李朝英，鄭 路,

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西憑祥 532600；2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，廣西憑祥 532600)

氮素是植物生長(zhǎng)必須的養(yǎng)分，土壤氮量體現(xiàn)了氮循環(huán)狀況，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[1-3]。土壤氮素形態(tài)分為有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮兩大類，其中無機(jī)態(tài)氮含量少，僅占全氮的2%以內(nèi)，90%以上的氮素以有機(jī)態(tài)氮形式存在，如酰胺態(tài)、脂胺、芳胺和雜環(huán)氮等。有機(jī)態(tài)氮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易分解[4-6]。土壤全氮測(cè)定方法主要有干燒法和濕法消解-蒸餾法兩類。干燒法在高溫下氧化氮素，所用儀器自動(dòng)化程度高，價(jià)格昂貴，使用不普及。濕法消解-蒸餾法以強(qiáng)酸或強(qiáng)氧化劑將有機(jī)態(tài)氮氧化分解成為銨根離子，蒸餾測(cè)定全氮含量，設(shè)施簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛[7-8]。濕法消解因所用的酸和氧化劑不同而有多種方法，其中凱式法為經(jīng)典方法[9-11]。在國標(biāo)、環(huán)境保護(hù)及林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，凱式法以無溫顯裝置的電爐消解樣品，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象變化消解樣品，這種方式易存在人為偏差，且操作不便。隨著科技進(jìn)步，很多實(shí)驗(yàn)室配備了可調(diào)溫控時(shí)的石墨爐、紅外消解儀代替電爐消解樣品[12-14]。石墨爐的加熱管鋪設(shè)在石墨板下方，以石墨為導(dǎo)熱介質(zhì)，消解管置于孔洞中加熱，而紅外消解儀的消解管懸于石英加熱管上方輻射加熱，操作方便。目前對(duì)土壤全氮的消解條件有些討論[15-16]，但對(duì)不同消解儀器的消解條件鮮見討論分析，不同消解儀器的消解條件差異并不清楚。為此，本試驗(yàn)使用石墨爐、紅外消解儀以凱式法在不同溫度、時(shí)間及不同氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品等條件下消解土壤，對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，以期探討土壤全氮的適宜消解條件，為實(shí)驗(yàn)室高效利用消解儀及準(zhǔn)確測(cè)定土壤全氮提供有效可行的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試劑及儀器 硫酸、硫酸鉀、硫酸銅、鹽酸、硼酸指示劑、氫氧化鈉，均為分析純級(jí)別。

主要儀器有電子分析天平(BSA224S-CW 賽多利斯科學(xué)儀器公司)、石墨爐(SH2201 山東海能儀器公司)、紅外消解儀(SKD-48S2上海沛歐分析儀器公司)、恒溫培養(yǎng)箱(BPG-9240A上海一恒科技有限公司)。

1.1.2 樣品采集與處理 以黑龍江黑土(S1)[質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.62±0.07 g/kg和安徽潮土(S2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.09±0.07 g/kg]為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。2016年12月采集廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站伏波實(shí)驗(yàn)人工林的2個(gè)土樣。自然風(fēng)干后，過10目篩，鋪平，四分法取一半，過60目篩，裝袋標(biāo)識(shí)，分別作為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)土樣S3和S4(S3重復(fù)檢測(cè)10次，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.80±0.45 g/kg，S4重復(fù)檢測(cè)10次，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.237±0.012 g/kg)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同溫度消解 稱取標(biāo)準(zhǔn)土樣S1、S2各0.650 0 g，分別置于紅外消解儀、石墨爐的消解管中，加5 mL硫酸，1.8 g催化劑[硫酸鉀∶硫酸銅=9∶1(質(zhì)量比)混合]，分別在360、370、380、390和 400 ℃消解100 min。消解液清洗入50 mL比色管，用水定容后搖勻。抽取待測(cè)液5 mL加入擴(kuò)散皿外室，內(nèi)室加入硼酸指示劑2.5 mL，快速加入10 mol/L NaOH 10 mL，封蓋置于 40 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h，以0.01 mol/L的鹽酸滴定至紫紅色。同時(shí)做空白2個(gè)，以上試驗(yàn)重復(fù)4次。

1.2.2 不同消解時(shí)間消解 稱取標(biāo)準(zhǔn)土樣S3 0.650 0 g，S3與S4混合樣0.650 0 g(2個(gè)樣各 0.325 0 g，混合樣氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.52 g/kg)、稱取S1、S1與S4混合樣0.650 0 g(2個(gè)樣各 0.325 0 g，混合樣氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.93 g/kg)、稱取S4 0.65 g，分別放入紅外消解儀、石墨爐的消解管中，樣品消至灰綠色(稱前消解)，后消解時(shí)間分別為42、60和76 min，其他同“1.2.1”操作，同時(shí)做空白2個(gè)。以上試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2003統(tǒng)計(jì)及繪圖，使用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種消解儀適宜消解溫度的選擇

