土壤全氮的测定(精)

土壤全氮的测定本章要点：1、了解土壤中氮素的存在形态及含量。2、熟悉开氏法测定全氮的两大步骤3、掌握开氏法测定土壤全氮的原理。4、熟悉开氏反应及其特点。5、掌握蒸馏法测定氨的原理及条件。一、概述（一）土壤全氮存在的形态有机态N：占90%以上，大多数是腐殖物质态氮,如蛋白质、氨基酸、氨基糖、腐殖质等。无机态N：占1-5%，主要有NH4-N、NO3-N、NO2-N（少量）（不包括固定态氮），一般小于100mg.kg-1。（二）土壤全氮含量：1我国大部分耕地土壤全N含量不高，且变幅很大，其范围大约在0.03-0.5%。其中：东北黑土0.15-0.5%华北地区0.05-0.08%黄土高原和黄淮海平原0.03-0.1%有机质含量很低的砂土0.03%一般自然土壤明显高于耕作土壤。2华北地区土壤全N的分级指标大致是：土壤全N水平低中高土壤全N%0.050.05-0.080.08二、测定方法评述（一）干烧法：（杜马法、杜氏法）1931年，瑞典人杜马（Dumas）创立的干烧法基本原理：样品在CO2气流中燃烧（600C），以Cu+CuO作催化剂，使所有的N都转变成N2，气流通过碱液（浓KOH、NaOH）除去CO2后，测定N2的体积，计算样品全N含量。Cu+CuONaOH除去CO2土+CO2N2N2，600C经典的杜马法结果准确，回收率高，但仪器装置及操作复杂、费时，在土壤N素分析中很少采用。近几年由于仪器发展很快，此法又兴起，例如：1用注射管测量微量的N2体积（微升计），如氮自动分析仪，土壤称样量最多为0.2克，燃烧温度为950－1050℃，测N2体积，可测准样品中0.05%N(对土壤全N测定似乎还不够灵敏)。2用热导池测量N2和CO2的导热系数（载气用He气），如日本C/N自动分析仪，一般多用于植物，农药的分析，不适于含N低的土壤样品(用于土壤分析仅有报导)。（二）湿烧法：（开氏法）1883年，丹麦人开道尔（J.Kjeldahl）创立。由于仪器设备简单易得，操作也简便，准确度较高，因此为一般实验室所采用。三、开氏法测定土壤全N（半微量法）*（一）原理：含N有机物在催化剂作用下，与浓H2SO4高温共煮，使有机N转化成NH4-N（(NH4)2SO4），然后在碱性溶液中蒸馏出NH3，用H3BO3吸收，再用标准酸溶液直接滴定H3BO3吸收的NH3，根据酸的用量来计算N含量。测定步骤：催化剂+浓H2SO4OH-H3BO3有机NNH4+NH3NH4++H2BO3-(+无机N)H+H3BO3|样品的消煮|消煮液中NH4+的定量(蒸馏)|（二）测定条件：1样品的消煮：（1）开氏反应及其特点开氏反应：样品用浓H2SO4高温消煮时，各种含N有机化合物经过复杂的高温分解而转化为NH4-N的反应。开氏法：凡是用开氏反应消煮的定N方法都叫开氏法，不论采用何种加速剂、仪器及如何定量。在开氏反应中，有机C被浓H2SO4氧化成CO2而逸失，即：C+2H2SO4（浓）=CO2+SO2+2H2O对N而言：有机N+H2SO4（浓）NH4+开氏反应的特点：①浓H2SO4是中强氧化剂，单靠它不能很快完成各类含N有机物的开氏反应，因此需要加入加速剂，以缩短消煮时间。②开氏反应的氧化还原电位范围较窄，既须把有机C氧化成CO2，又须防止把NH4+氧化成NO3-，因此使用氧化剂要特别注意。③高温消煮能促进有机质分解，但温度过高则会引起NH4+盐热分解，所以温度不能超过410C。④有些有机N因抗性大则转化很慢，即使有加速剂，在消煮清亮后也必须再“后煮”一段时间。（2）消煮时的反应条件：①加速剂包括三种：I、增温剂：K2SO4或无水Na2SO4作用：提高消煮溶液的沸点，加速高温分解过程。消煮温度要求控制在360-410C，一般用加盐量的多少来控制消煮液温度的高低，按每毫升浓H2SO4中含0.3-0.8g盐。II、催化剂：Hg、HgO、CuSO4、Se等，其中以Hg、Se催化效率较高，而Cu次之，但使用安全，不易引起N素损失。