Optimization Reform of Soil Available Nitrogen Determination Method

HOU Jian-wei; XING Cun-fang; YANG Li-lin

doi:10.13718/j.cnki.xsxb.2021.07.006

Alkaline diffusion method is important for the determination of easily hydrolyzed nitrogen (potentially available nitrogen) in the soil. Specialties such as soil, agricultural chemistry, resources and environment are all used in the teaching of Soil Agrochemical Analysis. The easy contamination of H₃BO₃-indicator solution and the loss of NH₃ volatilization during the measurement process had been the main problems that plague students and cause measurement errors. Based on years of experimental experience, the author summarized the main reasons for this problem, and optimized the shortcomings of traditional experimental methods through the transformation and replacement of experimental vessels, thereby reducing the measurement error and improving the success rate of the experiment.

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土壤碱解氮亦称土壤有效氮^[1-3]，是铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮的总和^[4-5]，包括无机的矿物态氮和部分有机质中易分解的、比较简单的有机态氮，其含量关系着作物产量与生长情况^[6-7]. 与土壤全氮相比，碱解氮更能反映当季或近期土壤供氮能力^[8-11]，是衡量土壤肥力的重要指标之一^[12-14]，对平衡施肥^[15-16]和有效控制农田面源污染等具有重要意义^[3]. 目前，根据《全国第二次土壤普查暂行技术规程》规定，土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法，但由于碱解扩散法操作过程中极易发生扩散皿内室污染和外室边缘漏气等现象，测定结果重现性差^[17-18]，所以很多学生和老师都在实验中遇到困难，如果没有多次操作和长期磨练很难达到理想效果. 以往研究中，一些学者多将碱解扩散法改为定氮仪碱解蒸馏法^[17-18]或凯氏定氮法^[19]，从而规避碱解扩散法的不足，而很少有学者开展碱解扩散法的优化改革研究. 本研究从实际问题出发，在原有实验方法的基础上进行实验器皿(扩散皿)改造和替换，进而优化碱解扩散法，以期让操作过程更加简单易行，同时减小实验操作误差，提高实验成功率.

2. 碱解扩散法测定土壤碱解氮的重要环节及现存问题

2.1. 重要环节

碱解扩散法测定土壤碱解氮的重要环节：一是除了严格清洗扩散皿内室和避免渐入杂质外，还要尽量缩短H₃BO₃—指示剂溶液在空气中的暴露时间，避免污染；二是土壤样品中加入NaOH溶液时动作要快、要稳，尽量减少NH₃挥发损失或缩短挥发时间.

2.2. 现存问题

H₃BO₃—指示剂溶液易污染.实验室实验药品种类繁多、成分复杂，加之同一实验室往往安排多项不同实验项目，极易导致室内空气成分复杂，而实验用到的H₃BO₃—指示剂溶液的pH值为4.8，容易受到空气环境影响.另外，由于学生操作手法不娴熟，实验过程中H₃BO₃—指示剂溶液放入扩散皿内室后的搁置暴露时间较长，这就增加了H₃BO₃—指示剂溶液在实验室环境中的污染几率.H₃BO₃—指示剂溶液一旦污染变为蓝色即为实验失败，会导致实验测定值偏大.

NH₃挥发易损失.扩散皿外室加入1.0 mol/L NaOH溶液时，要求学生迅速加入并立即盖严毛玻璃.这是因为土壤中部分易水解态氮(潜在有效氮)一旦遇到NaOH溶液便会立即碱解转化为NH₃，若不立即盖严毛玻璃将会导致NH₃挥发损失，最终引起土壤碱解氮的测定值小于实际值.众所周知，实验课时学生还处在学习阶段，不可能刚一接触就做到熟练操作，这势必会拖延NaOH溶液加入扩散皿外室的时间和盖严毛玻璃的时间，从而增加了NH₃的挥发时间或挥发机会.另外，吸有NaOH溶液的移液管(枪)要伸入毛玻璃的缺口(图 1)，将NaOH溶液加入到扩散皿外室，操作时手部稍有抖动NaOH液滴很容易触碰并留存至毛玻璃的缺口处或扩散皿外室边缘，碱性胶液的部分溶解会导致毛玻璃与皿边黏合不严，引起实验误差.

4. 优化前后对比分析

利用优化前后的碱解扩散法分别对3个国标土样进行土壤碱解氮的重复性测定(n=5)，并计算相对标准偏差. 结果表明，与优化前相比，优化后土壤碱解氮结果准确可靠，测定结果平均值均与国标土样含量相吻合，且重现性好，相对标准偏差RSD为1.92~2.45，小于优化前的2.07~3.27.

5. 改革特色与创新

以碱解扩散法的现存问题为着手点，探索原因并提出合理假设，通过实验器皿改造(常规扩散皿改造为乳胶塞注射式扩散皿)和替换(移液管(枪)替换为注射器)从而优化了传统的实验方法，大大减少了H₃BO₃—指示剂溶液污染和NH₃挥发损失的概率.

使用笔者“乳胶塞注射式扩散皿”的现有专利优化了传统的实验方法，不但列出了实验步骤而且将优化前后的实验方法进行了对比分析和实验验证，使得优化后的实验方法具有了更高的可操作性、实用性和推广性.

6. 结语

碱解扩散法中有两个主要现存问题影响实验结果与实验成功率：一是H₃BO₃—指示剂溶液易污染；二是NH₃易挥发损失，这两个现存问题在测定方法优化后得以规避.

优化后的实验方法改变了原有毛玻璃的构造和酸碱加入方式，其测定结果准确可靠，较传统碱解扩散法的相对标准偏差更小.

Figure (2) Table (2) Reference (20)

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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