土壤全氮的測定

土壤全氮的測定第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述（一）土壤全氮存在的形態(tài)

有機態(tài)N：占90%以上，大多數(shù)是腐殖物質(zhì)態(tài)氮,

如蛋白質(zhì)、氨基酸、氨基糖、腐殖質(zhì)等。

無機態(tài)N：占1-5%，主要有NH4-N、NO3-N、NO2-N（少量）（不包括固定態(tài)氮），一般小于100mg.kg-1。第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）土壤全氮含量：1我國大部分耕地土壤全N含量不高，且變幅很大，其范圍大約在0.03-0.5%。其中：東北黑土0.15-0.5%華北地區(qū)0.05-0.08%黃土高原和黃淮海平原0.03-0.1%有機質(zhì)含量很低的砂土0.03%一般自然土壤明顯高于耕作土壤。第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2

華北地區(qū)土壤全N的分級指標大致是：土壤全N水平低中高土壤全N%0.050.05-0.080.08第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測定方法評述（一）干燒法：（杜馬法、杜氏法）1931年，瑞典人杜馬（Dumas）創(chuàng)立的干燒法基本原理：樣品在CO2氣流中燃燒（600C），以Cu+CuO作催化劑，使所有的N都轉(zhuǎn)變成N2，氣流通過堿液（濃KOH、NaOH）除去CO2后，測定N2的體積，計算樣品全N含量。

Cu+CuONaOH除去CO2土+CO2N2N2，600C

經(jīng)典的杜馬法結(jié)果準確，回收率高，但儀器裝置及操作復(fù)雜、費時，在土壤N素分析中很少采用。第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月近幾年由于儀器發(fā)展很快，此法又興起，例如：1

用注射管測量微量的N2體積（微升計），如氮自動分析儀，土壤稱樣量最多為0.2克，燃燒溫度為950－1050℃，測N2體積，可測準樣品中0.05%N(對土壤全N測定似乎還不夠靈敏)。2

用熱導(dǎo)池測量N2和CO2的導(dǎo)熱系數(shù)（載氣用He氣），如日本C/N自動分析儀，一般多用于植物，農(nóng)藥的分析，不適于含N低的土壤樣品(用于土壤分析僅有報導(dǎo))。第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）濕燒法：（開氏法）1883年，丹麥人開道爾（J.Kjeldahl）創(chuàng)立。

由于儀器設(shè)備簡單易得，操作也簡便，準確度較高，因此為一般實驗室所采用。第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月三、開氏法測定土壤全N（半微量法）*（一）原理：含N有機物在催化劑作用下，與濃H2SO4高溫共煮，使有機N轉(zhuǎn)化成NH4-N（(NH4)2SO4），然后在堿性溶液中蒸餾出NH3，用H3BO3吸收，再用標準酸溶液直接滴定H3BO3吸收的NH3，根據(jù)酸的用量來計算N含量。第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月測定步驟：

催化劑+濃H2SO4

OH-H3BO3

有機NNH4+NH3NH4++H2BO3-(+無機N)

H+H3BO3|

樣品的消煮

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消煮液中NH4+的定量(蒸餾)

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第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）測定條件：1樣品的消煮：（1）開氏反應(yīng)及其特點

開氏反應(yīng)：樣品用濃H2SO4高溫消煮時，各種含N有機化合物經(jīng)過復(fù)雜的高溫分解而轉(zhuǎn)化為NH4-N的反應(yīng)。

開氏法：凡是用開氏反應(yīng)消煮的定N方法都叫開氏法，不論采用何種加速劑、儀器及如何定量。第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在開氏反應(yīng)中，有機C被濃H2SO4氧化成CO2而逸失，即：

C+2H2SO4（濃）=CO2+SO2+2H2O對N而言：有機N

+H2SO4（濃）NH4+第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月開氏反應(yīng)的特點：①

