王 瑾 田有國 徐晶瑩 肖亞兵 郝亞波 李勝男 陸楊玥 張愛琳 孟遠奪 李艷萍 劉亞軒*

(1.津標(天津)計量檢測有限公司，天津 300382；2.全國農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心，北京100025； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司，北京 100125；4.天津海關動植物與食品檢測中心，天津 300461； 5.天津農(nóng)學院 食品科學與生物工程學院，天津 300392)

肥料檢測與質量監(jiān)管是農(nóng)產(chǎn)品質量安全監(jiān)管的重要組成部分，加強肥料市場產(chǎn)品監(jiān)督管理是保證產(chǎn)品質量，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、農(nóng)產(chǎn)品質量和人畜生態(tài)環(huán)境安全的重要措施，對保障國計民生的糧食安全問題具有重要意義[1-2]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，除了大、中量植物營養(yǎng)元素以外，對硼、鋅、鎂、硫、銅、鐵、錳、鈣等少量或微量元素在調節(jié)植物體生理功能上的研究日益深入，同時化肥中含有的砷、鎘、鉛、鉻、汞等有毒有害金屬元素對生態(tài)環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品質量特別是沿著食物鏈對人畜健康造成的直接危害也已引起了廣泛關注[3-6]，我國在相關標準中對總鎘、總汞、總砷、總鉛、總鉻等重金屬元素和其他指標的限量值進行了規(guī)定[7-9]。

化肥標準物質是控制化肥樣品分析質量的有效手段，是對化肥中化學成分進行準確分析的重要工具[10]。尿素、磷酸氫二銨、氯化鉀以及各營養(yǎng)元素含量不同的復合肥是目前全球應用最為廣泛的幾種化肥產(chǎn)品，但相關標準物質卻極少[11]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的科學化、規(guī)范化的推進，我國以及國際范圍每年都有大量化肥樣品的測試工作進行，這對肥料檢測工作提出了更高的要求[12]。

本文按照ISO 17034 《標準物質生產(chǎn)者能力的通用要求》和國家一級標準物質技術規(guī)范等相關標準要求共研制9個化肥化學成分分析標準物質[13-16]，分別為尿素、磷酸氫二銨、氯化鉀、高氮磷低氯復合肥、高氮低氯復合肥、高鉀硫基復合肥、高鉀中氯復合肥、高磷低氯復合肥和平衡型硫基復合肥。對標準物質候選物進行加工制備，均勻性檢驗，穩(wěn)定性檢驗，并通過15家具有較高測試分析水平的實驗室采用容量法、重量法、比色法、電感耦合等離子體質譜法、電感耦合等離子體光譜法、原子熒光光譜法、原子吸收光譜法、中子活化法和離子色譜法等分析方法相結合進行協(xié)作定值，對結果進行統(tǒng)計分析，得到標準值及其不確定度。

1 候選物采集與制備

根據(jù)成分設計要求，候選物系列樣品中包含由不同基礎原料組成的復合肥，確保該系列標準物質中氮具有不同的賦存形態(tài)，鉀具有氯基和硫基的不同來源，同時考慮N、P、K 三種主要營養(yǎng)元素的含量梯度范圍，結合目前化肥的實際應用情況，選擇了9個樣品作為標準物質候選物(JBCF-1～JBCF-9)。

將采集的標準物質候選物樣品放置于烘箱內(nèi)，50 ℃干燥24 h。再用棒磨機輕度研磨粗碎，過380 μm尼龍篩，棄去篩上雜物。篩下樣品采用球磨機輕度球磨，球石加入量視樣品加工粒度和樣品量稍有增加，采用間歇式操作，避免過度發(fā)熱而影響樣品加工質量，每個樣品球磨加工時間為24～72 h不等，粒度檢驗達到250 μm左右即可。制備完畢的標準物質候選物以具密封圈的 HDPE 瓶包裝，30～35 g/瓶，外套密封袋，并抽真空，長期保存在25 ℃空調房間，密封、干燥、避光保存。具體制備流程如圖1所示。

圖1 候選物樣品加工制備流程示意圖Figure 1 Schematic diagram of sample processing and preparation for candidate materials.

