邱城

(西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)研究所·西藏拉薩·850032)

凱氏定氮儀在高原條件下測(cè)定土壤全氮含量的方法

邱城*

(西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)研究所·西藏拉薩·850032)

氮素是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中必需的元素之一,土壤中氮元素的含量直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)。在高寒氣候條件下土壤氮素在維持年際土壤氮循環(huán)中起著重要的作用。本文采用了凱氏蒸餾法測(cè)定高原農(nóng)田土壤全氮的含量,稱取土樣0.5～1.0g,并加入濃硫酸在380℃進(jìn)行消煮,在催化劑的作用下將土壤中的氮素完全轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮,通過凱式定氮儀進(jìn)行蒸餾,并用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定所蒸餾出的氨。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),凱式蒸餾法測(cè)定土壤全氮比較快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便,通過實(shí)驗(yàn)也確定了高原條件下凱式蒸餾法的最佳條件,結(jié)果較為滿意。

青藏高原 農(nóng)田土壤 全氮 凱氏蒸餾法

1 引言

在高海拔、低溫高寒的青藏高原地區(qū),尤其是在西藏一江兩河流域,主要是以種植業(yè)和農(nóng)牧業(yè)為主,土壤中氮素是農(nóng)作物生長(zhǎng)必不可少的元素之一[1]。農(nóng)田土壤中氮的含量直接影響到農(nóng)作物的生長(zhǎng),這需要采用一定的方法對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行采樣調(diào)查,并進(jìn)行測(cè)定其總氮的含量。

凱氏定氮儀具有精度高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),它是一種智能化程序控制,主要可以根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)完成加水稀釋、加酸、加堿、蒸餾等,整個(gè)過程只需5min的時(shí)間,而傳統(tǒng)的土壤全氮化學(xué)分析法和半微量蒸餾法則需要20min以上。因此,凱氏定氮法在應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、醫(yī)療衛(wèi)生、食品等領(lǐng)域方面有著巨大的樞紐作用,在全氮含量測(cè)定方面有著巨大的潛在價(jià)值和應(yīng)用前景[2]。

農(nóng)田土壤氮素對(duì)農(nóng)作物尤其是葉菜類蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量都會(huì)產(chǎn)生重大的影響[3,4]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,氮元素主要是通過土壤有機(jī)物的循環(huán)來提高土壤肥沃程度從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量,同時(shí)很大程度上可以減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響,所以快速測(cè)量土壤中全氮的含量尤為重要[5,6]。由于在農(nóng)田土壤中氮元素存在形式主要是以硝酸根離子、銨根離子、尿素態(tài)氮、有機(jī)態(tài)氮、氰氨態(tài)氮等多中存在形式的氮,所以土壤中全氮的測(cè)定過程相對(duì)于單一形態(tài)氮較為復(fù)雜,這需要總結(jié)出一套容易操作、準(zhǔn)確、快速的測(cè)定方法。本研究結(jié)合現(xiàn)行《土壤分析技術(shù)規(guī)范》和土壤全氮測(cè)定的國標(biāo)方法,改進(jìn)了傳統(tǒng)的全氮測(cè)定方法,在一定程度上克服了傳統(tǒng)的蒸餾方法上的繁瑣,使得利用本方在高原條件下測(cè)定農(nóng)田土壤中的全氮含量,更加快捷、準(zhǔn)確、易操作。

2 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)探索高原條件下凱式蒸餾法對(duì)土壤中的全氮進(jìn)行測(cè)定。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

凱氏定氮儀、電位滴定儀、紅外控溫消煮爐、250m L消化管;所有藥品試劑均為優(yōu)級(jí)純。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 土樣的消煮

稱取經(jīng)過孔徑篩的風(fēng)干土樣0.5～1.0g于250m L消化管中,加入2.0gCuSO4:K2SO4=1:10催化劑,然后加入8m L濃硫酸,搖勻。將消化管置于紅外控溫消煮爐上,上面蓋上彎頸漏斗,以防硫酸暴沸濺出氮損失。先調(diào)節(jié)溫度為180℃,加熱約30min,待管內(nèi)反應(yīng)緩和之后,升溫至380℃繼續(xù)加熱3h,使消煮液呈灰白帶綠色時(shí),冷卻至室溫。2.2.2氨的蒸餾和滴定

