楊 娜

(上海市園林科學規(guī)劃研究院,上海200230)

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一,具有提高作物產量和降低病蟲害發(fā)生的重要作用。 磷元素缺乏將導致植物發(fā)生形態(tài)和生理上的變化。 磷肥是土壤磷的主要來源,但土壤礦物質對磷素具有強烈的固定和吸附作用,使土壤中95%以上的磷成為無效態(tài)[1],導致磷肥的當季利用率僅為5%—25%[2]。

土壤全磷是指土壤中含磷礦物及有機磷化合物中磷的總量,檢測磷在土壤中的全量,可以了解土壤的供磷容量,對合理施用磷肥具有重要的指導意義[3]。 目前土壤中的全磷一般參照國家林業(yè)標準采用堿熔或者電熱板酸溶-鉬銻抗分光光度法進行測定[4],但標準方法中樣品的堿熔或酸溶過程較為繁雜,且化學試劑用量大,對操作人員要求相對較高,且調色使用的二硝基酚為劇毒物質,危害性大且采購困難。 此外,磷元素的顯色又受酸度、時間、溫度等諸多因素的制約,影響檢測結果的準確性。 目前,土壤全磷元素測定的前處理方式較為先進的是微波消解技術,其具有試劑用量小,消解效率高且不污染環(huán)境的優(yōu)點[5],但所需儀器較為昂貴,不便于廣泛推廣,而電熱石墨消解因其良好的控溫功能及較高的準確度和精密度,逐漸用于土壤、肥料等樣品的快速消解[6]。 本研究采用石墨電熱消解的方法處理樣品,通過優(yōu)化試驗條件,以期建立一種快速、準確測定土壤全磷的方法。

1 材料與方法

1.1 主要試劑

硫酸(優(yōu)級純);硝酸(優(yōu)級純);鹽酸(優(yōu)級純);氫氟酸(優(yōu)級純);氫氧化鈉(分析純);磷標準溶液(中國計量院1 000 mg∕L);實驗室一級水。

1.2 土壤質控樣品

土壤成分分析標準物質(GBW07404、GBW07408、GBW07447 和GBW07452),購自中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所。

1.3 主要儀器

程控馬弗爐:上海貝科生物技術有限公司,KL09∕11 型;紫外∕可見光分光光度計:北京普析通用儀器有限責任公司,T9CS 型;石墨高溫電熱消解儀:萊伯泰科有限公司,EHD36 型;ICP-OES:珀金埃爾默企業(yè)(上海)有限公司,Optima 8000 型。

1.4 試驗材料

3 份土壤樣品均為上海聚隆綠化發(fā)展有限公司綠化土壤,樣品編號為1、2、3;pH 分別為8.28、8.29、8.30;Ec 值分別為0.440 mS∕cm、0.672 mS∕cm、0.795 mS∕cm;有機質含量分別為20.9 g∕kg、27.9 g∕kg、37.0 g∕kg,均為壤土,土樣經風干、粉碎后過100 目篩(0.149 mm 孔徑)備用。

1.5 分析方法

1.5.1 常規(guī)消解(堿熔融法)

按照LY∕T 1232—2015《土壤磷的測定》[4]中的堿熔法進行。 稱取過0.149 mm 孔徑的風干土樣0.2 g(精確至0.000 1)于坩堝底部,用馬弗爐進行消解,取出冷卻后,熔塊加入10.0 mL 水,放置于電爐上溶解后轉入50 mL 容量瓶中,用熱水及2.0 mL 4.5 mol∕L 硫酸多次洗滌坩堝并倒入容量瓶內,使總體積至約40 mL,最后往容量瓶中加5 滴1∶1鹽酸溶液及5.0 mL 4.5 mol∕L 硫酸溶液,搖動后冷卻至室溫,用水定容至50 mL,無磷濾紙過濾或離心澄清后備用。 配置濃度為0.0 mg∕L、0.1 mg∕L、0.2 mg∕L、0.3 mg∕L、0.4 mg∕L、0.5 mg∕L、0.6 mg∕L 標準曲線系列,使用紫外∕可見光分光光度計在波長為700 nm 的條件下進行測試。 每個試樣測定6 個平行樣品,計算該方法測定土壤樣品全磷含量的相對標準偏差(RSD),以評價方法的精密度。 測定20 次空白樣品,按D.L=KSb∕S(D.L:檢出限;Sb:空白多次測定的標準偏差;S:校準曲線的斜率;取K=3 時對應的置信水平,約90%)計算方法的檢出限,并折算成50 mL、0.2 g 樣品中全磷的含量。