采用掃描電鏡對加工后的候選物樣品進行了觀測，并用分析軟件對顆粒粒度及分布特征進行了統(tǒng)計，樣品粒度分布均勻，滿足樣品加工要求。

2 候選物均勻性檢驗

本系列標準物質每個樣品分裝了1 000瓶，均勻性檢驗的子樣確定從出料全過程中隨機抽取每個候選物樣品子樣30(m)小瓶，每瓶在上、下兩個部位稱取2(n)份，對候選物中N、P2O5、水溶性P2O5、有效性P2O5、K2O、S、Cl、As、Hg、Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、B、Se、Ge、Fe、Na、Ca、Mg、Al、Ti、V、Mn、Co、Sr、Mo、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等45種元素(指標)進行測定。采用單因素方差分析方法計算及評估樣品的均勻性，結果列于表1。JBCF-1尿素樣品中除N外其他元素含量均極低，大部分元素未檢出或離散性較大，這些元素最終沒有定值，在表中未列出統(tǒng)計結果；JBCF-3氯化鉀樣品也為純度較高的樣品，B、Ba等10余種元素的精密度較差；由均勻性檢驗最終統(tǒng)計結果可知，除部分樣品的個別元素外，大部分元素的相對標準偏差(RSD)小于10%。所有樣品的F實測值均小于F0.05臨界值，有小部分F實測值小于1，這主要是由于所測樣品中其元素含量水平較低，測定精密度較差，存在組間方差小于組內(nèi)方差的情況，導致F實測值小于1，對樣品均勻性的判定沒有影響。綜合統(tǒng)計結果，樣品具有良好的均勻性。

表1 候選物均勻性檢驗結果

續(xù)表1

續(xù)表1

3 候選物穩(wěn)定性檢驗

3.1 長期穩(wěn)定性檢驗

按“先密后疏”的原則，選擇最小分裝單元的樣品，從2019年9月開始，考察在規(guī)定保存條件下(25 ℃空調房間內(nèi)密封、干燥、避光保存)下，保存0、2、6、11、18個月后(即2019年9月、2019年11月、2020年3月、2020年8月、2021年3月)樣品的穩(wěn)定性，每個樣品取2瓶，每瓶稱取2份進行重復測試，測定方法同均勻性檢驗。對檢驗結果的平均值、相對標準偏差、擬合直線斜率、斜率的標準偏差及長期穩(wěn)定性引入的不確定度等參數(shù)進行計算，長期穩(wěn)定性檢驗參數(shù)統(tǒng)計結果見表2。由統(tǒng)計的各參數(shù)數(shù)據(jù)可見，擬合直線的斜率均不顯著，檢驗結果沒有方向性變化，沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學意義的明顯差異，表明在18個月的考察期內(nèi)，研制的化肥成分分析標準物質候選物所測定的特性量值能保持穩(wěn)定，證明樣品的穩(wěn)定性良好，標準物質的穩(wěn)定性滿足要求。長期穩(wěn)定性引入的不確定度數(shù)值計入總不確定度中。

表2 長期穩(wěn)定性檢驗結果

續(xù)表2

續(xù)表2

續(xù)表2

3.2 短期穩(wěn)定性檢驗

考慮到運輸條件下的穩(wěn)定性問題，隨機抽取最小包裝單元，在60 ℃、-18 ℃和60 r/min搖床(模擬顛振實驗)放置0、1、5、10、20 d，以考察標準物質在模擬極端運輸條件下的穩(wěn)定性。每個樣品每次測定分別取2瓶，每瓶稱取2份，測定方法同均勻性檢驗。對檢驗結果的平均值、相對標準偏差、擬合直線斜率、斜率的標準偏差及短期穩(wěn)定性引入的不確定度等參數(shù)進行計算，擬合直線的斜率均不顯著，檢驗結果沒有方向性變化，沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學意義的明顯差異，表明在20 d的考察期內(nèi)，在極端運輸條件下，本項目所研制的化肥化學成分分析標準物質的特性量值能保持穩(wěn)定，樣品短期穩(wěn)定性良好。60 ℃、-18 ℃和顛振條件下各樣品短期穩(wěn)定性引入的不確定度遠小于定值過程的不確定度，因此短期穩(wěn)定性引入的不確定度數(shù)值不計入總不確定度中。

4 定值與不確定度

4.1 計量溯源性

本系列化肥化學成分分析標準物質的研制采用多家實驗室合作定值的方式進行定值，所選擇的15家合作實驗室都是國內(nèi)在行業(yè)內(nèi)具有技術權威的實驗室，都參加過標準物質研制和定值工作，使用的計量器具和儀器設備均由具有資格的機構進行檢定/校準、分析方法均通過有效確認、校準曲線均使用有證標準樣品(CRM)配制，測試過程中均使用CRM進行質量監(jiān)控，量值溯源可靠。