现多采用Cu-Se混合使用。Hg的催化效率虽高，但有毒，而且Hg在测定过程中与NH4+生成配合物，在以后加碱蒸馏时也不能释放出来，使测值偏低。HgO+(NH4)2SO4=HgSO4+H2O因此，必须在蒸馏前再加还原剂（如Na2S2O3或Na2S）处理，使Hg出来。HgSO4+Na2S2O3+H2O=HgS+Na2SO4+(NH4)2SO4这就造成操作上的复杂化，所以现在一般不用Hg作催化剂。NH3NH3NH3NH3Se的催化效率也高，也有毒，但如掌握不好，用量过多，温度过高或时间过长，均易导致N素损失。4NH4++3SeO32-+2H+=2N2+3Se+9H2O如果用量不多或与Cu按比例混合使用，也可达到较好效果。Se能使有机C很快氧化成CO2，但不能加速有机NNH4-N，虽然能使消煮液很快变清亮，但有机N并未转化完全，所以后煮时间较长。催化过程：Se+2H2SO4H2SeO3+2SO2+H2OH2SeO3SeO2+H2OSeO2+CSe+CO2CuSO4催化效率不如前两者，但毒性小，使用完全，不易引起N素损失。催化过程为：4CuSO4+3C+2H2SO42Cu2SO4+4SO2+3CO2+2H2OCu2SO4+2H2SO42CuSO4+SO2+2H2O即：当土壤有机质分解完毕，C被完全氧化后，消煮液呈现清澈的兰绿色，冷却后为无色（CuSO4·5H2O脱水），因此CuSO4不仅起催化作用，也起指示作用。现在普遍采用Cu-Se与盐按比例配成的加速剂，它既起到缩短消煮时间，又能防止N素损失的作用。加速剂的比例为：组成K2SO4(或无水Na2SO4)：CuSO4·5H2O：Se粉重量比100：10：1按比例混合，研细后使用。III、氧化剂：有HClO4、KMnO4、K2Cr2O7、H2O2等，其中以HClO4较好，但氧还电位太高，作用很激烈，加入量稍多，极易使N素损失，使结果偏低。K2Cr2O7、KMnO4在消煮时易暴溅，控制不好也易引起N素损失。H2O2较安全，但也要控制量(作植株分析用)。总之，使用上述氧化剂都必须特别小心。在H2SO4-HClO4消煮中，如果对测定的要求不太高时，可在同一试液中测N、P，但要求精度高时不宜作N、P联合测定。因为二者矛盾在于：为了完全回收P，HClO4用量应多些；而为了完全回收N，则要求HClO4用量少些，所以联合测定时只好折中处理，使回收率达到95%即可。在N、P、K联测中，土壤K只是近似于全K，因许多粘土矿物硅酸盐晶格上的K在开氏消煮中不会被释放出来，而P容易释放，而植物中K本来成离子态，所以，植物中的K可以完全被转到溶液中。②H2SO4用量：加入浓H2SO4的量要考虑土壤有机质类型、含量以及加盐量的多少等因素。一般是0.5-1.5g（含N约1mg时）加5ml浓H2SO4。加酸的同时要做空白测定，以消除试剂误差。③加热温度与时间：加热温度在360-410C，才能使土壤有机N化合物分解完全，也不引起N的损失。对温度的控制：自动控温器或消煮管中H2SO4蒸汽冷凝回流的高度（在瓶颈上部1/3处冷凝回流为宜）。用小火加热，待瓶内反应缓和时（10～15min），加强火力使消煮的土液保持微沸。加热时间：控制适当的加热时间可以保证土样中的有机N全部转化为NH4-N，又不致因时间过长而引起N素损失。据全N标准化研究指出：(对半微量开氏法的要求)当消煮液和土粒全部变为灰白并略带绿色后，再消煮一小时，这1hr叫后煮，其作用是促使土壤中复杂的有机N化合物分解完全，全部转化为NH4-N。后煮时间的长短取决于土壤有机质的含量、加速剂的种类和用量。根据研究结果看，在360-410C消煮80-90min，即可得到稳定的测值。（3）消煮方式（通风橱）铝块消煮器、远红外消煮器、封管消煮器……（4）注意：①在开氏反应中，有少量含杂环N、N-N键、N-O键等有机化合物（如偶N硝基、肼、腙…）不能完全分解，但它们在土壤中含量很少，所以开氏N中不包括在内。