自动凯氏定氮仪测定土壤有效氮

土壤有效氮包括无机的矿物态氮和易分解的、比较简单的有机态氮,它是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺、易水解蛋白质氮的总和,通常也称为水解氮,与全氮相比它更能反映土壤氮素近期的供应状况,是土壤肥力的重要指标,因此是土壤的常规化验项目之一。碱解扩散法作为传统方法是目前测定土壤水解氮普遍采用的方法。但是该检测方法存在明显的设计缺陷,例如用于碱解的氢氧化钠与硼酸吸收液处于同一个空间狭小的容器内外室中,操作过程中稍有不慎,极易发生污染;再者玻璃板和扩散皿之间可能因密封不严,氨气逸出,导致测定结果偏低。为了增加结果的可靠性,常常要做3个平行样,这无疑又增加了工作量。简而言之,该法费时费力,工作效率低下,与当前快速、准确的检测要求相差甚远。随着现代仪器的迅速发展,许多研究人员提出采用自动凯氏定氮仪进行土壤水解性氮/碱解氮的测定。毋容置疑,自动凯氏定氮仪用于土壤水解性氮的测定,简便、快速、精密度高,这是由仪器本身的性能决定的。

自动凯氏定氮仪测定的土壤碱解氮是否是传统意义上的碱解氮。目前,土壤有效氮的测定方法主要有生物培养法、酸水解法、碱水解法,其中碱水解法由于适用范围广更适合于例行分析。碱水解法有碱解扩散法和碱蒸馏法2种,传统的碱解蒸馏法:蒸馏时间为8min,加热蒸馏装置落后,需人为经验控制,操作烦琐。因此应用普及程度远低于碱解扩散法。随着现代仪器的迅速发展,许多研究人员提出采用自动凯氏定氮仪进行土壤碱解氮的测定,实际上自动凯氏定氮仪用于测定土壤碱解氮是对传统碱解蒸馏法的改进方法。

图1传统的碱解蒸馏装置

由表1可以看出,目前公开发表的文献中,自动凯氏定氮仪测定土壤水解性氮/碱解氮的几个关键参数设定不一致,比如起水解作用的氢氧化钠浓度、蒸馏效率、蒸馏时间等,但实验结论基本一致,即新碱解蒸馏法与碱解扩散法测定的土壤水解性氮含量相同,自动凯氏定氮仪可以用于测定土壤碱解氮。原因何在?是测定不同的土壤样品需要不同的实验条件吗?文献的实验土壤样品均有国标土样GBW07414a,但氢氧化钠起始浓度分别为4.44、6.67mol/L、稍微小于4.0mol/L(因为用少许蒸馏水冲洗粘在内壁上的样品),很显然,同一个土壤样品,不同的实验条件,得出了相同的实验结果。而研究结果表明,氢氧化钠的浓度对其测定结果影响很大,其浓度过低,易水解蛋白质水解不完全,检测结果偏低;其浓度过高,某些难水解蛋白质发生部分水解,导致结果偏高。

表1公开发表文献中的实验条件及实验结论

供试土壤为设施栽培土壤,采自西藏林芝河谷地区,成土母质多为洪积冲积物,土壤质地较砂,保水保肥性差,共16个土壤样品。

表2供试土壤样品相关理化指标的统计值 

新碱解蒸馏法的测定步骤：使用仪器为意大利产VELP自动凯氏定氮仪UDK169型,仪器调试过程:将标定浓度为0.0355mol/L的盐酸溶液、10mol/L的氢氧化钠、硼酸指示剂混合溶液、蒸馏水装入相应的容器,按正常程序开机和仪器自检。考虑到土壤样品和高原测定条件的相似性,参考文献来设置仪器参数(硼酸接收液30mL,4.0mol/L的氢氧化钠20mL,蒸汽强度50%,蒸馏时间4min),空蒸3根蒸馏管以清洗管道,然后进行空白样测试,空白样消耗盐酸体积为0.067mL,并用分析纯硫酸铵做仪器回收率测试,测试结果为99.8%,仪器调试结束。

土壤样品的测定:(1)称取通过1mm筛的风干土样2.00g置于蒸馏管中,土壤样品蒸馏时设置2个处理:加入1g锌-硫酸亚铁还原剂和不加锌-硫酸亚铁还原剂。同时做相应的空白测定。(2)将内盛土壤样品的蒸馏管连接在定氮仪上,旋紧接口,开始蒸馏,仪器自动完成后续的蒸馏和滴定过程,滴定完成后,记录下土壤样品消耗盐酸的体积,取下蒸馏管。

