張明 王力君 陳秀娜 王燕 張建民 張國龍
摘 要：採用電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系測定土壤中有機質含量，通過研究消解溫度、消煮時間、干擾因素對有機質含量的影響。在測定土壤有機質中得出消解溫度220 ℃，消煮時間8 min為最佳消解條件。結果表明：風冷管重複回流可保證消解體系的酸度保持恆定，減少蒸發的同時，有利於土壤有機物的消解。經國家標準物質驗證，測定值與標準值吻合，測試結果重現性好，相對標準偏差小於0.88%。該方法進一步降低測試成本，且更加環保、可靠、具有環境適應性強、測試效率高等特點，適用於土壤有機質含量的批量快速測定。
關 鍵 詞：土壤;有機質;外加熱法;重鉻酸鉀-硫酸消解;干擾
中圖分類號：S151.9+3 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2019）09-2129-04
Abstract： The content of organic matter in soil was determined by the potassium dichromate - sulfuric acid digestion system with hot plate heating-air cooled tube repeating reflow. The influence factors of determining organic matter content， including digestion temperature， boiling time and interference factor， were studied. The optimal digestion condition for measurement of soil organic matter was obtained as follows： the digestion temperature 220 ℃ and the boiling time 8 min. The results showed that the repeating reflux of air cooled tube kept the constant acidity of the digestion system and reduced the evaporation， which was beneficial to the dissolution of soil organic matter. The national standard material validation showed that the measured value was in agreement with the standard value， and the test results had good reproducibility. The relative standard deviation was less than 0.88%.This method can further reduce the testing cost， and is more environmentally friendly， reliable， and has strong adaptability to the environment and high testing efficiency.
Key words： Soil; organic matter; External heating method; Potassium dichromate-sulfuric acid digestion; interference
土壤有機質是指土壤含碳的有機化合物。它主要包括土壤中各種動物、植物殘體，微生物體及其分解和合成的各種有機化合物，是農作物生長的原料庫，也是全球碳循環中重要的流通途徑[1-5]。一般來說，在其他條件基本相同的情況下，土壤有機質的含量隨降水量的增加而提高，隨年平均溫度的升高而降低[6]。土壤中有機質含量的高低，是判斷土壤肥力的一個重要指標[7，8]。近年來，伴隨著人口的增長和經濟的發展以及城鎮化步伐的加快，為了保證國家糧食安全的需要，可種植土地的開發利用顯得尤為重要。土壤有機質含量也是指導現代農業生產的一個重要依據。本文結合土壤有機質測定重鉻酸鉀氧化法，對加熱消解條件進行了優化，建立了電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系，在測定土壤有機質中得出消解溫220 ℃，消煮時間8 min為最佳消解條件。經標準物質驗證，方法經濟可靠，實用性強，測試結果重現性好，可開展大批量實際樣品的測試。
