離子，通過測定消煮液中銨離子含量計算全氮含量。目前銨離子的定量分析主要采用蒸餾滴定法，凱氏定氮儀可以實現(xiàn)自動蒸餾、滴定等過程[6]，在土壤全氮分析測定中最為常用。此法雖然經(jīng)典，但測定時間長，蒸餾1個樣品需3～5 min，且蒸餾廢液中大量的高濃度堿處理不當(dāng)還會引起環(huán)境污染。

連續(xù)流動分析儀在銨離子分析測定中具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性等優(yōu)勢，被廣泛使用并逐漸替代蒸餾滴定方法[7-9]。該方法基于靛酚藍(lán)反應(yīng)原理，消煮液在堿性條件(pH≈13.0)下銨和次氯酸根反應(yīng)生成氯胺，經(jīng)硝普鈉催化，氯胺與水楊酸反應(yīng)生成藍(lán)綠色絡(luò)合物，在波長660 nm處比色測定[10-11]。目前使用連續(xù)流動分析儀測定土壤全氮的研究也有報道，如宋書會等使用連續(xù)流動分析儀測定土壤全氮含量，并與凱氏定氮儀測定結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法測定結(jié)果無顯著差異，而且呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系[12]。其他研究結(jié)果也表明，流動分析儀法對植物、土壤、秸稈、肥料中全氮含量的測定結(jié)果與凱氏定氮儀法無顯著差異，而且流動分析儀穩(wěn)定性更高[13-16]。

目前對流動分析儀和凱氏定氮儀法測定土壤全氮的比較研究所選用的樣品均來自同一類型，而且不同土地利用方式和質(zhì)地下的土壤全氮、顆粒組成等性質(zhì)差異巨大，其對流動分析儀法應(yīng)用是否會產(chǎn)生影響尚不清楚，從而限制了該方法適用性的評價。本研究在黃土高原從北到南選取9個地點(diǎn)3種典型土地利用方式下的土壤樣品為對象，用連續(xù)流動分析儀和凱氏定氮儀測定全氮含量，分析兩種測定結(jié)果與不同土地利用方式和土壤質(zhì)地的關(guān)系，以確定連續(xù)流動分析儀法在黃土高原土壤全氮測定中的適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和土壤樣品采集

本研究在黃土高原從北到南選取9個土壤質(zhì)地和養(yǎng)分狀況差異顯著的地點(diǎn)，在每個采樣地點(diǎn)選擇農(nóng)地、林地和草地3種土地利用方式為研究對象。9個采樣地點(diǎn)分別位于神木、榆林、米脂、綏德、延安、富縣、黃陵、銅川、扶風(fēng)(表1)。所選取的采樣地點(diǎn)農(nóng)地主要種植玉米(ZeamaysLinn)、高粱(PanicummiliaceumL.)和大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)；草地的優(yōu)勢種為多年生針茅(StipagrandisP. Smirn.)和紫花苜蓿(LotuscorniculatusL.)；林地在神木、米脂、綏德、延安、富縣、黃陵、銅川和扶風(fēng)的主要優(yōu)勢種為松樹(Pinus)和刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn)，在榆林的主要優(yōu)勢種為榆樹(UlmuspumilaL.)。

表1 不同地點(diǎn)的土壤質(zhì)地劃分

2014年9月，在每個地點(diǎn)的每個土地利用方式下布設(shè)3個10 m×10 m小區(qū)采集土壤樣品。在每個小區(qū)隨機(jī)選擇7個采樣點(diǎn)，用土鉆采集0—10 cm和10—20 cm兩個土層土壤樣品，構(gòu)成混合樣品。本研究共采集64個樣品，帶回實驗室后去除植物殘體，風(fēng)干后分別研磨過2 mm和0.25 mm篩，用于土壤顆粒組成和全氮含量測定。土壤顆粒組成使用MS2000激光粒度儀(Malvern Instruments Ltd. UK)測定[17]。

1.2 土壤樣品消解

土壤樣品用硫酸銅—硫酸鉀硫酸消解后供全氮測定[10]。稱取0.500 0 g土壤樣品于消煮管，加入1.8 g催化劑(K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1)和5 ml濃硫酸，搖勻后置于自動消解爐上加熱，在360℃消煮至消解液澄清，同時做空白試驗。消解結(jié)束后冷卻至室溫，定容至100 ml，搖勻以備分析測試。

1.3 凱式定氮儀測定土壤全氮

本研究中凱式定氮法測定土壤全氮所用儀器為全自動凱氏定氮儀(KjelFlexK-360)，配置DL15型自動滴定儀和DG115-SC電極；滴定管容積為20 ml，分辨率為1/10000，電位分辨率為0.1 mV。本方法所用試劑為40%氫氧化鈉、20 g/L硼酸、0.02 mol/L(1/2 H2SO4)標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.01 mol/L(1/2 H2SO4)標(biāo)準(zhǔn)溶液。測定過程按照儀器說明和要求操作。