1.5.2 石墨電熱消解

稱取過0.149 mm 孔徑的風干樣品0.2 g(精確至0.000 1 g),放入50 mL 塑料離心管中,用少量去離子水濕潤,加入1 mL 濃HNO3、1 mL 濃HCl 和2 mL HF[珀金埃爾默企業(yè)(上海)有限公司]),搖勻后放入石墨高溫電熱消解儀進行消解。 消解結束冷卻至室溫,用去離子水定容至40 mL,搖勻后離心備用。 以不加土壤樣品消解的處理為空白對照,配制濃度為0.0 mg∕L、0.1 mg∕L、0.5 mg∕L、1.0 mg∕L、5.0 mg∕L、10.0 mg∕L、20.0 mg∕L標準曲線系列(1%硝酸定容),用ICP-OES 儀進行測定。 高頻發(fā)生器功率:1 350 W,等離子體氣體流量:12 L∕min,輔助氣體流量:0.3 L∕min,霧化器流量:0.6 L∕min,蠕動泵流量:0.6 L∕min,積分時間:4 s,測量次數(shù):3 次,磷的測定波長為213.617 nm。 與1.5.1 相似,以相對標準偏差(RSD)評價方法的精密度,同時計算方法檢出限,并折算成40 mL、0.2 g 樣品中全磷的含量。

2 結果與分析

2.1 前處理條件優(yōu)化

在消解時間(不包括升溫時間)保持在120 min 的情況下,設置消解溫度分別為115 ℃、125 ℃、135 ℃、145 ℃。 由表1 可知,115 ℃和145 ℃下土壤樣品全磷的測定值偏低,只有3 次測定結果在參考值的允差范圍內,其余均低于參考值;125 ℃和135 ℃下測定的結果均在參考值的允差范圍內,但135 ℃的測定值更加接近參考值的中位值,表明該溫度下消解較為完全,且精密度符合檢測標準相關要求,因此,選擇135 ℃作為最優(yōu)消解溫度。

在消解溫度保持在135 ℃的情況下,將消解時間(不包括升溫時間)分別設定為60 min、80 min、100 min和120 min,進行土壤樣品消解。 由表2 可知,消解時間為60 min 和80 min 的測定結果偏低,原因可能是消解時間不足導致樣品消解不完全;120 min 消解時間下測定值都在參考值范圍內,但精密度較差,且離心過程中出現(xiàn)樣品管損壞的情況。 因此,在消解溫度為135 ℃的前提下,確定100 min 為消解最優(yōu)時間。

表1 不同消解溫度下土壤全磷的測定值與精密度Table 1 The results and relative standard deviation(RSD)of total phosphorus in soil of different temperature by digestion

表2 不同消解時間下土壤全磷的的測定值與精密度Table 2 The results and relative standard deviation(RSD)of total phosphorus in soil of different time by digestion

2.2 方法評價

2.2.1 方法的線性與檢出限

由表3 可知,石墨電熱消解-ICP-OES 法測定全磷的線性范圍為0—20 mg∕L,而NaOH 熔融-鉬銻抗分光光度法的線性范圍僅為0—0.6 mg∕L;且NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測定高濃度樣品時需要重新稀釋,操作過程必須嚴格控制酸度、顯色時間及溫度;而石墨電熱消解-ICP-OES 法則不受上述條件限制。 同時,石墨電熱消解-ICP-OES 法的檢出限為3.67 mg∕kg,優(yōu)于NaOH 熔融-鉬銻抗分光光度法的7.87 mg∕kg。 因此,石墨電熱消解-ICP-OES 法靈敏度可滿足土壤全磷的檢測要求。

