04章土壤氮和硫的分析

4―1第四章土壤氮和硫的测定主要内容：◎土壤全氮量的测定◎土壤无机氮的测定◎土壤碱解氮的测定◎土壤矿化氮的测定◎土壤中硫的测定要求：掌握用开氏法测定土壤全氮的原理、操作步骤及注意事项。掌握碱解氮的测定方法。掌握溶液中铵态氮、硝态氮的测定方法。了解土壤有效氮的测定方法。了解土壤中硫的测定方法。§4-1分析意义氮素是植物生长的重要营养元素之一，土壤氮素在肥力中起着相当重要的作用。研究表明，即使在使用大量氮肥的情况下，作物中积累的氮素仍有50%左右来自土壤，在某些土壤上这个数字更高。土壤中氮素总量及各种存在形态与作物生长有着密切的关系。分析土壤全氮及其各种形态氮的含量，可阐明土壤氮素供应能力，评价土壤肥力，为合理施用氮肥提供依据。一、土壤氮的含量、形态1.含量我国耕地的氮素含量不高，全氮量（N）为千分数量级，0.x%，一般为0.1%~0.2%(1.0~2.0g∙kg-1)。影响土壤含氮量的因素很多，主要受气候、植被、土壤质地、耕作制度等因素的影响，特别是水热条件对土壤含氮量有显著的影响。土壤全氮量与土壤有机质含量之间有一定的相关性，一般占土壤有机质含量的5%左右。4―22.形态↗有机态氮＞95%（氨基酸、酰胺、蛋白质、含氮杂环化合物）土壤氮↘无机态氮1~5%（硝态氮、铵态氮）（1）有机态氮：是土壤氮素的主要存在形式。组成复杂，主要是半分解的有机质、微生物躯体和腐殖质，其中最主要的是腐殖质。有机形态的氮必须经过矿化作用转变成无机态的氮，才能被植物吸收利用。有机氮矿化率随季节交替、土壤质地等因素变化，一般来说，年矿化率为1%~3%，也就是说，一年中大约有1%~3%的有机氮被矿化出来供植物吸收。土壤中氮的供给与易矿化的有机氮有很大关系。一般来说，半分解的有机质和微生物躯体，由于与土壤无机胶体结合较松，因而比较容易矿化；腐殖质由于与土壤粘粒矿物结合较紧，因而不容易矿化。目前，对有机氮的了解还很不够，大约有一半以上的有机氮以何种形态存在还不清楚。（2）无机态氮：主要是硝态氮和铵态氮，有时有少量的亚硝态氮存在。农田土壤中硝态氮和铵态氮的含量变化很大，为几~几十ppm（mg∙kg-1）。旱田中无机氮以硝态氮为主，水田中无机氮以铵态氮为主。在土壤氮中还有一部分氮，主要是铵离子，被固定在矿物晶格内，称为固定态氮。这部分氮很难被释放出来，因而很难被植物吸收利用。二、土壤氮的主要分析项目和测定方法土壤氮的主要分析项目有：土壤全氮量和土壤有效氮量。土壤全氮量通常用于衡量土壤氮素的基础肥力；而土壤有效氮量与作物的生长有一定的相关性，因而对营养诊断和推荐施肥具有指导意义。1.土壤全氮量土壤全氮量变化较小。测定方法主要有：（1）干烧法（杜氏法）由杜马斯（Dumas）于1831年首先提出。基本过程：—CO2→土样+CuO—(N2+CO2)→KOH—N2→氮素计把样品放在燃烧管中，以600℃以上的高温与氧化铜（CuO）一起燃烧，燃烧时同以净化的CO2气，燃烧过程中产生的氧化亚氮气体（N2O）通过灼热的铜（Cu）还原为氮气（N2），产生的一氧化碳（CO）则通过CuO转化为CO2，N2和CO2的混合气体通过浓的KOH溶液，以除去CO2，然后在氮素计中测定N2的体积。4―3反应过程中的化学方程式：土+O2—660℃→N2O+COCuO+CO—→Cu+CO2N2O+Cu—→CuO+N2CO2+2KOH—→K2CO3+H2O一般认为，与湿烧法相比，干烧法测定的氮更完全。但是，干烧法不仅操作复杂，费时，而且需要专门的仪器，所以一般实验室较少使用。（2）湿烧法（开氏法）由丹麦人开道尔（J.Kjeldahl）于1883年首先采用。最初是用于测定蛋白质的变化，后来被用来测定各种形态的有机氮。由于设备比较简单易得，结果可靠，所以为一般实验室所采用。基本过程：土样→浓硫酸消煮（在加速剂的参与下）→碱化→蒸馏→标准酸滴定用浓硫酸消煮样品，借助于催化剂和增温剂等加速有机质的分解，使有机氮转化为NH4+-N，然后再测定消化液中的NH4+-N。2.