碱解扩散法的测定步骤：

(1)称取通过1mm筛的风干土样2.00g,均匀平铺于扩散皿外室。土壤样品碱解时设置2个处理:加入0.2g的FeSO4·7H2O和0.1mL的饱和AgSO4溶液;不加还原剂FeSO4·7H2O和催化剂AgSO4。

(2)在扩散皿内室加入2mL的20g/L硼酸—指示剂溶液,在皿的外室边缘涂上碱性胶液,盖上毛玻璃,旋转数次,使皿边与毛玻璃完全黏合。

(3)再慢慢转开毛玻璃的一边,使扩散皿外室露出一条狭缝,迅速加入10mL的NaOH溶液于外室(加还原剂的外室加1.07mol/L的NaOH溶液,不加还原剂的外室加1.0mol/L的NaOH溶液),立即盖严,水平地轻轻转动扩散皿,使NaOH溶液盖住所有土壤。然后用橡皮筋圈紧,使毛玻璃固定。

(4)随后小心平放在(40±1)℃恒温培养箱中,(24±0.5)h后取出,用0.005mol/L的HCl标准溶液(按照GB/T601—2016进行准确标定,实际标定浓度为0.0051579mol/L)滴定内室中硼酸所吸收的氨量,内室硼酸吸收液由蓝色变为微红色即达滴定终点。

每个样品做3次重复测定。在样品测定的同时进行空白实验。

试验结果与分析  

2种方法测定结果的比较：由表3可知,碱解氮因测定方法不同测得的结果亦不同。2种测定方法的差异性检验结果显示,在不加还原剂的情况下,除了8号和12号样外,新碱解蒸馏法的测定值均显著低于碱解扩散法;在加还原剂的情况下,新碱解蒸馏法一部分样品的测定值低于碱解扩散法,一部分样品的测定值高于碱解扩散法,有75%的土壤样品呈显著性差异。鉴于碱解扩散法为测定土壤碱解氮的传统经典方法,采用碱解扩散法测定值为基准,计算得出加与不加还原剂时,2种方法测定值相对相差的平均值分别为11.03%和21.35%。这说明,在本研究设定的试验参数条件下,自动定氮仪测定土壤碱解氮含量时,至少被低估了10%～20%以上。

2种方法测定结果的相关性分析：总体上,无论加与不加还原剂,2种方法测定的碱解氮含量间均存在极显著的线性相关关系(P<0.0001),总体决定系数R2分别高达0.943和0.918,2种方法的碱解氮测定结果高度相关。虽然2种方法测定结果之间呈现显著性差异,但并没有影响2种方法测定结果的相关性,这在某种程度上说明了自动凯氏定氮仪用于测定土壤碱解氮的适用性和可行性。

同一种测定方法加与不加还原剂的差值与硝态氮含量之间的相关性分析：在测定土壤碱解氮时,如果要将土壤中硝态氮包括在内,需要添加还原剂进行还原。理论上讲加与不加还原剂测定结果之间的差值即为土壤硝态氮含量。现在把2种方法测定的加与不加还原剂的差值与土壤硝态氮含量(酚二磺酸比色法测定)进行线性拟合,由图3可以看出新碱解蒸馏法的拟合结果明显优于碱解扩散法,表明用自动凯氏定氮仪测得的加与不加还原剂的差值和硝态氮的含量相关程度更高,自动凯氏定氮仪测定的土壤硝态氮与真值更为接近。

表3不同测定方法测定土壤碱解氮的测定结果比较

注:同一样品,同行不同字母标示差异显著(P<0.05)。

图2自动定氮仪测定值与碱解扩散法测定值的相关性

结论  

自动凯氏定氮仪用于土壤碱解氮的测定,与传统的碱解扩散法相比,碱解条件碱解时间不同,因此从概念上讲,自动凯氏定氮仪测定的“土壤碱解氮”不同于碱解扩散法测定的“土壤碱解氮”。试验结果表明,无论加与不加还原剂,75%以上的土壤样品具有显著差异性,这进一步验证了2种方法测定的土壤碱解氮数量上不同,因此自动凯氏定氮仪测定的“土壤碱解氮”不能等同于碱解扩散法测定的“土壤碱解氮”。但是自动凯氏定氮仪测定值与传统方法之间呈极显著相关关系,且测得的加与不加还原剂的差值和硝态氮的实际含量相关程度更高,这表明自动凯氏定氮仪测定的土壤碱解氮结果具有一定的现实意义,结合其操作简便、分析效率高的优点,因此自动凯氏定氮仪测定的“土壤碱解氮”可作为不同于传统意义上的“土壤碱解氮”的一个新测定指标,应用于生产实践。

图3加与不加还原剂的差值与硝态氮含量之间的相关性