表3 兩種消解方法測定全磷的線性方程、相關系數(shù)、定量下限Table 3 Linear ranges,Linear equations,correlation coefficents(R2),limits of quantitation(LOQ)

2.2.2 精密度

由表4 可知,NaOH 熔融-鉬銻抗分光光度法的全磷測定結果的相對標準偏差(RSD)為0.761%、0.641%和1.866%;石墨電熱消解-ICP-OES 法為0.978%、0.928% 和0.835%,平均值為0.914%,較NaOH 熔融-鉬銻抗分光光度法低,表明石墨電熱消解-ICP-OES 法具有較高的精密度,能夠滿足實驗室檢測的相關要求。

NaOH 熔融-鉬銻抗分光光度法和石墨電熱消解-ICP-OES 法全磷測定值相對相差為1.22%、1.19%和0.193%,平均值為0.868%,絕對相差為0.012 g∕kg、0.009 g∕kg 和0.002 g∕kg,滿足LY∕T 1232—2015 中NaOH 熔融法全磷測定中絕對偏差≤0.006 g∕kg 的要求。

表4 兩種方法對3 個土壤樣品全磷測定結果和相對標準偏差(n=6)Table 4 The results of 3 samples and relative standard deviation(RSD)by the two methods

2.2.3 準確度

由表5 可知,石墨電熱消解-ICP-OES 法測定的各標準物質磷元素的測定值都在其證書值允許的誤差范圍內,且與NaOH 熔融-鉬銻抗分光光度法測定值絕對差值在0—0.02 g∕kg,符合LY∕T 1232—2015 中當全磷含量＜1 g∕kg 時,絕對偏差＜0.03 g∕kg 的要求,因此,石墨電熱消解-ICP-OES 法準確度符合LY∕T 1232—2015 的相關要求。

表5 土壤中全磷不同檢測方法的結果比較(n=6)Table 5 Comparison of results of differernt detection methods of total phosphorus in soil(n=6)

2.2.4 土壤樣品加標回收分析

采用3 個濃度對樣品進行加標,加標回收率分別為99.6%、97.7%、92.7%(表6),符合《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ∕T 166—2004)[7]中總磷回收率80%—120%的要求。

表6 加標回收率Table 6 Test for adding standard solutions to samples

3 討論與結論

磷是自然界中植物生長不可或缺的化學元素,直接影響作物產量和品質[8],土壤中全磷的含量直接關系著土壤的營養(yǎng)特性。 楊麗華[9]用微波消解處理樣品,采用ICP-MS 碰撞池(CCTked)技術快速檢測土壤全磷。 曹凱紅等[10]發(fā)現(xiàn)ICP-AES 法可推廣運用到全磷的測試中。 張麗萍等[11]發(fā)現(xiàn)ICP-OES 分析儀在樣品熔融后,可以10 倍稀釋后直接上機檢測,減去了顯色反應這一步驟,且自動進樣器減少了工作量,并可以同時檢測其他元素。 本研究采用石墨高溫電熱消解儀進行土壤樣品的消解,相對于微波消解更便于廣泛推廣,同時,該方法使用了ICP-OES 分析儀,避免了堿熔土壤樣品對鉬銻抗磷顯色的各種干擾導致的測定結果偏大[12],也避免了用肉眼判斷溶液顏色[3]而造成的誤差。

通過本研究建立了一種石墨電熱消解-ICP-OES 法快速測定土壤中全磷的方法,其線性范圍為0—20.0 mg∕L,相關系數(shù)R2=0.999 92,固體樣品的檢出限為3.76 mg∕kg,加標回收率為92.7%—99.6%。 該方法前處理快速簡便,線性范圍較傳統(tǒng)方法寬,同時具有較好的精密度和準確度,可以滿足快速測定土壤全磷的需要。 此外,石墨電熱消解處理后的消解液還可以繼續(xù)用于該樣品中其他非金屬及金屬元素的檢測。