土壤有效氮包括無機(jī)的礦物態(tài)氮和易分解的、比較簡單的有機(jī)態(tài)氮,它是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺、易水解蛋白質(zhì)氮的總和,通常也稱為水解氮,與全氮相比它更能反映土壤氮素近期的供應(yīng)狀況,是土壤肥力的重要指標(biāo),因此是土壤的常規(guī)化驗(yàn)項(xiàng)目之一。堿解擴(kuò)散法作為傳統(tǒng)方法是目前測定土壤水解氮普遍采用的方法。但是該檢測方法存在明顯的設(shè)計(jì)缺陷,例如用于堿解的氫氧化鈉與硼酸吸收液處于同一個(gè)空間狹小的容器內(nèi)外室中,操作過程中稍有不慎,極易發(fā)生污染;再者玻璃板和擴(kuò)散皿之間可能因密封不嚴(yán),氨氣逸出,導(dǎo)致測定結(jié)果偏低。為了增加結(jié)果的可靠性,常常要做3個(gè)平行樣,這無疑又增加了工作量。簡而言之,該法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,工作效率低下,與當(dāng)前快速、準(zhǔn)確的檢測要求相差甚遠(yuǎn)。隨著現(xiàn)代儀器的迅速發(fā)展,許多研究人員提出采用自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行土壤水解性氮/堿解氮的測定。毋容置疑,自動(dòng)凱氏定氮儀用于土壤水解性氮的測定,簡便、快速、精密度高,這是由儀器本身的性能決定的。

自動(dòng)凱氏定氮儀測定的土壤堿解氮是否是傳統(tǒng)意義上的堿解氮。目前,土壤有效氮的測定方法主要有生物培養(yǎng)法、酸水解法、堿水解法,其中堿水解法由于適用范圍廣更適合于例行分析。堿水解法有堿解擴(kuò)散法和堿蒸餾法2種,傳統(tǒng)的堿解蒸餾法:蒸餾時(shí)間為8min,加熱蒸餾裝置落后,需人為經(jīng)驗(yàn)控制,操作煩瑣。因此應(yīng)用普及程度遠(yuǎn)低于堿解擴(kuò)散法。隨著現(xiàn)代儀器的迅速發(fā)展,許多研究人員提出采用自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行土壤堿解氮的測定,實(shí)際上自動(dòng)凱氏定氮儀用于測定土壤堿解氮是對傳統(tǒng)堿解蒸餾法的改進(jìn)方法。

圖1傳統(tǒng)的堿解蒸餾裝置

由表1可以看出,目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中,自動(dòng)凱氏定氮儀測定土壤水解性氮/堿解氮的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定不一致,比如起水解作用的氫氧化鈉濃度、蒸餾效率、蒸餾時(shí)間等,但實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致,即新堿解蒸餾法與堿解擴(kuò)散法測定的土壤水解性氮含量相同,自動(dòng)凱氏定氮儀可以用于測定土壤堿解氮。原因何在?是測定不同的土壤樣品需要不同的實(shí)驗(yàn)條件嗎?文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)土壤樣品均有國標(biāo)土樣GBW07414a,但氫氧化鈉起始濃度分別為4.44、6.67mol/L、稍微小于4.0mol/L(因?yàn)橛蒙僭S蒸餾水沖洗粘在內(nèi)壁上的樣品),很顯然,同一個(gè)土壤樣品,不同的實(shí)驗(yàn)條件,得出了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而研究結(jié)果表明,氫氧化鈉的濃度對其測定結(jié)果影響很大,其濃度過低,易水解蛋白質(zhì)水解不全部溶解,檢測結(jié)果偏低;其濃度過高,某些難水解蛋白質(zhì)發(fā)生部分水解,導(dǎo)致結(jié)果偏高。