在蒸餾之前,按照儀器操作規(guī)程使用定氮儀,并設(shè)置有效參數(shù),然后放上空消化管空蒸5～10min清洗管道,向裝有消煮液的消化管中加入約20m L蒸餾水置于凱氏定氮儀上,向接受杯中加入20m L20g/L硼酸溶液,向消化管內(nèi)緩緩加入40m L氫氧化鈉溶液,此時(shí),消化管內(nèi)的液體呈黑色,蒸餾5min,用少量水進(jìn)行淋洗,將洗液收入到接受杯中。

用0.01mol/L的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定接受杯中的餾出液,根據(jù)滴定前后的條件電極電位變化,讀出消耗硫酸的體積。并做空白對(duì)照試驗(yàn)。

2.2.3 結(jié)果計(jì)算

其中:V——滴定試液時(shí)所用的酸標(biāo)液的體積,m L;

V0——滴定空白時(shí)消耗酸標(biāo)液的體積,m L;

1c——酸標(biāo)液濃度,mol/L;

10.014 ——氮原子的毫摩爾質(zhì)量;

1m——風(fēng)干土壤試樣質(zhì)量,g;

1000——換算成每千克含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 消煮溫度對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

取4個(gè)消化管將稱量好的標(biāo)準(zhǔn)土樣(全氮含量約為0.95±0.02g/kg)置于消化管底部,加入2g催化劑和8m L濃硫酸,分別在360℃、380℃、400℃和420℃下進(jìn)行消煮3h,并按照2.2.2的方法進(jìn)行滴定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

表1 不同消煮溫度對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

由表1可知在不同溫度條件下,消煮所測(cè)定的結(jié)果差異較大,其中在380℃時(shí)土壤中氮消煮最為完全,實(shí)驗(yàn)結(jié)果最準(zhǔn)確,因此高原條件下消煮溫度應(yīng)控制在380℃左右,此時(shí)消煮的土液應(yīng)保持微沸狀態(tài),硫酸蒸汽能夠在消化管的1/3處發(fā)上回流,當(dāng)溫度過低時(shí)可能導(dǎo)致土壤中的氮很難被轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮,致使測(cè)定結(jié)果偏低;當(dāng)溫度超過400℃時(shí),消煮液會(huì)發(fā)生劇烈沸騰甚至溢出,從而導(dǎo)致氮素發(fā)生流失。3.2 消煮時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

在土樣全氮測(cè)定的過程中,在同樣溫度下消煮時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)決定著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,按照2.2.1所述的方法,取4個(gè)消化管分別在380℃下消煮2～5h,按照2.2.2的方法進(jìn)行滴定操作。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

表2 不同消煮時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

由表2可知,在最佳溫度380℃下消煮時(shí)間不同所測(cè)定的結(jié)果也各不相同。在最佳溫度為380℃時(shí),消煮液一直保持著微沸狀態(tài),如果消煮時(shí)間過短,會(huì)使土壤消煮不完全,使土壤中的氮不能完全被濃硫酸轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮,當(dāng)消煮時(shí)間過長(zhǎng),硫酸銨會(huì)發(fā)生分解,導(dǎo)致土壤中的氮素發(fā)生損失,當(dāng)土壤的消煮時(shí)間為3h時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果最準(zhǔn)確。因此,高原條件下,測(cè)定土壤全氮時(shí),土壤的最佳消煮時(shí)間為3h。

3.3 不同催化劑的用量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

在土樣全氮的測(cè)定過程中,催化劑的用量同樣會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,取5只消化管,按照2.2.1的方法,分別加入1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g催化劑,用紅外控溫消煮爐在380℃下消煮3h,按照2.2.2的方法進(jìn)行蒸餾和滴定,根據(jù)2.2.3的公式計(jì)算出結(jié)果,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