土壤有效氮量↗无机矿物态氮（NH4+-N、NO3--N）↘有效性氮水解（性）氮↘部分有机氮（氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质）↗土壤有效氮，包括无机的矿物态氮和部分有机质中易分解的、比较简单的有机氮，是NH4+-N、NO3--N、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质的总和，通常也称为水解（性）氮。土壤速效氮，主要指土壤有效氮中的无机矿物态氮，也就是，NH4+-N和NO3--N。土壤的有效氮变化较大，测定方法较多，但迄今尚无一个可以通用的方法。测定方法一般分为两类：生物方法和化学方法。（1）生物方法可分为两类：①生物培养法：又可分为好气培养和厌气培养两种方法。好气培养法：取一定量的土壤，在适宜的温度、水分、通气条件下培养，测定培养过程中释放出的无机态氮。即，在培养之前和培养之后测定土壤中铵态氮和硝态氮总量，两者之和即为矿化氮。厌气培养法：在淹水条件下进行培养，测定土壤中由铵化作用释放出的NH4+-N，即嫌气微生物在一定温度矿化土壤有机氮成为NH4+-N。4―4方法评价：与好气培养法相比，厌气培养过程的条件控制易掌握，不需要考虑通气条件和严格的水分控制，方法比较简单，结果的再现性也比较好，且与作物吸氮量和作物产量有很好的相关性，因而更适合于例行分析。②同位素测定法：用15N标记肥料，在作物吸收后，测定植物体中来自于肥料的氮素及总氮，以二者差值来估计土壤有效性氮量。（2）化学方法：土壤中氮的释放主要受微生物活动的控制，化学浸提剂不能像微生物那样有选择性地释放土壤中某部分的有效氮，因此，化学方法只能用来模拟估计土壤有效氮的供应。水解氮常被看作是土壤易矿化氮，测定方法有两种：↗酸水解—丘林法水解氮↗碱解扩散法↘碱水解↘碱解蒸馏法①酸水解法—丘林法如用0.5mol∙L-1H2SO4水解提取，得到的溶液用K2Cr2O7氧化，再进行蒸馏。对土壤有机质含量高的土壤，测定结果与作物有良好的相关性，但对于有机质缺乏的土壤，测定结果并不十分理想，对石灰性土壤更不合适，而且操作手续繁、费时，不适合例行分析。②碱水解法：碱解扩散法：用扩散皿，以1mol∙L-1或2mol∙L-1NaOH进行碱解扩散。特点：碱解、扩散、吸收同时进行，操作简便，分析速度快，结果的再现性好。碱解蒸馏法：加还原剂和1mol∙L-1NaOH进行还原和碱解，最后将NH3蒸馏出来。还原剂的选用：FeSO4-Zn粉等。结果的再现性也较好。方法评价：生物培养法测定的是土壤中氮的潜在供应能力，由于是在模拟大田情况下进行的，所释出有效氮比较符合田间实际，因而测出的结果与作物有较高的相关性，但是，方法较繁，且费时。化学方法是用化学的方法来模拟生物的反应，快速简便，但由于对易矿化氮的了解不够，浸提剂的选择往往缺乏理论依据，测定的结果与作物生长的相关性不及生物培养法。3.溶液中NH4+-N和NO3--N的测定方法无论是测定测定哪种形态的氮，经过样品的分解或浸提，最终都需要对溶液中的氮4―5进行测定。下面介绍溶液中NH4+-N和NO3--N的测定方法。（1）溶液中NH4+-N的测定方法：①蒸馏滴定法—→加碱—→NH3—→H3BO3吸收—→标准酸滴定溶液加碱蒸馏，使氨释放出来，用过量的硼酸溶液吸收，然后用标准酸滴定。测定全氮消煮液中的NH4+-N，用NaOH；测定速效氮中NH4+-N，用MgO（MgO是弱碱，可以防止浸出液中酰胺有机氮的水解）。②碱解扩散法用扩散皿（Conway皿）进行，扩散皿分内外两室，外室放消化液，内室放硼酸—混合指示剂溶液，加碱于外室后立即密封扩散皿，使NH3扩散到内室，被硼酸溶液吸收，最后用标准酸滴定内室。③比色法靛酚蓝比色法：当有氧化剂(如,次氯酸纳)存在时，苯酚与NH3在碱性条件下(pH=11.4~12.0)反应生成蓝色化合物，颜色深浅与NH4+-N含量呈正比，可在667nm处比色测定。