有機質分析儀檢測土壤中有機質的方法研究

楊茜唐友云郭立君陳實李海露李微艷吳小丹

(1.湖南省土壤肥料研究所/農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，湖南 長沙 410125；2.湖南產商品質量檢驗研究院，湖南 長沙 410000)

土壤有機質是指土壤中含碳的有機化合物，主要包括土壤中的各種動物、植物殘體，微生物及其分解和合成的各種有機物。土壤有機質是土壤固相部分的重要組成部分，為土壤微生物活動提供能源，也為植物生長提供所需要的各種營養元素[1]。土壤有機質是評價土壤內部性能和肥力的一個重要指標，其含量的高低影響著作物的生長狀況和產量[2]。土壤有機質已成為土壤理化分析檢測的重要指標之一[3]。現行土壤有機質的檢測標準使用的是油浴法[4]或沙浴法[5]，油浴法采用的是170～180℃油浴加熱，管內溶液沸騰后計時5±0.5min。實驗室通常使用石蠟油，加熱過程味道刺鼻，造成實驗室空氣污染，溫度波動幅度大不易調控，消煮管外壁附著油污難以清洗，高溫油浴存在安全隱患。以上標準發布使用最長已達30多年，難以滿足國內越來越多農田監測項目針對實驗室大批量檢測土壤有機質安全、精準、高效、環保的要求。國內已有部分學者采用多孔消解器或智能樣品處理器進行土壤樣品前處理檢測有機質得到較為滿意的結果[6，7]。石墨爐消煮-容量法作為一種新型的土壤有機質測定方法，用石墨爐消煮替代了油浴加熱，具有可控性好，穩定性高，操作安全、簡便，減少環境污染的優點[8，9]。但現有文獻關于此方法的使用標準尚未統一[10，11]。本研究采用以石墨爐消煮-容量法為原理研制的全自動土壤有機質分析儀，采用不同時間和溫度處理，得出最適的檢測方法。為實驗室批量檢測提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗樣品

國家標準物質：GBW(E)070335(ASA-14黑龍江黑土)，GBW(E)070336(ASA-15安徽潮土)，GBW(E)070339(ASA-18吉林棕壤)，GBW(E)070341(ASA-20陜西黃綿土)；有機質標準值范圍分別為46±3g·kg-1、12.8±0.8g·kg-1、33±2g·kg-1、3.5±0.5g·kg-1，由農業農村部環境保護科研監測所、津標(天津)計量檢測有限公司生產。常規土樣取自長沙市郊區農田土壤。

1.1.2 藥品試劑

1.1.2.1 0.4mol·L-1重鉻酸鉀-硫酸溶液

稱取40.0g重鉻酸鉀(分析純)溶于600～800mL水中，用濾紙過濾到1L量筒內，用水洗滌濾紙，并加水至1L，將此溶液轉移入3L大燒杯中。另取1L密度為1.84的濃硫酸，分批慢慢倒入重鉻酸鉀水溶液中，不斷攪動。待溶液冷后存于試劑瓶中備用。

1.1.2.2 0.2mol·L-1重鉻酸鉀標準溶液

準確稱取130℃烘2～3h的重鉻酸鉀(分析純)9.807g，用少量水溶解，無損移入1000mL容量瓶中，加水定容。

1.1.2.3 鄰菲啰啉(C12HgN2·H2O)指示劑

稱取鄰菲啰啉1.49g溶于含有1.00g六水合硫酸亞鐵銨的100mL水溶液中。此指示劑易變質，應密閉保存于棕色瓶中。

1.1.2.4 0.2mol·L-1硫酸亞鐵標準溶液

稱取55.6g硫酸亞鐵(分析純)溶解于600～800mL水中，加濃硫酸(分析純)20mL攪拌均勻，靜置片刻后用濾紙過濾到1L容量瓶中，用水洗滌濾紙并加水至1L。此溶液易被空氣氧化而致濃度下降，每次使用時應標定其準確濃度。

1.1.2.5 硫酸亞鐵溶液的標定

吸取0.2000mol·L-1重鉻酸鉀標準溶液20.00mL于樣品杯中，放入1顆磁力攪拌粒，加濃硫酸3～5mL和鄰菲啰啉指示劑2～3滴，加水30mL，以硫酸亞鐵溶液滴定至終點，由分析儀根據硫酸亞鐵溶液消耗體積自動計算出硫酸亞鐵標準溶液濃度。

1.1.3 試驗儀器

土壤有機質分析儀TS-8200B型，上海儀樂智能儀器有限公司生產。

1.2 樣品測定

準確稱取過0.25mm篩的風干試樣0.30～0.50g(精確到0.0001，稱樣量根據有機質范圍而定)于消解杯中。輸入時間和溫度后儀器開始運行，自動加入10.0mL重鉻酸鉀-硫酸溶液，消煮完成后以鄰菲啰啉為指示劑，用0.2mol·L-1硫酸亞鐵溶液滴定剩余的重鉻酸鉀。溶液由棕紅色變紫色至藍綠色為終點，根據消耗的重鉻酸鉀的量計算有機質含量。加液至最終得出有機質含量全過程由土壤有機質分析儀自動完成。