1.4 連續(xù)流動分析儀測定土壤全氮

流動分析儀法測定土壤全氮所用的儀器設(shè)備為AA3型連續(xù)流動分析儀(德國布朗—盧比公司生產(chǎn))，配置有MT7和MT82化學(xué)模塊，雙通道，含AACE操作軟件。本方法所用試劑為堿性緩沖溶液、水楊酸鈉溶液、次氯酸鈉溶液、4%硫酸溶液、硫酸銨儲備液(1 000 mg N/L)。測定過程按照儀器說明和要求操作。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用JMP Pro 13軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分布檢驗、t檢驗以及相關(guān)性分析。由于土壤全氮含量不可能為0，因此，對凱氏定氮儀和流動分析儀測定的土壤全氮值進(jìn)行線性擬合時，將其截距設(shè)為0。所有圖表均采用Excel 2016軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 凱氏定氮儀和流動分析儀測定土壤全氮含量比較

流動分析儀測定的土壤全氮含量范圍為0.24～2.24 g/kg，平均值為0.89 g/kg，凱氏定氮儀測定的土壤全氮含量范圍為0.28～2.12 g/kg，平均值為0.87 g/kg。兩種分析方法測定結(jié)果之間有著極顯著正相關(guān)關(guān)系，回歸直線斜率接近1(p<0.000 1)(圖1)；t檢驗結(jié)果表明，雙尾檢驗p>0.05，兩種方法測定的土壤全氮含量無顯著差異(表2)。

圖1 流動分析儀和凱氏定氮儀測定全氮含量及其線性相關(guān)分析

表2 流動分析儀和凱氏定氮儀測定全氮含量t檢驗

2.2 土地利用方式對全氮測定結(jié)果的影響

流動分析儀和凱氏定氮儀測定的農(nóng)地、林地和草地的土壤全氮含量分別為(0.58±0.05)，(0.58±0.05)，(1.07±0.09)，(1.05±0.09)，(0.88±0.12)，(0.87±0.11) g/kg，測定結(jié)果接近。兩種方法測定結(jié)果在農(nóng)地、林地和草地的相關(guān)系數(shù)分別為0.94，0.97，0.99(p<0.01)(表2)，斜率均接近1(圖2)。t檢驗結(jié)果顯示，雙尾檢驗p>0.05，兩種方法在不同土地利用方式下測定的全氮含量無顯著差異。因此，流動分析儀和凱氏定氮儀對土壤全氮含量的測定結(jié)果不受土地利用方式的影響。

2.3 土壤質(zhì)地對全氮測定結(jié)果的影響

通過測定土壤樣品顆粒組成，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，將每個地點(diǎn)的土壤質(zhì)地劃分為砂壤土、黏壤土和壤黏土。流動分析儀和凱氏定氮儀測定的砂壤土、黏壤土和壤黏土全氮含量分別為(0.61±0.02)，(0.61±0.02) g/kg，(0.98±0.03)，(1.00±0.03) g/kg，(1.40±0.09)，(1.31±0.09) g/kg。兩種方法測定的砂壤土、黏壤土和壤黏土全氮含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.99，0.96，0.98(p<0.01)(表2)，斜率均接近1(圖2)。t檢驗結(jié)果顯示，雙尾檢驗p>0.05，兩種方法對不同質(zhì)地土壤全氮含量的測定無顯著差異(表2)。此外，流動分析儀和凱氏定氮儀測定的全氮差值與土壤黏粒(p=0.1601)、粉粒(p=0.2018)和砂粒(p=0.1789)含量無顯著的線性關(guān)系(圖3)。因此，兩種儀器的測定全氮含量不受土壤質(zhì)地的影響。

圖2 不同土地利用方式和土壤質(zhì)地下流動分析儀和凱氏定氮儀測定結(jié)果線性相關(guān)分析

圖3 流動分析儀和凱氏定氮儀測定全氮差值與土壤質(zhì)地的線性相關(guān)分析

3 討論

流動分析儀法測定的土壤全氮含量與凱氏定氮儀法測定結(jié)果無顯著差異，而且極顯著正相關(guān)，這與以前的研究結(jié)果一致[12-13]。因此，流動分析儀法可用于黃土高原土壤全氮含量的測定。另外，流動分析儀測定全氮含量所用的試劑量遠(yuǎn)小于凱氏定氮儀，試劑配制時間和儀器調(diào)試時間約需要2 h，按照測定速率50個/h，每天可測定300樣次，適合于大批量樣品的測試。