1 實驗部分
1.1儀器與主要試劑
儀器：BSA124S型電子天平（德國賽多利斯公司）;智能電熱板（天津拓至明實驗儀器技術開發有限公司）;三角瓶（150 mL）;風冷管。
試劑：0.8 mol/L重鉻酸鉀（K2Cr207）溶液;0.2 mol/L硫酸亞鐵（FeS04·7H20）標準溶液;鄰菲囉啉指示劑;高純石英砂;1.84 mol/L濃硫酸（H2SO4）;試驗用水均為去離子水。
標準物質：土壤國家一級標準物GBW07412a（遼寧棕壤），GBW07414a（四川紫色土），GBW07458（黑龍江黑土）。
1.2 試驗步驟
稱取過篩的風乾土（100目）試樣0.050 0～0.500 0 g（精確至0.000 1g）於150 mL三角瓶中，加少許固體硫酸銀，加入5.0 mL 0.8 mo/L 重鉻酸鉀溶液，再加入5 mL濃硫酸，充分搖勻，在三角瓶口插入風冷管。放置到220 ℃恆溫電熱板上，待風冷管內液體上升開始回流時，保溫沸8 min後取下，用蒸餾水水多次洗滌風冷管，使三角瓶內溶液總體積達到60～70 mL，加入2～3滴鄰菲囉啉指示劑，用硫酸亞鐵標準溶液滴定，溶液的顏色由橙黃到藍綠再到棕紅色即為終點。同時進行1～2個空白試驗，即取與試樣等質量的二氧化矽粉代替土樣進行試驗[9-11]。
1.3 結果計算
有機質含量採用下式計算[10，11]：
2 結果與討論
2.1 消解方法的選擇
目前我國土壤中測定有機質普遍採用現行的林業、農業行業標準均為重鉻酸鉀硫酸氧化—油浴加熱法消解[12]。該方法是沿用多年的經典方法，但油浴法在高溫條件下油會氣化易污染空氣[13]，其表面有機物發揮嚴重易造成測試結果偏高。另外，試管外壁上附著的濃硫酸在高溫消解過程中進一步加速了油脂的碳化，造成試管不易清洗。近年來針對上述情況，劉會強用恆溫電加熱板[14]、余跑蘭等人用烘箱加熱[15]、李優琴等人用可控溫消解爐加熱[16]、黃金蓮等人用石墨消解法加熱[17]、黃勤等人用微波消解法[18]對油浴法加熱進行了改進研究。由於受到環境、儀器設備等諸多因素的影響，烘箱消解法由於檢測效率較低 、能耗高不適於批量測試;可控溫消解爐加熱法、石墨消解法及微波消解法操作比較繁瑣、而且對儀器設備要求較高，對大批量土壤樣品有機質含量的準確檢測帶來了諸多不便。在保證檢測質量的同時，大幅度提高前期有機物氧化消解效率顯得尤為重要。常規加熱過程中，伴隨著溫度的上升，在有機物物消煮的過程中，部分消解液會揮發， 消解後期，由於消解液及酸度的不足，導致氧化消解不完全，這也可能是造成有機質含量異常的原因。改用電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系，既能保證消解過程中的酸度恆定，同時減少環境污染、降低測試成本，提高檢測效率。
2.2 消解溫度與時間的選擇
在土壤有機質測定過程中，溫度和時間是影響氧化效果的重要因素。不同條件下有機質測定值產生差異的原因可能是加熱時間過長溫度過高，在氧化有機質的同時，其它成分同時也被氧化，另外還會造成重鉻酸鉀分解;亦或是加熱時間過短或溫度過低，導致試樣有機質氧化不完全，這些因素都是造成測定結果偏離的主要原因。結合恆溫電加熱法資料[14]，設置電熱板溫度為220 ℃時，通過對土壤標物GBW07412a在不同消煮時間有機質含量的測定數據分析，由圖1可見，隨著消煮時間的增加，測定結果逐漸呈上升狀態，但是消煮時間10 min後，測定結果已明顯偏離不確定度範圍，消解8 min時測試結果最接近參考值。
當消解時間設定為8 min時，選用不同含量範圍的3種國家一級標準物質（GBW07412a、GBW07414a、GBW07458），在 170～250 ℃電熱板加熱條件下，每個樣品重複檢測 6次，結果取平均值，得出最佳的消解溫度。由表1來看，隨著消解溫度的增加，有機物氧化越來越完全，測定值不斷增大。當溫度達到220 ℃時，檢測值最接近標準值。但是繼續升溫後，不難看出，測試結果已明顯偏離標準物質給定的不確定度範圍。說明重鉻酸鉀發生了分解，造成結果偏高。