2 結果與分析

2.1 時間選擇

測定的土壤選用國家標準物質GBW(E)070335(ASA-14黑龍江黑土)、GBW(E)070336(ASA-15安徽潮土)、GBW(E)070339(ASA-18吉林棕壤)、GBW(E)070341(ASA-20陜西黃綿土)這4種標準物質，涵蓋了有機質濃度從低到高的范圍。參考行業標準規定土壤有機質測定的消解溫度170～180℃，本試驗使用石墨爐加熱均勻，溫度不會產生較大波動，故選擇消煮溫度170℃。消煮時間(含開始至沸騰)參考油浴法時間設置為7min、8min、9min、10min，每個樣品測定6次，根據結果與標準值的對照，找出最佳消煮時間。試驗數據見表1。

表1 不同時間處理下土壤有機質測定結果

從表1、表2可以看出，所有平行處理的結果絕對相差符合實驗室精密度測定要求，見表2。測試結果的相對標準偏差(RSD)0.4%～5.7%，相對誤差(RD)-7.2%～9.9%。消煮時間低于8min時，有機質含量高的ASA-14與ASA-15氧化時間不夠，結果偏低，落在標準值范圍以外。在消煮時間10min時，ASA-20的測定結果相對誤差偏大。其它檢測結果均在標準值范圍內，隨時間的增加而增高。為了進一步說明消煮時間對測定結果的影響，做了不同時間處理下的氧化率曲線圖，見圖1。消煮時間少于8min時，ASA-14、ASA-15、ASA-18的氧化率小于95%，氧化不完全，測定值偏低；當消煮時間超過8min時，4種測試標樣的氧化率均大于100%，測定值偏高。綜上分析，考慮檢測時間和成本，選擇8min為最佳消煮時間。

圖1 不同時間處理下土壤有機質氧化率比較

表2 平行測定結果允許相差

2.2 溫度選擇

以油浴溫度為參考，設置消煮溫度分別為165℃、170℃、175℃、180℃，消煮時間8min，每個樣品測定6次，根據其與標準值的對照，找出最佳消煮溫度。試驗數據見表3。

表3 不同溫度處理下土壤有機質測定結果

從表3可以看出，消煮溫度低于170℃時，有機質含量高的ASA-14氧化反應不夠充分，結果落在了標準值范圍外。其它檢測結果均在標準值范圍內且隨溫度的升高而增高。所有平行處理的結果絕對相差符合實驗室精密度測定要求。測試結果的相對標準偏差(RSD)0.4%～5.2%，相對誤差(RD)-7.0%～6.3%。同樣消煮溫度對測定結果也有影響，根據測定數據得到不同溫度處理下的氧化率曲線圖，見圖2。消煮溫度低于170℃時，ASA-14的氧化率小于95%，氧化不完全，測定值偏低；當消煮溫度達到175℃時，ASA-14氧化率均大于100%，測定值偏高；當消煮溫度達到180℃時，ASA-14、ASA-15、ASA-20氧化率均大于100%，測定值偏高。溫度過高會導致液體蒸發過快，反應劇烈會產生有機質損失，因此得出結論，消煮時間8min時，170℃為最佳消煮溫度。

圖2 不同溫度處理下土壤有機質氧化率比較

2.3 檢出限及測定下限

參考《土壤分析技術規范》[12]第6章土壤有機質的測定，采用《環境監測分析方法標準修訂技術導則》HJ 168-2020的理論檢出限(MDL)和測定下限(4MDL)。根據樣品的稱樣量(M)以及使用儀器所產生的最小液滴體積(V)、滴定液的濃度(c)，計算方法的理論檢出限[13]。

計算公式：

MDL=c×V×0.003×1.724×1.10×1000/M

硫酸亞鐵標準溶液濃度為0.2000mol·L-1，使用的儀器所產生的最小液滴0.09mL，最大取樣量為0.5g。0.003為1/4碳原子的毫摩爾質量，g；1.724為有機碳換算成有機質的系數；1.10為氧化校正系數。

方法檢出限：0.2000×0.09×0.003×1.724×1.10/0.5×1000=0.20g·kg-1。測定下限為4倍MDL[14]：0.20×4=0.80g·kg-1。

2.4 方法對比實驗

使用有機質分析儀，將溫度和時間設置在170℃、8min條件下，與傳統油浴法進行比較，結果見表4。所測樣品有機質含量范圍3.48～45.7g·kg-1，相對標準偏差范圍0.2%～2.8%，相對誤差范圍-0.4%～0.9%，檢測結果無顯著差異(P=0.219)，滿足化學分析方法驗證確認和內部質量控制(GB/T 32465-2015)[15]的要求。

表4 土壤有機質檢測方法對比結果(N=6)

3 結論

試驗結果表明，采用有機質分析儀測定土壤有機質含量的最佳條件為170℃、8min。

與傳統方法相比，土壤有機質分析儀不僅能解決傳統油浴法易污染實驗室空氣，溫度波動大，管壁附著難清洗，轉移過程易損失等缺點，而且整個加液、消煮、轉移、滴定、計算全過程自動化，避免了檢測過程中人為因素帶來的誤差，試驗數據更加準確。使用有機質分析儀能有效避免操作人員與重鉻酸鉀、硫酸等腐蝕性物質的頻繁接觸，安全高效，降低實驗風險。儀器檢測過程中所耗試劑要少于傳統方法，大批量檢測時可以大大節省人力物力、降低檢測成本。該方法檢出限為0.20g·kg-1，測定下限0.80g·kg-1，檢測數據能達到相應土壤評價要求[16]，適合實驗室批量測定土壤樣品的有機質。