由表1可知，紅外消解儀在360 ℃和400 ℃消解與石墨爐在360 ℃消解所測(cè)結(jié)果偏低；紅外消解儀在390、380和370 ℃消解與石墨爐在370、380、390和400 ℃消解所測(cè)結(jié)果趨于一致，且無顯著性差異。紅外消解儀在360 ℃和400 ℃及石墨爐在360 ℃消解所測(cè)結(jié)果與其他條件下所測(cè)結(jié)果差異顯著。紅外消解儀在360、370、380、390和400 ℃消解所測(cè)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在 6.25%～10.20%、3.75%～4.71%、4.43%～ 5.83%、6.53%～8.91%、8.00%～11.46%，360、390和400 ℃消解所測(cè)結(jié)果RSD均大于5%，且有的樣品RSD高達(dá)8%以上；380 ℃所測(cè)結(jié)果的RSD較360、390和400 ℃小，但有樣品的RSD趨近6%，說明精密度仍欠佳，而370 ℃消解所測(cè)結(jié)果RSD均低于5%，精度度良好。石墨爐在360、370、380、390和400 ℃消解所測(cè)結(jié)果RSD分別為6.71%～10.78%、3.81%～6.48%、 3.10%～4.67%、1.82%～3.81%、 2.50%～ 2.70%。360 ℃消解所測(cè)結(jié)果RSD可高達(dá)10%以上，精密度較差，370 ℃消解所測(cè)結(jié)果RSD較360 ℃的有所降低，但有樣品的RSD大于6%，說明精密度仍欠佳；380、390和400 ℃消解所測(cè)結(jié)果RSD小于5%，精密度良好。紅外消解儀在360 ℃和400 ℃消解樣品的回收率低于92%， 390 ℃消解樣品的回收率在92.66%～94.44%，均低于95%，380 ℃消解樣品的回收率為 94.49%～97.53%。有的樣品回收率小于95%，370 ℃消解樣品的回收率在97.24%～98.77%，樣品回收率均在95%～100%，故 370 ℃消解樣品的準(zhǔn)確性較高。石墨爐在360 ℃消解樣品的回收率均低于92%。370 ℃消解樣品的回收率在93.58%～ 96.91%，有的樣品回收率小于95%；380、390和 400 ℃回收率在96.33%～ 101.85%，樣品的回收率均在95%～102%，故380、390和400 ℃消解樣品的準(zhǔn)確性較高。

表1 2種消解儀在不同溫度條件下的測(cè)定結(jié)果Table 1 The results determined by two digest instruments under different temperatures

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters in same column indicated is significantly different (P<0.05).

由上可見，紅外消解儀適宜消解溫度為 370 ℃，石墨爐適宜消解溫度為380～400 ℃，2種消解儀的適宜消解溫度有所不同。

2.2 消解時(shí)間的選擇

由表2可知，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.237、0.93～ 1.62、4.52和8.8 g/kg樣品以石墨爐消解至灰綠色用時(shí)(前消解時(shí)間)分別為18、25、35和54 min。紅外消解儀消解樣品至灰綠色用時(shí)分別為15、18、22、30和47 min。石墨爐前消解用時(shí)大于紅外消解儀。氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.237 g/kg的樣品，石墨爐消解60、78和94 min，紅外消解儀分別消解57、75和91 min的回收率大于95%，RSD小于4.2%。氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.93～8.8 g/kg的樣品，2種消解儀后消解42 min的回收率在91.36%～94.71%,RSD在4.00%～5.75%;后消解時(shí)間等于或大于60 min的回收率為96.04%～ 101.85%，RSD在1.82%～4.18%。以上說明含氮量低的樣品有機(jī)氮量低，易于消解充分，消解用時(shí)不到60 min。樣品含氮量達(dá)到一定程度時(shí)，有機(jī)氮量增加，樣品不易消解充分。樣品完成前消解，后消解時(shí)間低于60 min，消解不充分，導(dǎo)致所測(cè)結(jié)果偏低，精密度及準(zhǔn)確性欠佳；樣品后消解時(shí)間等于或長(zhǎng)于60 min，消解充分。2種消解儀所測(cè)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)相差為0.25%～ 5.10%，測(cè)定結(jié)果趨于一致，且精密度及準(zhǔn)確性良好。因此，后消解時(shí)間至少為60 min。含氮0.237、 0.93、 1.62、4.52和8.8 g/kg的樣品，石墨爐適宜消解時(shí)間為60、85、87、95和114 min，紅外消解儀適宜消解時(shí)間為57、78、82、90和107 min。2種消解儀的消解時(shí)間隨樣品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高呈增加趨勢(shì)。對(duì)于相同氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品，2種消解儀的適宜消解時(shí)間差低于10 min?！?.1”中所用樣品的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.09～1.62 g/kg，石墨爐、紅外消解儀采用消解時(shí)間均為100 min，與上述消解時(shí)間相吻合，確保樣品消解充分。