濃H2SO4是中強氧化劑，單靠它不能很快完成各類含N有機物的開氏反應(yīng)，因此需要加入加速劑，以縮短消煮時間。②開氏反應(yīng)的氧化還原電位范圍較窄，既須把有機C氧化成CO2，又須防止把NH4+氧化成NO3-，因此使用氧化劑要特別注意。③高溫消煮能促進有機質(zhì)分解，但溫度過高則會引起NH4+鹽熱分解，所以溫度不能超過410C。④

有些有機N因抗性大則轉(zhuǎn)化很慢，即使有加速劑，在消煮清亮后也必須再“后煮”一段時間。第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）消煮時的反應(yīng)條件：

①加速劑包括三種：I、增溫劑：K2SO4或無水Na2SO4

作用：提高消煮溶液的沸點，加速高溫分解過程。消煮溫度要求控制在360-410C，一般用加鹽量的多少來控制消煮液溫度的高低，按每毫升濃H2SO4中含0.3-0.8g鹽。第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

II、催化劑：

Hg、HgO、CuSO4、Se等，其中以Hg、Se催化效率較高，而Cu次之，但使用安全，不易引起N素損失?，F(xiàn)多采用Cu-Se混合使用。第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月Hg的催化效率雖高，但有毒，而且Hg在測定過程中與NH4+生成配合物，在以后加堿蒸餾時也不能釋放出來，使測值偏低。HgO+(NH4)2SO4=HgSO4+H2O因此，必須在蒸餾前再加還原劑（如Na2S2O3或Na2S）處理，使Hg出來。HgSO4+Na2S2O3+H2O=HgS+Na2SO4+(NH4)2SO4這就造成操作上的復(fù)雜化，所以現(xiàn)在一般不用Hg作催化劑。NH3NH3NH3NH3第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月Se的催化效率也高，也有毒，但如掌握不好，用量過多，溫度過高或時間過長，均易導(dǎo)致N素損失。4NH4++3SeO32-+2H+=2N2+3Se+9H2O如果用量不多或與Cu按比例混合使用，也可達到較好效果。Se能使有機C很快氧化成CO2，但不能加速有機NNH4-N，雖然能使消煮液很快變清亮，但有機N并未轉(zhuǎn)化完全，所以后煮時間較長。催化過程：Se+2H2SO4

H2SeO3+2SO2+H2OH2SeO3

SeO2+H2OSeO2+CSe+CO2第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月CuSO4催化效率不如前兩者，但毒性小，使用完全，不易引起N素損失。催化過程為：4CuSO4+3C+2H2SO42Cu2SO4+4SO2+3CO2+2H2OCu2SO4+2H2SO42CuSO4+SO2+2H2O即：當(dāng)土壤有機質(zhì)分解完畢，C被完全氧化后，消煮液呈現(xiàn)清澈的蘭綠色，冷卻后為無色（CuSO4·5H2O脫水），因此CuSO4不僅起催化作用，也起指示作用。第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在普遍采用Cu-Se與鹽按比例配成的加速劑，它既起到縮短消煮時間，又能防止N素損失的作用。加速劑的比例為：組成K2SO4(或無水Na2SO4)：CuSO4·5H2O：Se粉重量比100：10：1按比例混合，研細后使用。第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月III、氧化劑：有HClO4、KMnO4、K2Cr2O7、H2O2等，其中以HClO4較好，但氧還電位太高，作用很激烈，加入量稍多，極易使N素損失，使結(jié)果偏低。K2Cr2O7、KMnO4在消煮時易暴濺，控制不好也易引起N素損失。H2O2較安全，但也要控制量(作植株分析用)?？傊?，使用上述氧化劑都必須特別小心。第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在H2SO4-HClO4消煮中，如果對測定的要求不太高時，可在同一試液中測N、P，但要求精度高時不宜作N、P聯(lián)合測定。因為二者矛盾在于：為了完全回收P，HClO4用量應(yīng)多些；而為了完全回收N，則要求HClO4用量少些，所以聯(lián)合測定時只好折中處理，使回收率達到95%即可。第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在N、P、K聯(lián)測中，土壤K只是近似于全K，因許多粘土礦物硅酸鹽晶格上的K在開氏消煮中不會被釋放出來，而P容易釋放，而植物中K本來成離子態(tài)，所以，植物中的K可以完全被轉(zhuǎn)到溶液中。第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月②

