土壤氨氮提取条件及其分析方法创新研究

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　　摘要：采用正交试验优化提取温度、提取剂浓度、提取时间等土壤中氨氮的提取条件，研究提取条件对土壤中氨氮提取量的影响，并采用气相分子吸收光谱法测定土壤中的氨氮含量。结果表明，土壤中氨氮提取的最佳条件为KCl提取剂浓度为2 mol/L，提取温度为25 ℃，提取时间为30 min。实际样品的加标回收率为88.0%～105.5%，相对标准偏差为3.8%～4.3%。经t检验，与HJ 634-2012比色法比较测定结果无显著性差异。该测定方法简单易行，可以满足批量土壤氨氮含量的测定要求，有实际推广价值。
　　关键词：土壤;氨氮;气相分子吸收光谱法
　　中图分类号：S151.9+3;O657.3         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）03-0141-03
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.031
　　Study on innovative extraction condition and analysis method to
　　contents of ammonium in soil
　　LYU Bao-yu，BAI Hai-qiang，PAN Yan，LAN Yue-cun
　　（Guangxi Environmental Monitoring Center Station，Nanning 530028，China）
　　Abstract： A innovative method for the determination of contents of the ammonium in the soil by gas phase molecular absorption spectrometry （GPMAS） was proposed. The orthogonal experiment was used to optimize the extraction conditions of ammonia nitrogen in soils such as extraction temperature， extractant concentration and extraction time. The effects of extraction conditions on the amount of ammonia nitrogen extracted from soil were studied. The results showed that the optimum conditions for ammonia nitrogen extraction in soil were as follows： KCl extract concentration was 2 mol/L， extraction temperature was 25℃， and extraction time was 30 min. The standard sample was recovered by gas phase molecular absorption spectrometry. The recoveries of the actual samples were 88.0%～105.5%， and the relative standard deviations were 3.8%～4.3%. Compared with the current industry standard methods， there was no significant difference in the results of the test by t test. The determination method is simple and easy， and can meet the requirements of large-scale determination contents of soil ammonia nitrogen， and has practical promotion value.
　　Key words： soil; ammonium; gas-phase molecular absorption spectrometry
　　近年來中国已成为世界上施用化肥最多的国家[1]，氮素是土壤中最重要的元素之一[2]，氮肥在土壤中积累并淋失致使周边水体中氨氮污染日趋严重。从作物对土壤中氨氮的耐受性考虑，用高氨氮污水对农田进行灌溉，土壤受到氨氮污染时，会严重危害农作物生长发育[3]。因此，对土壤氨氮进行监测并掌握其污染状况势在必行，土壤氨氮的提取工艺和测定方法成为研究热点。已有提取工艺的研究报道均集中在单因素的提取条件研究上[4-6]。实际上，单因素之间必然存在交互作用，其研究结果与真实情况存在较大差异，需通过正交试验进一步优化，才能找到最佳提取条件。
　　此外，土壤中氨氮提取液的测定多用比色法和流动注射法[7-10]，但这两种方法所需试剂多且毒性大;比色法显色5 h太久，且读数易受浸提液中色度和浊度影响，不易批量分析。气相分子吸收光谱法（简称GPMAS）是近年新兴起的一种新颖分析技术，其经一定的化学反应，将待测成分转化为气体测定，不受水体中色度和浊度的影响，而且还具有批量分析速度快、试剂和样品消耗量少等诸多优点。国内外很多学者把GPMAS应用到水体氮成分的研究[11-13]，并取得很好效果。但未有文献报道该分析技术应用于土壤氨氮的测定。
　　以提取液中氨氮含量为考察指标，采用L9（34）正交试验综合考察提取液浓度、提取温度、提取时间对土壤氨氮的影响，优选出土壤氨氮的最佳提取工艺条件。其提取液用GPMAS分析技术测定，并与《土壤 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取-分光光度法》（HJ 634-2012）标准方法获得的结果进行对比，寻求更便捷、快速、污染低、可批量测定的方法。 　　1  材料与方法