4.2 定值元素及測試方法

定值元素(指標)，包括N、P2O5、水溶性P2O5、有效性P2O5、K2O、S、Cl、As、Hg、Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、B、Se、Ge、Fe、Na、Ca、Mg、Al、Ti、V、Mn、Co、Sr、Mo、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。其中主量成分的檢測采用經(jīng)典化學分析的方法[17]，微量元素的檢測采用經(jīng)方法學研究確認的準確度高、受基體影響小和干擾少的多元素分析方法[18-21]。除As和部分稀土元素，其他元素(指標)均采用了兩種或兩種以上不同原理的測量方法和不同的前處理方法相互核驗，保證了定值的可靠性。定值協(xié)作實驗采用的測定方法(前處理方法有水-鹽酸催化(DSCl)、鉻粉-鹽酸-硫酸催化(DSCr)、鉻粉-鹽酸-硫酸鉀-無水硫酸銅-硫酸催化(DSM)、硫酸鉀-硫酸催化(DSSK)、硫酸催化(DSS)、直接蒸餾(DS)、硝酸-高氯酸消解(DA2)、王水-高氯酸消解(DA3)、硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸消解(DA4)、硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸-硫酸消解(DA5)、水溶解(DW)、水研磨(GW)、超聲提取(ULTRS)、EDTA提取、硝酸消解(DA1N)、鹽酸消解(DA1Cl)、王水消解(DAA)、王水-硫酸消解(DAS)、硝酸-氫氟酸-硫酸消解(DMA)、高氯酸-硝酸-氫氟酸-磷酸消解(DFP)、氫氧化鈉堿融-離子交換(DFI)、微波消解(MW)。測定方法有容量法(VOL)、比色法(COL)、重量法(GR)、電位滴定(POT)、返滴定法(BTVOL)、電感耦合等離子體質譜法(ICPMS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICPOES)、原子熒光光譜法(AFS)、原子吸收光譜法(AAS)、中子活化法(INAA)、離子色譜法(IC)。)匯總見表3。

表3 候選物定值分析方法

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與定值

4.3.1數(shù)據(jù)剔除

定值成分平均值數(shù)據(jù)為6～14組，每組數(shù)據(jù)為4～6個。協(xié)作定值測定共收到數(shù)據(jù)24 686個，用狄克遜(Dixon)檢驗和格拉布斯(Grubbs)檢驗，結合技術上的判斷剔除可疑值；再采用科克倫法(Cochran)檢驗平均值間是否等精度，經(jīng)檢驗各組數(shù)據(jù)最終計算值C小于臨界值C(0.05，m，n)，不等精度的數(shù)據(jù)組作為異常值剔除。

4.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與定值

本標準物質測試數(shù)據(jù)均屬小子樣(數(shù)據(jù)數(shù)小于50個)，采用夏皮羅-威爾克檢驗法(Shapiro-Wilk)對參加定值的每一指標作數(shù)據(jù)分布正態(tài)性檢驗。經(jīng)檢驗，絕大多數(shù)樣品的定值數(shù)據(jù)為正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，有7個數(shù)據(jù)組為偏態(tài)分布，包括JBCF-2中Cr、JBCF-3中N和水溶性P、JBCF-4中Sm、JBCF-6中Ge、JBCF-9中Ge和Lu。其中JBCF-2中Cr、JBCF-3中水溶性P、JBCF-4中Sm和JBCF-9中Lu的數(shù)據(jù)結果一致性較好，中位值作為參考值；JBCF-3中N、JBCF-6中Ge和JBCF-9中Ge由于含量很低，數(shù)據(jù)結果離散程度極大(RSD分別為122%、66.2%、83.3%)，故不予定值。

4.3.3 標準值與不確定度

定值數(shù)據(jù)為正態(tài)分布或近似正態(tài)分布的，最佳估計值取算數(shù)平均值，偏態(tài)分布的取中位數(shù)值；對大部分樣品的相對標準偏差(RSD)小于10%，相對標準偏差較差的數(shù)據(jù)給出參考值；定值組數(shù)不足8組的數(shù)據(jù)給出信息值；由合作定值測試引入的不確定度數(shù)值計入總不確定度中。