H2SO4用量：加入濃H2SO4的量要考慮土壤有機質(zhì)類型、含量以及加鹽量的多少等因素。

一般是0.5-1.5g（含N約1mg時）加5ml濃H2SO4。加酸的同時要做空白測定，以消除試劑誤差。

第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月③加熱溫度與時間：

加熱溫度在360-410C，才能使土壤有機N化合物分解完全，也不引起N的損失。

對溫度的控制：自動控溫器或消煮管中H2SO4蒸汽冷凝回流的高度（在瓶頸上部1/3處冷凝回流為宜）。用小火加熱，待瓶內(nèi)反應(yīng)緩和時（10～15min），加強火力使消煮的土液保持微沸。第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月加熱時間：控制適當(dāng)?shù)募訜釙r間可以保證土樣中的有機N全部轉(zhuǎn)化為NH4-N，又不致因時間過長而引起N素損失。據(jù)全N標準化研究指出：(對半微量開氏法的要求)當(dāng)消煮液和土粒全部變?yōu)榛野撞⒙詭ЬG色后，再消煮一小時，這1hr叫后煮，其作用是促使土壤中復(fù)雜的有機N化合物分解完全，全部轉(zhuǎn)化為NH4-N。后煮時間的長短取決于土壤有機質(zhì)的含量、加速劑的種類和用量。根據(jù)研究結(jié)果看，在360-410C消煮80-90min，即可得到穩(wěn)定的測值。第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）消煮方式（通風(fēng)櫥）鋁塊消煮器、遠紅外消煮器、封管消煮器……（4）注意：①在開氏反應(yīng)中，有少量含雜環(huán)N、N-N鍵、N-O鍵等有機化合物（如偶N硝基、肼、腙…）不能完全分解，但它們在土壤中含量很少，所以開氏N中不包括在內(nèi)。第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月②開氏反應(yīng)也不包括全部NO3-N、NO2-N。因為NO3-N在消煮過程中不會完全還原為NH4+，而且易揮發(fā)，一般土壤中含量不超過全N量的1%，所以可以忽略不計。如果某些土壤NO3-N含量較多或?qū)θ玁量要求準確度較高時，則需采用改進法，第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月采用KMnO4-Fe-開氏法消煮，其方法為：土樣（含1毫克左右N）放在微量開氏瓶中，加1ml5%KMnO4轉(zhuǎn)動30秒斜放45角，沿瓶頸用移液管慢慢加入2ml，并轉(zhuǎn)動，放置5分鐘，加1滴辛醇，然后加0.50±0.01克還原Fe(鐵粉)，直加底部，轉(zhuǎn)勻，放置15分鐘，無大量氣泡為止，微熱約45分鐘，冷卻后加1.1克K2SO4－催化劑，3毫升濃H2SO4消煮至無泡末時，強熱至淺綠色，沸煮5小時，冷后加水15毫升，轉(zhuǎn)入蒸餾器中蒸餾定N，同時做空白測定。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月③晶格固定態(tài)NH4+，即NH4+被固定在礦物晶格中，一般不能被水、鹽溶液所提取，因此也不包括在開氏N中。若要包括在內(nèi)，則需用HF-H2SO4處理。含1毫克左右N的土樣，放入25毫升塑料中，加5ml5molL-1HF和1molL-1HCl塞緊，振蕩24小時，轉(zhuǎn)入盛有12ml4.5molL-1H2SO4的微量開氏瓶中，搖勻，微微加熱，除去水分后，冷卻加1.1克K2SO4－催化劑，消煮后，蒸餾定N。第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2消煮液中NH4+的測定：