2.3 準確度與精密度
選用不同含量範圍的有機質國家一級標準物質，採用電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系，控制消解溫度在220 ℃，消煮時間在8 min時，進行準確度與精密度試驗。數據表明：每個標準物質重複測定結果均在各自給定的不確定度範圍內，測定平均值與標準值的相對標準偏差分別為0.88%、0.54%、0.68%，相對誤差分別為1.10%、-0.32%、0.62%。上述標準物質測定結果的準確度及精密度均滿足要求。測試結果祥見表2。
2.4 干擾與消除
土壤有機質測定的干擾有很多[19-20]，一般土壤中存在游離Cl-及部分氯化物，用傳統重鉻酸鉀-硫酸進行消煮時，沒有考慮Cl-的干擾[21]。而Cr2O72- 會氧化一部分游離Cl-及氯化物。由於受到Cl-的干擾，致使採用這種方法會產生較大的測定誤差。通過硫酸或硫酸化合物的氧化作用來對土壤中的氯離子及氯化合物進行氧化處理，使土壤中的Cl-與硫酸發生氧化作用，完成對含Cl-土壤的除Cl-處理工作。另外，Cl-在土壤中是典型的非專性吸附，且Cl-帶負電荷，與土壤顆粒所帶的電荷相同，他們之間產生排斥力， 氯離子便於脫離土壤顆粒隨水溶液遷移[22]，而硫酸根在質量濃度低時為專性吸附，在質量濃度高時為非專性吸附。一般情況下，加入少量固體Ag2SO4可消除部分干擾，但是固體Ag2SO4價格很貴，考慮到測試成本，當土壤中有機質含量很低時，可以不加固體Ag2SO4，但對於有機質含量高的樣品，可以考慮加入0.05～0.1 g固體Ag2SO4，用於消除Cl-，但是Cl-含量較高，可考慮用水洗法加以克服。
另外樣品粒徑越也是影響土壤有機質測試的一個因素。粒徑越小，越容易被氧化 ， 從而造成結果偏高 。由於土壤中含有較多還原物質的存在，可消耗過多的重鉻酸鉀，使結果偏高，影響分析準確性，採用自然風乾土壤樣品進行有機質分析，可避免上述問題，進一步可以提高測試精度。
3 結 論
採用恆溫電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系測定土壤中有機質含量，用三角瓶直接加熱，設置消解溫度220 ℃，消煮時間8 min。該方法操作簡便、更加經濟環保、不需要轉移可直接滴定;且方法準確、適應性強、極大的提高了檢測效率，可以為大批量檢測提供借鑑。
參考文獻：
[1]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000.
[2]劉凌，肖瀟.土壤有機質測定方法對比分析錢寶[J].河海大學學報（自然科學版），2011，39（1）：34-38.
[3]夏建新，段崢嶸，吳才武.土壤有機質測定方法述評與展望[J].土壤，2015，47（3）：453-460.
[4]郝國輝，邵勁松.土壤有機質含量測定方法的改進研究[J].農業資源 與環境學報，2014，31（2）：202-203.
[5]嚴相進，朱玲，倪雲，唐羅忠.泗陽縣林農復合經營對土壤理化性質的影響[J].江蘇林業科技，2018，45（5）：9-11.
[6]王虹，匡勇嬌，周小玲，石玉平，王永寧，馬明.青海不同地區土壤中有機質含量的測定[J].安徽農業科學，2009，37（31）：15338-15339.
[7]師亞飛，陳虎林，等.劉肖.初探土壤有機質測定方法的改進[J].中國農學通報，2014，30（12）：147-150.
[8]拉薩市周邊大棚土壤有機質含量評價[J].安徽農業科學學報，2017，45（9）：118-120.
[9] 盧錦釗，王克勤，趙洋毅，張繼輝.西南地區生物質改良劑對土壤侵蝕因子的影響[J].人民黃河，2018，40（7）：94-95.
[10]張土秀，何文靜.石墨消解儀消解—容量法測定土壤有機質[J].環境保護與循環經濟，2018，7：56-57.
[11]吳毓苗.三七不同生育期皂苷積累狀況研究[D].雲南中醫學院，2018：30-32.
[12] 中華人民共和國農業部.土壤檢測 第6部分：土壤有機質的測定：NY/T 1121.6—2016[S].北京：中國農業出版社，2006.
[13]李小輝，孫慧瑩，劉春霞.岩石熱解法測定頁岩中有機碳 [J].當代化工，2017，46（3）：429-431
[14]劉會強.恆溫電加熱法對土壤有機質檢測方法的改進 [J].煤炭與化工，2017，40（9）：75-78.