表4 標準物質量值表

續(xù)表4

續(xù)表4

元素認定值與不確定度/(μg·g-1)元素認定值與不確定度/(μg·g-1)元素認定值與不確定度/(μg·g-1)Al516±88Hg0.016±0.006Tb(0.02)5As(0.69)Ho(0.052)Ti(37)B0.179±0.012*La0.41±0.08Tm(0.044)Ba(2.5)Lu0.067±0.012V5.3±0.8Ca457±28Mg0.132±0.014*Y(3.3)Cd0.32±0.06Mn(38)Yb(0.34)Ce0.92±0.22Mo0.27±0.04Zn27±4Co(0.35)Na0.39±0.04*N18.74±0.50*Cr(11)Na0.527±0.030*P2O59.50±0.28*Cu(3.3)Nd(3.6)水溶性P2O57.23±0.38*Dy0.53±0.08Ni3.2±0.8有效性P2O59.42±0.28*Er0.35±0.05Pb(3.1)K2O16.48±0.44*Eu0.17±0.03Pr(0.93)Cl29.66±0.96*Fe0.192±0.016*Se(0.10)JBCF-7S1.03±0.08*Gd0.68±0.10Sm0.72±0.06Al0.54±0.08*Ge(0.37)Sr(54)As5.6±0.6Hg(0.008)Tb0.11±0.02B13.3±2.2Ho0.12±0.03Ti(78)Ba16±6La4.0±1.0Tm(0.059)Ca0.332±0.024*Lu(0.067)V(8.2)Cd0.067±0.014Mg0.71±0.14*Y(5.4)Ce(6.4)Mn155±14Yb0.36±0.05Co(1.0)Mo(0.61)Zn22±5N23.54±0.38*Cr23±5Na0.379±0.022*P2O521.72±0.54*Cu(4.6)Nd(4.3)水溶性P2O518.03±0.84*Dy(0.72)Ni4.9±1.0有效性P2O521.48±0.62*Er(0.46)Pb1.6±0.5K2O7.55±0.40*Eu(0.24)Pr(1.0)Cl8.41±0.22*Fe0.275±0.018*Se(0.045)JBCF-8S1.08±0.24*Gd(0.94)Sm(0.86)Al0.67±0.10*Ge(0.39)Sr(69)As8.2±0.8Hg(0.008)Tb(0.14)B17.5±2.4Ho(0.16)Ti133±8Ba(8.3)La(5.0)Tm(0.072)Ca0.45±0.03*Lu(0.083)V14.3±2.6Cd0.091±0.016Mg1.19±0.18*Y6.7±1.6Ce(7.7)Mn263±24Yb(0.46)Co(1.8)Mo0.69±0.14Zn23±5N14.83±0.40*Cr25±5Nd148±20P2O516.05±0.44*Cu(125)Ni9.3±1.6水溶性P2O512.82±0.76*Dy10.2±1.6Pb12±3有效性P2O515.66±0.50*Er(4.5)Pr(34)K2O16.30±0.50*Eu(6.7)Se0.13±0.02Cl0.67±0.04*Fe0.384±0.028*Sm28±7JBCF-9S5.95±0.34*Gd(24)Sr616±90Al0.287±0.026*Hg0.036±0.008Tb(2.9)As6.6±0.8Ho(1.9)Ti(452)B27±5La106±16Tm(0.57)Ba58±14Lu(0.61)V47±4Ca1.57±0.12*Mg0.74±0.10*Y(53)Cd0.19±0.03Mn291±32Yb(3.0)Ce221±26Mo(1.0)Zn33±5Co(5.3)Na0.267±0.026*

5 結論

研制的9個化肥化學成分標準物質經(jīng)粒度測試、均勻性檢驗和穩(wěn)定性檢驗，符合標準物質規(guī)范要求，通過實驗室協(xié)作定值了45種元素(指標)，形成了主量營養(yǎng)元素N、P、K呈良好梯度范圍的復合肥系列成分分析標準物質，是目前已有肥料類標準物質中定值項目最為齊全的標準物質，其中Ba、Ge、Sr和稀土元素均為首次定值。本次研制的化肥成分分析系列標準物質完善了肥料標準物質的類型，可為化肥樣品分析質量控制、實驗室儀器校準、分析方法和實驗室能力水平評價提供基礎技術支撐。

致謝：感謝國家化肥質量監(jiān)督檢驗中心(北京)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(沈陽)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(南寧)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(杭州)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(武漢)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(鄭州)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(成都)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料質量監(jiān)督測試中心(石家莊)、安徽省地質實驗研究所、浙江省地質礦產(chǎn)研究所、四川省地礦局成都綜合巖礦測試中心、華北有色地質勘查局燕郊中心實驗室、中國原子能科學研究院等多家單位參與本次系列標準物質研制的定值工作！