表3 不同催化劑的用量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

由表3可知,催化劑的用量不同也會(huì)影響著測(cè)定的結(jié)果。在最佳條件下,催化劑用量越多,消煮的速率就越快,在同樣時(shí)間內(nèi)土壤中的氮素就能越完全地轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮。如果催化劑用量過多,由于催化劑中含有硫酸銅物質(zhì),使氨的蒸餾過程中,會(huì)有部分蒸餾出的氨與硫酸銅在堿性環(huán)境中發(fā)生配位效應(yīng),從而使蒸餾出的氨不能夠完全進(jìn)入到接受杯中,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低,在催化劑用量為2g時(shí),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近真實(shí)值。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)顯示,高原條件下凱式蒸餾法測(cè)定土壤全氮具有操作方便、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn),大大減少了傳統(tǒng)方法的繁瑣程序,這完全代替了傳統(tǒng)的測(cè)定土壤全氮的方法。高原條件下凱式蒸餾法測(cè)定土壤全氮的最佳條件為:消煮溫度為380℃,消煮時(shí)間為3h,催化劑用量為2g。此外,為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在使用蒸餾裝置前,要先空蒸5～10min左右,把蒸汽發(fā)生器及蒸餾系統(tǒng)中可能存在的含氮雜質(zhì)去除干凈;若蒸餾產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象,可再補(bǔ)加硼酸吸收液后繼續(xù)蒸餾;在蒸餾過程中必須冷凝充分,否則會(huì)使吸收液發(fā)熱,使氨因受熱而揮發(fā),也會(huì)影響測(cè)定結(jié)果。

[1]胡霞,吳寧,王乾等.青藏高原東緣雪被覆蓋和凋落物添加對(duì)土壤氮素動(dòng)態(tài)的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2012,21(11):1789-1794.

[2]閔良,姚文華,徐國良等.全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定復(fù)合肥料中的總氮含量[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51 (1):184-185.

[3]李靜,唐志娟,何建平等.凱氏定氮儀測(cè)定氮含量的方法討論[J].廣州化工,2015,43(3):145-146.

[4]許靜.青藏高原東緣高寒草甸植物種子的萌發(fā)行為及其對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)[D].蘭州大學(xué),2014.

[5]邢順林.青藏高原與黃土高原土壤氮素礦化過程對(duì)溫度變化響應(yīng)的比較研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

[6]韓梅,陳占全,劉雪蓮.青藏高原綠色農(nóng)業(yè)農(nóng)田土壤肥力及養(yǎng)分評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(27): 11866-11868.

Method for Total Nitrogen Determination in Soil by Kjeldahl nitrogen on the Tibetan Plateau

Qiu cheng
(Institute of Agricultural Product Quality Stand ardand Testing
Research,Tibet Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences,Lhasa850032,China)

Nitrogen is one of the necessary elements in the farmland ecosystem,the content of nitrogen in the soil directly affected the growth of crops.In the alpine climate area,soil nitrogen in maintaining the interannual played an important role in soil nitrogen cycle.This paper adopted the Kjeldahl distillation method for determining the content of total nitrogen in farmland soil on the Tibetan Plateau,to weigh sample 0.5～1.0g,and adding concentrated sulfuric acid were boiled at 380℃,nitrogen in the soil under the action of accelerating agent completely converted to ammonium nitrogen,by Kjeldahl nitrogen determination apparatus for distillation,and titra-ting theammonia for distillation in acid standard solution.The experiments indicated that the method is rapid,accurate and simple with Kjeldahl distillation method for the determination of soil total nitrogen,the best condition for Kjeldahl distillation was also finded by the experiments on the Tibetan Plateau,the results would be better.

Tibetan Plateau;farmland soil;total nitrogen;Kjeldahl distillation method

邱城(1982-)男,助理研究員。主要從事農(nóng)產(chǎn)品及土壤檢測(cè)分析方面研究。E-mail:chengqiu_2006@163. com