[15]余跑蘭，肖小軍，等.油浴法測定土壤有機質消煮方式的改進研究[J].江蘇農業科學，2018，46（19）：328-330.
[16]李優琴，呂康.土壤有機質測定方法中消解條件的優化 [J].江蘇農業科學，2013，41（9）：291-292.
[17]黃金蓮，范輝.石墨消解法測定土壤中有機質[J].廣東化工，2018， 45（1）：181-182.
[18]黃勤，餘波.測定土壤中有機質含量中微波加熱法的應用[J].西部資源，2018（3）：167-168.
[19]劉昌嶺，朱志剛，賀行良，張波，夏寧.重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵滴定法快速測定海洋沉積物中有機碳[J] 岩礦測試，2007 26（3）：207 -208.
[20]Vitti C， Stellacci A M， Leogrande R，et al. Assessment oforganic carbon in soils： A comparison between the Springer–Klee wet digestion and the dry combustionmethods in Mediterranean soils （Southern Italy）[J]. Catena，2016， 137： 113–119.
[21]潘淑穎， 高瑞傑， 馬洪翠. 關於《NY 481-2002》中有機質含量測定方法的探討[J] . 山東農業科學， 2003 （2）： 45 -47.
[22]倪同坤. 暗管排水技術在沿海灘涂水稻田中的應用[J] .中國農村科技， 2005， 8： 29-30.
摘 要：採用電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系測定土壤中有機質含量，通過研究消解溫度、消煮時間、干擾因素對有機質含量的影響。在測定土壤有機質中得出消解溫度220 ℃，消煮時間8 min為最佳消解條件。結果表明：風冷管重複回流可保證消解體系的酸度保持恆定，減少蒸發的同時，有利於土壤有機物的消解。經國家標準物質驗證，測定值與標準值吻合，測試結果重現性好，相對標準偏差小於0.88%。該方法進一步降低測試成本，且更加環保、可靠、具有環境適應性強、測試效率高等特點，適用於土壤有機質含量的批量快速測定。
關 鍵 詞：土壤;有機質;外加熱法;重鉻酸鉀-硫酸消解;干擾
中圖分類號：S151.9+3 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2019）09-2129-04
Abstract： The content of organic matter in soil was determined by the potassium dichromate - sulfuric acid digestion system with hot plate heating-air cooled tube repeating reflow. The influence factors of determining organic matter content， including digestion temperature， boiling time and interference factor， were studied. The optimal digestion condition for measurement of soil organic matter was obtained as follows： the digestion temperature 220 ℃ and the boiling time 8 min. The results showed that the repeating reflux of air cooled tube kept the constant acidity of the digestion system and reduced the evaporation， which was beneficial to the dissolution of soil organic matter. The national standard material validation showed that the measured value was in agreement with the standard value， and the test results had good reproducibility. The relative standard deviation was less than 0.88%.This method can further reduce the testing cost， and is more environmentally friendly， reliable， and has strong adaptability to the environment and high testing efficiency.