由圖1可見，石墨爐與紅外消解儀在適宜消解溫度及時(shí)間條件下所測(cè)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)擬合的回歸方程y=1.027x-0.014，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9。說明2種消解儀所測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，P=0.301 2，2種消解儀所測(cè)結(jié)果呈顯著性相關(guān)。

表2 2種消解儀不同消解時(shí)間的回收率及RSD(n=4)Table 2 Recovery rate and RSD (n=3) of different digestion times of two kinds of digestion instruments

圖1 2種消解儀所測(cè)結(jié)果擬合的線性方程Fig.1 Regression equations for fitting the results measured by two digestion instruments

2.3 2種消解儀的比較

由表3可見，紅外消解儀的消解管內(nèi)徑(D1)小，受熱高度(L1)為14.5 cm，受熱表面積(S1)為118.32 cm2，是石墨爐消解管受熱面積(S2)的 4.5倍。石墨爐的消解管內(nèi)徑(D2)大，是紅外消解儀的1.58倍，受熱高度(L2)為4.1 cm，僅占消解管高度(H2)的14.14%。紅外消解儀受熱表面積(S1)大，樣品升溫快，開機(jī)10 min達(dá)到設(shè)定溫度。石墨爐升溫平緩，20～25 min達(dá)到設(shè)定溫度(t)。由此可見，紅外消解儀的樣品先進(jìn)入高溫消解狀態(tài)，故樣品消至灰綠色的時(shí)間早于石墨爐，消解時(shí)間短于石墨爐。同“2.2”所述。

紅外消解儀受熱高度(L1)占消解管高度(H1)的50%，紅外消解儀內(nèi)徑(D1)小，紅外消解儀大部分管體處于高溫。硫酸在高溫條件下快速

表3 2種消解儀的比較Table 3 Comparison of two kinds of digestion instruments

分解為三氧化硫以及水，三氧化硫非?；钴S并分解為二氧化硫及原子氧，原子氧接著氧化一氧化碳令其變?yōu)槎趸?，大量高溫氣體產(chǎn)生一定氣壓，消解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體上升至管口，溫度變化不大，氣壓使紅外消解儀易出現(xiàn)管口漏斗被噴離，造成消解液噴濺，引起氮損失。紅外消解儀在370、380、390和400 ℃消解樣品，漏斗噴離管口頻次隨著溫度升高而增加。石墨爐受熱高度(L2)占消解管高度(H2)的14.14%，石墨爐的消解管底部在加熱區(qū)，大部分管體未加熱。消解反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體的溫度不斷下降，氣壓隨之減小，故無漏斗噴離管口，不易出現(xiàn)氮損失。以上說明2種消解儀所用消解管內(nèi)徑、受熱部位表面積、受熱部位高度對(duì)儀器升溫速度、反應(yīng)劇烈程度及氮損失有一定影響。故如“2.1”所述，紅外消解儀在 370 ℃，石墨爐在380、390和400 ℃消解樣品，精密度與準(zhǔn)確性良好，紅外消解儀在380、390和400 ℃消解樣品，精密度與準(zhǔn)確性欠佳。

2種消解儀同以360 ℃消解樣品，排布在外圍加熱位有樣品不沸，前消解用時(shí)超過60 min。以上說明2種消解儀排布外圍的樣品溫度偏低，不易消解充分。故如“2.1”所述，2種消解儀在360 ℃消解樣品所測(cè)結(jié)果精密度與準(zhǔn)確性欠佳。2種消解儀同以370 ℃消解樣品，石墨爐370 ℃消解樣品所測(cè)結(jié)果偏低，精密度及準(zhǔn)確性低于石墨爐380、390和400 ℃以及紅外消解儀，紅外消解儀370 ℃與石墨爐380 ℃消解樣品所測(cè)結(jié)果的精密度及準(zhǔn)確性相當(dāng)。以上表明，石墨爐在370 ℃消解不充分，紅外消解儀在370 ℃消解充分。這是因?yàn)槭珷t消解管僅底部小面積加熱，管徑大，消解反應(yīng)放出的大量熱量易于分散，溫度高于370 ℃易于保持消解充分。紅外消解儀的消解管大面積加熱，管徑小，消解反應(yīng)放出的大量熱量不易分散，提升了消解溫度，促使樣品在370 ℃充分消解。可見，2種消解儀的加熱方式、消解管設(shè)計(jì)尺寸等差異影響了消解溫度的選擇。