表1公開發(fā)表文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

供試土壤為設(shè)施栽培土壤,采自西藏林芝河谷地區(qū),成土母質(zhì)多為洪積沖積物,土壤質(zhì)地較砂,保水保肥性差,共16個(gè)土壤樣品。

表2供試土壤樣品相關(guān)理化指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值

新堿解蒸餾法的測定步驟：使用儀器為意大利產(chǎn)VELP自動(dòng)凱氏定氮儀UDK169型,儀器調(diào)試過程:將標(biāo)定濃度為0.0355mol/L的鹽酸溶液、10mol/L的氫氧化鈉、硼酸指示劑混合溶液、蒸餾水裝入相應(yīng)的容器,按正常程序開機(jī)和儀器自檢?？紤]到土壤樣品和高原測定條件的相似性,參考文獻(xiàn)來設(shè)置儀器參數(shù)(硼酸接收液30mL,4.0mol/L的氫氧化鈉20mL,蒸汽強(qiáng)度50%,蒸餾時(shí)間4min),空蒸3根蒸餾管以清洗管道,然后進(jìn)行空白樣測試,空白樣消耗鹽酸體積為0.067mL,并用分析純硫酸銨做儀器回收率測試,測試結(jié)果為99.8%,儀器調(diào)試結(jié)束。

土壤樣品的測定:(1)稱取通過1mm篩的風(fēng)干土樣2.00g置于蒸餾管中,土壤樣品蒸餾時(shí)設(shè)置2個(gè)處理:加入1g鋅-硫酸亞鐵還原劑和不加鋅-硫酸亞鐵還原劑。同時(shí)做相應(yīng)的空白測定。(2)將內(nèi)盛土壤樣品的蒸餾管連接在定氮儀上,旋緊接口,開始蒸餾,儀器自動(dòng)完成后續(xù)的蒸餾和滴定過程,滴定完成后,記錄下土壤樣品消耗鹽酸的體積,取下蒸餾管。

堿解擴(kuò)散法的測定步驟：

(1)稱取通過1mm篩的風(fēng)干土樣2.00g,均勻平鋪于擴(kuò)散皿外室。土壤樣品堿解時(shí)設(shè)置2個(gè)處理:加入0.2g的FeSO4·7H2O和0.1mL的飽和AgSO4溶液;不加還原劑FeSO4·7H2O和催化劑AgSO4。

(2)在擴(kuò)散皿內(nèi)室加入2mL的20g/L硼酸—指示劑溶液,在皿的外室邊緣涂上堿性膠液,蓋上毛玻璃,旋轉(zhuǎn)數(shù)次,使皿邊與毛玻璃基本都黏合。

(3)再慢慢轉(zhuǎn)開毛玻璃的一邊,使擴(kuò)散皿外室露出一條狹縫,迅速加入10mL的NaOH溶液于外室(加還原劑的外室加1.07mol/L的NaOH溶液,不加還原劑的外室加1.0mol/L的NaOH溶液),立即蓋嚴(yán),水平地輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散皿,使NaOH溶液蓋住所有土壤。然后用橡皮筋圈緊,使毛玻璃固定。

(4)隨后小心平放在(40±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中,(24±0.5)h后取出,用0.005mol/L的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液(按照GB/T601—2016進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定,實(shí)際標(biāo)定濃度為0.0051579mol/L)滴定內(nèi)室中硼酸所吸收的氨量,內(nèi)室硼酸吸收液由藍(lán)色變?yōu)槲⒓t色即達(dá)滴定終點(diǎn)。

每個(gè)樣品做3次重復(fù)測定。在樣品測定的同時(shí)進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果與分析  