（1）原理：一般用加堿蒸餾的方法從消煮液中分離出NH4+，用滴定法（或電位滴定法）測NH4+，也有用擴散法、比色法、氨電極法。

第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月蒸餾裝置圖第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月蒸餾法*：消煮液加堿（NaOH）堿化，使NH4+NH3，逸出的NH3可用：（1）標準酸吸收，再用標準堿滴定多余的酸，根據(jù)凈用酸量計算NH4+的量。（現(xiàn)在用的很少）

（2）現(xiàn)在普遍采用的是用H3BO3溶液吸收NH3，然后用標準酸滴定吸收的NH3。

NH4++OH-=NH3+H2ONH3+H3BO3=NH4++H2BO3-H++H2BO3-=H3BO3第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月H3BO3中加入混合指示劑溴甲酚綠-甲基紅，指示劑的變色范圍pH4.2-4.9，酸性時紅色，堿性時蘭綠色。用H3BO3吸收前，把此混合液調(diào)到pH4.5，為紫紅色（此時正好是滴定終點）。紫紅色的H3BO3液收集蒸餾出的NH3后，pH升到8.6，為蘭綠色，再用標準酸滴定溶液至紫紅色（pH4.5），此時消耗的酸量即為NH3的量。第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）測定NH4+的條件：

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（加指示劑調(diào)節(jié)pH后的）吸收NH3后pH由4.5上升到8.6，溶液已呈堿性，不能再吸收NH3了。第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1%H3BO3約等于0.16mol/L1ml1%H3BO3吸收的NH3量為0.46mgN1ml2%H3BO3吸收的NH3量為0.92mgN

在半微量開氏法蒸餾中，一般是1mgN，用5ml2%H3BO3吸收NH3足夠了。第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月與用酸吸收比較，用H3BO3吸收NH3有以下幾個優(yōu)點：A、僅用一種標準酸溶液即可測出NH3含量，準確度高；B、H3BO3用量不必準確，只要足夠即可，而標準酸的用量要求準確；C、蒸餾時不怕倒吸，如倒吸可再加H3BO3，然后繼續(xù)蒸餾；D、H3BO3液中加入指示劑，可檢查接受瓶是否干凈、蒸餾瓶中的堿是否足夠。第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

②NaOH的用量：以保證NH4+全部蒸出為原則，主要是根據(jù)加入濃H2SO4的量來計算的。濃H2SO4加入5ml，40%NaOH用量：

36mol/L(1/2H2SO4)5ml=10mol/L(NaOH)VV=18ml實驗中一般加20ml10mol/LNaOH。第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月如何判斷加堿量是否合適，可以根據(jù)加堿后的幾種現(xiàn)象來判斷：

液變混濁，有藍色絮狀沉淀(Cu(OH)2生成)；溶液變?yōu)樽睾稚鞚?，Cu(OH)2CuO；接收瓶中H3BO3液由紫紅色藍色。

以上說明加堿適量。*加堿后，蒸餾開始，蒸餾瓶內(nèi)溶液為藍色，不變混濁，也不變棕褐色（因為生成[Cu(OH)4]2-不沉淀出來），此時要看接收瓶內(nèi)溶液的變化，若變藍，說明堿夠，若不變藍，則可能是加堿不足或其它原因。加堿后第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月③空白測定：一般不大于0.40ml。

*注意：蒸餾時餾出液的溫度勿超過40C，以防NH3揮發(fā)，注意打開冷凝水。④蒸出液以50ml為宜。第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月擴散法消煮液放在外室，H3BO3放內(nèi)室，適用于含N少（約0.05-0.2mgN）的土壤，室溫20C，擴散24小時。一般用標準(NH4)2SO4作回收試驗。此法受室溫、液層厚度、內(nèi)室大小等因素的影響。第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）利用開氏法原理設(shè)計的定氮儀

Kjeldahl.J(丹麥，1883)創(chuàng)立，所需儀器設(shè)備，測定手續(xù)較簡易、準確度較高，所以久用不衰。