Key words： Soil; organic matter; External heating method; Potassium dichromate-sulfuric acid digestion; interference
土壤有機質是指土壤含碳的有機化合物。它主要包括土壤中各種動物、植物殘體，微生物體及其分解和合成的各種有機化合物，是農作物生長的原料庫，也是全球碳循環中重要的流通途徑[1-5]。一般來說，在其他條件基本相同的情況下，土壤有機質的含量隨降水量的增加而提高，隨年平均溫度的升高而降低[6]。土壤中有機質含量的高低，是判斷土壤肥力的一個重要指標[7，8]。近年來，伴隨著人口的增長和經濟的發展以及城鎮化步伐的加快，為了保證國家糧食安全的需要，可種植土地的開發利用顯得尤為重要。土壤有機質含量也是指導現代農業生產的一個重要依據。本文結合土壤有機質測定重鉻酸鉀氧化法，對加熱消解條件進行了優化，建立了電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系，在測定土壤有機質中得出消解溫220 ℃，消煮時間8 min為最佳消解條件。經標準物質驗證，方法經濟可靠，實用性強，測試結果重現性好，可開展大批量實際樣品的測試。
1 實驗部分
1.1儀器與主要試劑
儀器：BSA124S型電子天平（德國賽多利斯公司）;智能電熱板（天津拓至明實驗儀器技術開發有限公司）;三角瓶（150 mL）;風冷管。
試劑：0.8 mol/L重鉻酸鉀（K2Cr207）溶液;0.2 mol/L硫酸亞鐵（FeS04·7H20）標準溶液;鄰菲囉啉指示劑;高純石英砂;1.84 mol/L濃硫酸（H2SO4）;試驗用水均為去離子水。
標準物質：土壤國家一級標準物GBW07412a（遼寧棕壤），GBW07414a（四川紫色土），GBW07458（黑龍江黑土）。
1.2 試驗步驟
稱取過篩的風乾土（100目）試樣0.050 0～0.500 0 g（精確至0.000 1g）於150 mL三角瓶中，加少許固體硫酸銀，加入5.0 mL 0.8 mo/L 重鉻酸鉀溶液，再加入5 mL濃硫酸，充分搖勻，在三角瓶口插入風冷管。放置到220 ℃恆溫電熱板上，待風冷管內液體上升開始回流時，保溫沸8 min後取下，用蒸餾水水多次洗滌風冷管，使三角瓶內溶液總體積達到60～70 mL，加入2～3滴鄰菲囉啉指示劑，用硫酸亞鐵標準溶液滴定，溶液的顏色由橙黃到藍綠再到棕紅色即為終點。同時進行1～2個空白試驗，即取與試樣等質量的二氧化矽粉代替土樣進行試驗[9-11]。
1.3 結果計算
有機質含量採用下式計算[10，11]：
2 結果與討論
2.1 消解方法的選擇
目前我國土壤中測定有機質普遍採用現行的林業、農業行業標準均為重鉻酸鉀硫酸氧化—油浴加熱法消解[12]。該方法是沿用多年的經典方法，但油浴法在高溫條件下油會氣化易污染空氣[13]，其表面有機物發揮嚴重易造成測試結果偏高。另外，試管外壁上附著的濃硫酸在高溫消解過程中進一步加速了油脂的碳化，造成試管不易清洗。近年來針對上述情況，劉會強用恆溫電加熱板[14]、余跑蘭等人用烘箱加熱[15]、李優琴等人用可控溫消解爐加熱[16]、黃金蓮等人用石墨消解法加熱[17]、黃勤等人用微波消解法[18]對油浴法加熱進行了改進研究。由於受到環境、儀器設備等諸多因素的影響，烘箱消解法由於檢測效率較低 、能耗高不適於批量測試;可控溫消解爐加熱法、石墨消解法及微波消解法操作比較繁瑣、而且對儀器設備要求較高，對大批量土壤樣品有機質含量的準確檢測帶來了諸多不便。在保證檢測質量的同時，大幅度提高前期有機物氧化消解效率顯得尤為重要。常規加熱過程中，伴隨著溫度的上升，在有機物物消煮的過程中，部分消解液會揮發， 消解後期，由於消解液及酸度的不足，導致氧化消解不完全，這也可能是造成有機質含量異常的原因。改用電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系，既能保證消解過程中的酸度恆定，同時減少環境污染、降低測試成本，提高檢測效率。
2.2 消解溫度與時間的選擇