2種方法測定結(jié)果的比較：由表3可知,堿解氮因測定方法不同測得的結(jié)果亦不同。2種測定方法的差異性檢驗(yàn)結(jié)果顯示,在不加還原劑的情況下,除了8號和12號樣外,新堿解蒸餾法的測定值均顯著低于堿解擴(kuò)散法;在加還原劑的情況下,新堿解蒸餾法一部分樣品的測定值低于堿解擴(kuò)散法,一部分樣品的測定值高于堿解擴(kuò)散法,有75%的土壤樣品呈顯著性差異。鑒于堿解擴(kuò)散法為測定土壤堿解氮的傳統(tǒng)經(jīng)典方法,采用堿解擴(kuò)散法測定值為基準(zhǔn),計(jì)算得出加與不加還原劑時(shí),2種方法測定值相對相差的平均值分別為11.03%和21.35%。這說明,在本研究設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)條件下,自動(dòng)定氮儀測定土壤堿解氮含量時(shí),至少被低估了10%～20%以上。

2種方法測定結(jié)果的相關(guān)性分析：總體上,無論加與不加還原劑,2種方法測定的堿解氮含量間均存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P<0.0001),總體決定系數(shù)R2分別高達(dá)0.943和0.918,2種方法的堿解氮測定結(jié)果高度相關(guān)。雖然2種方法測定結(jié)果之間呈現(xiàn)顯著性差異,但并沒有影響2種方法測定結(jié)果的相關(guān)性,這在某種程度上說明了自動(dòng)凱氏定氮儀用于測定土壤堿解氮的適用性和可行性。

同一種測定方法加與不加還原劑的差值與硝態(tài)氮含量之間的相關(guān)性分析：在測定土壤堿解氮時(shí),如果要將土壤中硝態(tài)氮包括在內(nèi),需要添加還原劑進(jìn)行還原。理論上講加與不加還原劑測定結(jié)果之間的差值即為土壤硝態(tài)氮含量。現(xiàn)在把2種方法測定的加與不加還原劑的差值與土壤硝態(tài)氮含量(酚二磺酸比色法測定)進(jìn)行線性擬合,由圖3可以看出新堿解蒸餾法的擬合結(jié)果明顯優(yōu)于堿解擴(kuò)散法,表明用自動(dòng)凱氏定氮儀測得的加與不加還原劑的差值和硝態(tài)氮的含量相關(guān)程度更高,自動(dòng)凱氏定氮儀測定的土壤硝態(tài)氮與真值更為接近。

表3不同測定方法測定土壤堿解氮的測定結(jié)果比較

注:同一樣品,同行不同字母標(biāo)示差異顯著(P<0.05)。

圖2自動(dòng)定氮儀測定值與堿解擴(kuò)散法測定值的相關(guān)性

結(jié)論  

自動(dòng)凱氏定氮儀用于土壤堿解氮的測定,與傳統(tǒng)的堿解擴(kuò)散法相比,堿解條件堿解時(shí)間不同,因此從概念上講,自動(dòng)凱氏定氮儀測定的“土壤堿解氮”不同于堿解擴(kuò)散法測定的“土壤堿解氮”。試驗(yàn)結(jié)果表明,無論加與不加還原劑,75%以上的土壤樣品具有顯著差異性,這進(jìn)一步驗(yàn)證了2種方法測定的土壤堿解氮數(shù)量上不同,因此自動(dòng)凱氏定氮儀測定的“土壤堿解氮”不能等同于堿解擴(kuò)散法測定的“土壤堿解氮”。但是自動(dòng)凱氏定氮儀測定值與傳統(tǒng)方法之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系,且測得的加與不加還原劑的差值和硝態(tài)氮的實(shí)際含量相關(guān)程度更高,這表明自動(dòng)凱氏定氮儀測定的土壤堿解氮結(jié)果具有一定的現(xiàn)實(shí)意義,結(jié)合其操作簡便、分析效率高的優(yōu)點(diǎn),因此自動(dòng)凱氏定氮儀測定的“土壤堿解氮”可作為不同于傳統(tǒng)意義上的“土壤堿解氮”的一個(gè)新測定指標(biāo),應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

圖3加與不加還原劑的差值與硝態(tài)氮含量之間的相關(guān)性