②开氏反应也不包括全部NO3-N、NO2-N。因为NO3-N在消煮过程中不会完全还原为NH4+，而且易挥发，一般土壤中含量不超过全N量的1%，所以可以忽略不计。如果某些土壤NO3-N含量较多或对全N量要求准确度较高时，则需采用改进法，采用KMnO4-Fe-开氏法消煮，其方法为：土样（含1毫克左右N）放在微量开氏瓶中，加1ml5%KMnO4转动30秒斜放45角，沿瓶颈用移液管慢慢加入2ml，并转动，放置5分钟，加1滴辛醇，然后加0.50±0.01克还原Fe(铁粉)，直加底部，转匀，放置15分钟，无大量气泡为止，微热约45分钟，冷却后加1.1克K2SO4－催化剂，3毫升浓H2SO4消煮至无泡末时，强热至浅绿色，沸煮5小时，冷后加水15毫升，转入蒸馏器中蒸馏定N，同时做空白测定。③晶格固定态NH4+，即NH4+被固定在矿物晶格中，一般不能被水、盐溶液所提取，因此也不包括在开氏N中。若要包括在内，则需用HF-H2SO4处理。含1毫克左右N的土样，放入25毫升塑料中，加5ml5molL-1HF和1molL-1HCl塞紧，振荡24小时，转入盛有12ml4.5molL-1H2SO4的微量开氏瓶中，摇匀，微微加热，除去水分后，冷却加1.1克K2SO4－催化剂，消煮后，蒸馏定N。2消煮液中NH4+的测定：（1）原理：一般用加碱蒸馏的方法从消煮液中分离出NH4+，用滴定法（或电位滴定法）测NH4+，也有用扩散法、比色法、氨电极法。蒸馏装置图蒸馏法*：消煮液加碱（NaOH）碱化，使NH4+NH3，逸出的NH3可用：（1）标准酸吸收，再用标准碱滴定多余的酸，根据净用酸量计算NH4+的量。（现在用的很少）（2）现在普遍采用的是用H3BO3溶液吸收NH3，然后用标准酸滴定吸收的NH3。NH4++OH-=NH3+H2ONH3+H3BO3=NH4++H2BO3-H++H2BO3-=H3BO3H3BO3中加入混合指示剂溴甲酚绿-甲基红，指示剂的变色范围pH4.2-4.9，酸性时红色，碱性时兰绿色。用H3BO3吸收前，把此混合液调到pH4.5，为紫红色（此时正好是滴定终点）。紫红色的H3BO3液收集蒸馏出的NH3后，pH升到8.6，为兰绿色，再用标准酸滴定溶液至紫红色（pH4.5），此时消耗的酸量即为NH3的量。（2）测定NH4+的条件：①H3BO3的用量：H3BO3是一元弱酸，在溶液中呈弱酸性，pKa=9.2，吸收NH3后溶液的pH是8.6，即H3BO3（加指示剂调节pH后的）吸收NH3后pH由4.5上升到8.6，溶液已呈碱性，不能再吸收NH3了。1%H3BO3约等于0.16mol/L1ml1%H3BO3吸收的NH3量为0.46mgN1ml2%H3BO3吸收的NH3量为0.92mgN在半微量开氏法蒸馏中，一般是1mgN，用5ml2%H3BO3吸收NH3足够了。与用酸吸收比较，用H3BO3吸收NH3有以下几个优点：A、仅用一种标准酸溶液即可测出NH3含量，准确度高；B、H3BO3用量不必准确，只要足够即可，而标准酸的用量要求准确；C、蒸馏时不怕倒吸，如倒吸可再加H3BO3，然后继续蒸馏；D、H3BO3液中加入指示剂，可检查接受瓶是否干净、蒸馏瓶中的碱是否足够。②NaOH的用量：以保证NH4+全部蒸出为原则，主要是根据加入浓H2SO4的量来计算的。浓H2SO4加入5ml，40%NaOH用量：36mol/L(1/2H2SO4)5ml=10mol/L(NaOH)VV=18ml实验中一般加20ml10mol/LNaOH。如何判断加碱量是否合适，可以根据加碱后的几种现象来判断：液变混浊，有蓝色絮状沉淀(Cu(OH)2生成)；溶液变为棕褐色混浊，Cu(OH)2CuO；接收瓶中H3BO3液由紫红色蓝色。以上说明加碱适量。*加碱后，蒸馏开始，蒸馏瓶内溶液为蓝色，不变混浊，也不变棕褐色（因为生成[Cu(OH)4]2-不沉淀出来），此时要看接收瓶内溶液的变化，若变蓝，说明碱够，若不变蓝，则可能是加碱不足