萘氏比色法：待测液中的NH4+-N在pH11的碱性条件下与萘氏试剂作用，生成桔黄色的络合物，桔黄色深浅与NH4+-N含量成正比（410nm处比色）。其反应如下：KOH2KI+HgI2——→K2HgI4（萘氏试剂）2K2HgI4+3KOH+NH3——→Hg2O(NH4I)+7KI+2H2O桔黄色④氨气敏电极法原理：氨气敏电极是由对氨有选择性响应的电极和参比电极组成的复杂电极，氨气敏电极的电位随待测液中NH3浓度而变化，根据测出的电位可以计算出待测液中NH4+的活度（浓度）。微量扩散皿平面图微量扩散皿横断面图外室内室外室内室4―6⑤自动（半自动）定氮仪、离子色谱、流动注射等仪器分析方法（2）溶液中NO3--N的测定方法①还原蒸馏法在蒸馏时加入适当的还原剂，如戴氏合金（Devarda’salloy），将溶液土壤中的NO3--N还原成NH4+-N，再进行测定。②比色法（酚二磺酸比色法）溶液中的NO3--N在蒸干无水的条件下与酚二磺酸作用，生成硝基酚二磺酸，碱化后产生稳定的黄色溶液。黄色的深浅与NO3--N含量在一定范围内成正相关，可在400~425nm处比色测定。③紫外分光光度法NO3-在紫外线（220nm）有吸收峰，浸提液可不经任何处理在紫外分光光度计上于波长220nm和275nm直接测定A220和A275。用校正吸光度A=A220-A275，根据标准曲线查得NO3-的浓度。④电极法利用硝酸根离子选择性电极测定⑤流动注射分析、离子色谱等仪器分析法+HNO3SO3HSO3HOHSO3HSO3HOHNO2无水碱性+H2O无色黄色4―7§4-2土壤全氮量的测定——开氏法开氏法广泛应用于全氮的测定。主要包括两个步骤：（1）样品的消煮为了缩短消化时间，通常要采用加速剂。根据加速剂的成分和作用的不同，可分为三类：增温剂、催化剂和氧化剂。①增温剂开氏法中常用的增温剂主要有：硫酸钾（K2SO4）、硫酸钠（Na2SO4）在消煮过程中温度起着重要的作用。消煮时温度要求控制在360~410℃。低于360℃，杂环氮化合物不易分解，消化不完全，使结果偏低；高于410℃，容易引起氨的损失，也使结果偏低。盐的浓度也会影响消煮过程。消煮过程中K2SO4的浓度应该控制在0.35~0.45g/ml浓硫酸。如果加入的K2SO4的量较少（低于0.3g/ml浓硫酸），需要较长时间才能消煮完全；如果加入的K2SO4的量较多（高于0.8g/ml浓硫酸），消煮时间大大缩短了，但是消化完毕冷却后内容物结成硬块，给后续的操作（也就是消化液中NH4+-N的测定）带来困难。在消煮过程中如果硫酸消耗过多，将会影响盐的浓度，可在开氏瓶口插入一小漏斗，以减少硫酸的损失。②催化剂开氏法中常用的催化剂主要有：CuSO4、FeSO4、Se、Hg、HgO、TiO2等。其中，使用最普遍的是：CuSO4和Se混合使用。一般，混合加速剂的组成和比例为K2SO4:CuSO4:Se=100:10:1。汞（Hg）、氧化汞（HgO）的催化作用很强，HgO能与铵生成汞-铵复合物，给操作上带来一些麻烦。而且，汞有毒，所以较少使用。硒（Se）的催化作用很强，但由于硒有毒性，所以现在不主张使用，而改用氧化钛（TiO2）。③氧化剂消煮过程中常用的氧化剂，主要有：浓硫酸（H2SO4）、高氯酸（HClO4）、双氧水（H2O2）、高锰酸钾（KMnO4）、重铬酸钾（K2Cr2O7），等。由于氧化剂的作用过于激烈，容易造成氮的损失，使测定结果不稳定。所以，开氏4―8法中一般不使用氧化剂。但是，因为HClO4-H2SO4消煮液可以用来同时测定氮、磷等多种元素的全量，所以在自动化分析装置中有用HClO4-H2SO4来消煮。（2）消煮液中NH4+-N的测定方法：消煮液中的氮以NH4+-N的形式存在，可以用多种方法测定。开氏法一般采用蒸馏法。由于分析要求和目的的需要，开氏法得到不断的改进。例如：（1）当难提取性固定态铵的含量高时，开氏法的测定值偏低。在这种情况下，需要用HF-HCl法破坏粘土矿物，从而较准确地测定出包括固定态铵在内的全氮。（2）一般的开氏法所测定的土壤全氮不包括NO3--N和NO2--N，由于它们的含量