3 討 論

現(xiàn)有研究提出土壤全氮消解溫度有在360～410 ℃，還有在300～360 ℃等多種[15-19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，2種消解儀在360 ℃不易將樣品消解充分，適宜設(shè)定溫度分別在370 ℃、380～400 ℃。這是因?yàn)?種消解儀加熱方式、消解管尺寸及受熱面積等設(shè)計(jì)特征各不相同，直接影響升溫速度、溫度保持、消解反應(yīng)劇烈程度、氮損失，致使消解溫度與消解時(shí)間存有差異。本試驗(yàn)從消解儀角度提出消解儀設(shè)計(jì)特征對(duì)消解條件選擇的影響，以及不同消解儀消解條件差異的原因。

有文獻(xiàn)提出凱式法消解時(shí)間為4 h，林業(yè)行標(biāo)的消解時(shí)間約為1.5 h，還有研究指出樣品消解2.5 h，消解液干結(jié)[17-18]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.237 g/kg的樣品消解1 h即達(dá)到消解終點(diǎn)，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.93～8.8 g/kg的樣品，2種消解儀消解時(shí)間在78～114 min。由于土壤樣品的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常小于5 g/kg，稱樣量保持在0.65 g，消解時(shí)間控制在90～95 min即能保證消解充分，消解時(shí)間與林業(yè)行標(biāo)的一致，但不同的是，本試驗(yàn)消解時(shí)間適用于氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4.52 g/kg的樣品。本試驗(yàn)結(jié)果還表明前消解時(shí)間隨樣品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，故總消解時(shí)間也隨之延長(zhǎng)。在現(xiàn)有研究中，樣品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與消解時(shí)間關(guān)聯(lián)性未見討論。本試驗(yàn)結(jié)果為不同樣品的消解時(shí)間確定提出了重要的參考依據(jù)，對(duì)現(xiàn)有消解技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充。

通常認(rèn)為人為誤差是影響土壤全氮測(cè)定精密度及準(zhǔn)確性的主要因素，結(jié)合消解儀探討測(cè)定誤差的討論甚少。本試驗(yàn)中觀察到2種消解儀外圍與中間加熱位的樣品狀態(tài)變化快慢有差異。這說明2種消解儀不同加熱位有一定溫差。紅外消解儀適宜設(shè)定溫度范圍較小，超出適宜設(shè)定溫度 10 ℃及其以上，測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確性呈下降趨勢(shì)；石墨爐適宜設(shè)定溫度上下限差異在20 ℃以內(nèi)，精密度及準(zhǔn)確性呈穩(wěn)定狀態(tài)。表明紅外消解儀各加熱位的溫差大于石墨爐，測(cè)定結(jié)果的RSD及回收率變幅大于石墨爐。這是因?yàn)闇囟却嬖诓町愑绊憳悠废獾囊恢滦?，造成一定檢測(cè)誤差，降低精密度及準(zhǔn)確性。而各加熱位的溫度差異主要由加熱源面積及熱量損失等消解儀的設(shè)計(jì)要素決定。由于準(zhǔn)確測(cè)量加熱位溫度有一定困難，本試驗(yàn)未進(jìn)行溫度實(shí)測(cè)，未能進(jìn)一步探討溫度差異對(duì)檢測(cè)穩(wěn)定性的影響。

本試驗(yàn)在對(duì)2種消解儀消解條件的優(yōu)化討論中，提出消解儀的設(shè)計(jì)特征對(duì)消解條件及檢測(cè)精密度和準(zhǔn)確性的重要影響，還指出土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)適宜消解時(shí)間確定的影響。本研究結(jié)果為合理選擇使用消解儀，優(yōu)化消解條件，準(zhǔn)確測(cè)定土壤全氮提供可行的依據(jù)。

4 結(jié) 論

消解儀的設(shè)計(jì)特征直接影響樣品消解溫度、消解時(shí)間以及檢測(cè)精密度和準(zhǔn)確性。土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與消解時(shí)間選擇密切關(guān)聯(lián)。綜合考慮消解儀設(shè)計(jì)特征、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)是確定適宜的消解條件，確保消解充分，檢測(cè)準(zhǔn)確穩(wěn)定的重要前提。氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4.5 g/kg的樣品，石墨爐設(shè)定溫度在 380～400 ℃，紅外消解儀設(shè)定370 ℃，消解時(shí)間95 min，檢測(cè)準(zhǔn)確。2種消解儀所測(cè)全氮量趨于一致，相關(guān)性良好(R2=0.999 9)。本研究結(jié)果對(duì)同類消解儀的消解條件選擇優(yōu)化有一定的參考性。