在土壤有機質測定過程中，溫度和時間是影響氧化效果的重要因素。不同條件下有機質測定值產生差異的原因可能是加熱時間過長溫度過高，在氧化有機質的同時，其它成分同時也被氧化，另外還會造成重鉻酸鉀分解;亦或是加熱時間過短或溫度過低，導致試樣有機質氧化不完全，這些因素都是造成測定結果偏離的主要原因。結合恆溫電加熱法資料[14]，設置電熱板溫度為220 ℃時，通過對土壤標物GBW07412a在不同消煮時間有機質含量的測定數據分析，由圖1可見，隨著消煮時間的增加，測定結果逐漸呈上升狀態，但是消煮時間10 min後，測定結果已明顯偏離不確定度範圍，消解8 min時測試結果最接近參考值。
當消解時間設定為8 min時，選用不同含量範圍的3種國家一級標準物質（GBW07412a、GBW07414a、GBW07458），在 170～250 ℃電熱板加熱條件下，每個樣品重複檢測 6次，結果取平均值，得出最佳的消解溫度。由表1來看，隨著消解溫度的增加，有機物氧化越來越完全，測定值不斷增大。當溫度達到220 ℃時，檢測值最接近標準值。但是繼續升溫後，不難看出，測試結果已明顯偏離標準物質給定的不確定度範圍。說明重鉻酸鉀發生了分解，造成結果偏高。
2.3 準確度與精密度
選用不同含量範圍的有機質國家一級標準物質，採用電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系，控制消解溫度在220 ℃，消煮時間在8 min時，進行準確度與精密度試驗。數據表明：每個標準物質重複測定結果均在各自給定的不確定度範圍內，測定平均值與標準值的相對標準偏差分別為0.88%、0.54%、0.68%，相對誤差分別為1.10%、-0.32%、0.62%。上述標準物質測定結果的準確度及精密度均滿足要求。測試結果祥見表2。
2.4 干擾與消除
土壤有機質測定的干擾有很多[19-20]，一般土壤中存在游離Cl-及部分氯化物，用傳統重鉻酸鉀-硫酸進行消煮時，沒有考慮Cl-的干擾[21]。而Cr2O72- 會氧化一部分游離Cl-及氯化物。由於受到Cl-的干擾，致使採用這種方法會產生較大的測定誤差。通過硫酸或硫酸化合物的氧化作用來對土壤中的氯離子及氯化合物進行氧化處理，使土壤中的Cl-與硫酸發生氧化作用，完成對含Cl-土壤的除Cl-處理工作。另外，Cl-在土壤中是典型的非專性吸附，且Cl-帶負電荷，與土壤顆粒所帶的電荷相同，他們之間產生排斥力， 氯離子便於脫離土壤顆粒隨水溶液遷移[22]，而硫酸根在質量濃度低時為專性吸附，在質量濃度高時為非專性吸附。一般情況下，加入少量固體Ag2SO4可消除部分干擾，但是固體Ag2SO4價格很貴，考慮到測試成本，當土壤中有機質含量很低時，可以不加固體Ag2SO4，但對於有機質含量高的樣品，可以考慮加入0.05～0.1 g固體Ag2SO4，用於消除Cl-，但是Cl-含量較高，可考慮用水洗法加以克服。
另外樣品粒徑越也是影響土壤有機質測試的一個因素。粒徑越小，越容易被氧化 ， 從而造成結果偏高 。由於土壤中含有較多還原物質的存在，可消耗過多的重鉻酸鉀，使結果偏高，影響分析準確性，採用自然風乾土壤樣品進行有機質分析，可避免上述問題，進一步可以提高測試精度。
3 結 論
採用恆溫電熱板加熱-風冷管重複回流的重鉻酸鉀-硫酸消解體系測定土壤中有機質含量，用三角瓶直接加熱，設置消解溫度220 ℃，消煮時間8 min。該方法操作簡便、更加經濟環保、不需要轉移可直接滴定;且方法準確、適應性強、極大的提高了檢測效率，可以為大批量檢測提供借鑑。
參考文獻：
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[16]李優琴，呂康.土壤有機質測定方法中消解條件的優化 [J].江蘇農業科學，2013，41（9）：291-292.
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[18]黃勤，餘波.測定土壤中有機質含量中微波加熱法的應用[J].西部資源，2018（3）：167-168.
[19]劉昌嶺，朱志剛，賀行良，張波，夏寧.重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵滴定法快速測定海洋沉積物中有機碳[J] 岩礦測試，2007 26（3）：207 -208.
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[22]倪同坤. 暗管排水技術在沿海灘涂水稻田中的應用[J] .中國農村科技， 2005， 8： 29-30.
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