　　1.1  仪器与试剂
　　AJ-3000Plus全自动气相分子吸收光谱仪（上海安杰环保科技有限公司）;SHA-B数显水浴恒温振荡器;哈希DR/4000V分光光度计。
　　盐酸、无水乙醇、氢氧化钠、溴酸钾、溴化钾、无氨水，以上试剂均为分析纯。
　　1.2  仪器工作条件
　　氮气瓶出口压力0.3 MPa;样品进样蠕动泵转速50 r/min，试剂蠕动泵转速40.0 r/min;氧化剂蠕动泵转速30.0 r/min，加热关闭，测量时间5 s;检测波长213.9 nm。
　　1.3  土样
　　以广西南宁4个代表性用地（S1林地土，S2稻田土，S3茶园土，S4菜园土）作为样品采集点，土样的采集和制备按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166-2004）的要求进行。
　　1.4  方法
　　1.4.1  提取液样品的制备  称取40.0 g新鲜土样，放入500 mL聚乙烯瓶中，加入200 mL提取液，在恒温水浴振荡器中振荡提取一定时间。转移约80 mL提取液于100 mL聚乙烯离心管中，在3 000 r/min条件下离心10 min。取10.0 mL上清液至100 mL具塞比色管中，用于比色，另外取20 mL上清液至气相分子色谱仪的样品管中，放于自动进样盘上测定。
　　1.4.2  正交试验设计  《土壤 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取-分光光度法》（HJ 634-2012）选用1 mol/L KCl，有人认为 2 mol/L KCl 更适合做提取剂， 其较大的盐离子浓度有利于提高测定结果的稳定性[14]，本次选用1、2、3 mol/L的KCl溶液作对比试验。试验选取S2稻田土，以氨氮提取量为考察指标，对提取条件进行优化选择。以提取时间（A）、提取剂浓度（B）、提取温度（C）为考察因素，进行3因素3 水平的正交试验，因素与水平见表 1，D为空白列。
　　2  结果与分析
　　2.1  正交试验结果
　　根据表1设计的正交试验，对结果进行极差分析（表2）和方差分析（表3）。经过极差比较分析可知，极差R越大，说明该因素对土壤中氨氮提取量的影响越大，各因素对土壤中氨氮提取量影响作用的主次关系为B>A>C，即提取剂KCl浓度>提取时间>提取温度。在试验设计的水平范围内，优化得到土壤中氨氮的提取最佳条件为A2B2C3，即用2 mol/L KCl提取剂，在25 ℃恒温水浴振荡器中振荡提取30 min。
　　由表3方差分析可知，因子B最重要。由提取剂B引起的波动占75.8%，对土壤中氨氮的提取量影响具有显著差异（P<0.05）;因子A引起的波动占18.6%;因子C贡献率最小，占4.6%，可以忽略，故在提取过程中，可选择室温;A、C因素不同水平对土壤中氨氮提取量影响无显著差异（P>0.05）。
　　2.2  最佳条件验证结果
　　为了验证试验结果的准确性和重复性，以保证提取工艺的合理可行性，选用S2稻田土按A2B2C3提取，用GPMAS测定，进行5次验证试验，得出S2稻田土氨氮平均提取量为2.36 mg/kg，RSD为0.7%。用HJ 634-2012标准中给的提取条件A3B1C2，即用1 mol/L KCl提取剂在20 ℃恒温水浴振荡器中振荡提取60 min，GPMAS测定，进行5次验证试验，得出S2稻田土氨氮平均提取量为2.25 mg/kg，RSD为1.1%。由此可以判断本试验的提取工艺优于HJ 634-2012标准中给出的提取条件，且具有较好的准确性和重复性。
　　2.3  精密度和准确度
　　继续选用氨氮含量为2.36 mg/kg的S2稻田土进行加标分析，加标量分别为50、100、200 μg，按照最佳工艺条件A2B2C3提取， GPMAS测定，每个重复5次，结果见表4。由表4可知，实际样品加标回收率为88.0%～105.5%，相对标准偏差RSD分别为4.1%、4.3%、3.8%，该方法具有较高的准确度和精密度，满足试验要求。
　　2.4  样品测定
　　为进一步考察优化试验方法的适用性及可靠性，分别选取4种广西具有代表性的土壤样品测试，按照最佳工艺条件A2B2C3提取，GPMAS测定，并与HJ 634-2012标准中的比色法作比对，各样品重复5次，2种方法测定结果见表5。根据t检验结果，4种土壤的2种方法经过t检验，P>0.05，表明2种方法测定结果无显著性差异。比色法结果略高于GPMAS，可能是受土壤提取液中色度和浊度的影响造成的。
　　3  结论
　　通过L9（34）正交试验优化了土壤中氨氮的提取条件，气相分子吸收光谱法测定土壤中的氨氮，得出最佳提取条件为2 mol/L KCl提取剂在25 ℃的恒温水浴振荡器中振荡提取30 min。各因素对土壤中氨氮提取量的影响作用主次关系为提取剂浓度>提取时间>提取温度。提取剂浓度最重要，对土壤中氨氮提取量的影响具有显著差异;提取时间、提取温度对土壤中氨氮提取量影响无显著差异。对实际样品进行高、中、低3种加标进行精密度和准确度试验，加标回收率为88.0%～105.5%，相对标准偏差分别为4.1%、4.3%、3.8%，該方法具有较高的准确度和精密度，满足试验要求;气相分子吸收光谱法测定土壤中氨氮含量，与HJ 634-2012比色法相比，t检验结果无显著差异。
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　　收稿日期：2019-04-04
　　作者简介：吕保玉（1981-），女，河南南阳人，高级工程师，硕士，主要从事环境监测和重金属污染研究，（电话）0771-5773965（电子信箱） 76033546@qq.com;通信作者，白海強（1983-），男，高级工程师，硕士，主要从事环境监测分析工作，（电子信箱）baihaiqiang@foxmail.com。
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