土壤探究性报告

盐城师范学院探究性实验报告PAGE1土壤中总氮总磷的测定王玉琪一、实验研究的目的1．用过硫酸钾氧化紫外分光光度计发测定土壤中总氮的含量，用钼酸铵分光光度计法对土壤中的总磷进行测定。2．对现有的土壤中总磷总氮的含量测定方法进行对比论述，主要有甲醛法测定土壤中总氮、行业标准法测定土壤中总磷以及土壤中总氮总磷的联合测定三种方法。3．对盐城市区、建湖以及阜宁这三个地区土壤中总氮总磷的含量情况进行相应的分析。4．通过对实验以能够熟练操作仪器。二、实验研究的背景氮和磷是植物生长发育所必需的营养元素，其丰缺程度直接影响植物长势和收获产量及品质。土壤是植物生长的基质，为植物生长提供各种营养物质和水分。长期以来，农民为了提高作物产量，盲目、大量的施用各种有机、无机肥料，不仅加剧了环境污染，也带来巨大的经济损失[1]。土壤总磷量即磷的总贮量，包括有机磷和无机磷两大类。土壤中的磷素大部分是以迟效性状态存在，因此总磷含量并不能作为土壤磷的主要指标，总磷含量高是并不意味着磷素供应充足，而总磷含量底于某一水平时，却意味着磷素供应不足。因此了解土壤总磷贮量，对生产实践有一定的参考价值。土壤含氮量受植被、温度、耕作、施肥等影响，一般耕地表层含磷量为0.00%～0.30%。根据文献水中总氮、总磷的测定常用方法为过硫酸钾氧化后紫外分光光度计测量。过硫酸钾具有较强的氧化性，使溶液中各种形态的氮转化为硝酸盐类氮，在紫外光区220nm及275nm处测定试液的吸光度，进而求算出总氮含量。环境样品(如水、土壤)中磷的测定方法则一般采用钼酸铵分光光度法，在酸性条件下，使正磷酸盐生成磷钼蓝，在700nm处测定吸光度进而测定磷含量。与总氮的测定类似，必须将样品中含磷化合物转化为正磷酸盐，同样可以通过加氧化剂来实现[2]。土壤总氮是指土壤中所有化学形态氮的总和，以氮元素占土壤干重的百分率来表示，一般在0.02%～0.3%之间。全氮量是土壤氮素养分的贮备指标，在一定程度上反映土壤氮的供应能力。作物所吸收的氮素50%～70%来自土壤[3]。土壤中的氮素主要来自施肥、生物固氮、雨水和灌溉水，后二者对土壤氮贡献很小，施肥是耕作土壤氮素的主要来源，而自然土壤的氮素主要来自生物固氮。土壤含氮量受植被、温度、耕作、施肥等影响，一般耕地表层含氮量为0.05%～0.30%，少数肥沃的耕地、草原、林地的表层土壤含氮量在0.50%～0.60%以上。土壤是植物生长的基地，是动物、人类赖以生存的物质基础，因此，土壤质量的优劣直接影响人类的生产、生活和发展[4]。土壤中总氮量的测定方法有过硫酸钾氧化紫外法应[5]、应用比色法[6]、开氏消煮法[7]、流动分析仪法[8]、重铬酸钾-硫酸消法[9]以及甲醛法[10]等，但操作麻烦，需要一定的仪器或装置。而本文所采用的是甲醛法，甲醛法只需对土壤消化，用甲醛强化后即可用强碱进行滴定，原理严谨，操作简便。本文用联合测定法测定土壤中总氮总磷含量，甲醛法测定土壤中总氮含量以及行业标准法测定土壤中总磷含量。本实验采集了盐城市区周边的土壤样品，以及建湖、阜宁周边的土壤样品，经过测定土壤中总氮总磷的含量来进行对比。三、实验原理1、甲醛法测定土壤中总氮（1）原理在高温下硫酸是一种强氧化剂，能氧化有机化合物中的碳，生成CO2，从而破坏有机质结构。用浓硫酸消煮土壤，使其中所含的氮转化为氨，氨与硫酸化合成(NH4)2SO4留在溶液中。如:样品中的含氮有机化合物蛋白质，在浓硫酸作用下水解为氨基酸，氨基酸在硫酸的脱氨作用下还原为氨，氨与硫酸结合成硫酸铵留在溶液中。主要反应为:NH2CH2COOH+3H2SO4→NH3+2CO2+3SO2+4H22NH3+H2SO4→(NH4)2SO4在消化过程中，用硫酸钾和硫酸铜的混合催化剂作加速剂。铵盐中的NH4+酸性太弱不能用NaOH标准溶液直接滴定，可将硫酸铵与甲醛作用，定量生成质子化六次甲基四胺和H+。反应如下:4NH4++6HCHO→(CH2)6N4H++3H++6H2O反应生成的(CH2)6N4H+(Ka=7.1×106)和H+可以被NaOH标准溶液准确滴定。这4molNH4+在反应中生成4mol可被滴定的酸，故氨与NaOH的化学计量数比为1:1。试样中的游离酸在加甲醛以前以甲基红为指示剂，用NaOH预中和至黄色(PH=6)，再加入甲醛以酚酞为指示剂，用NaOH标准溶液滴定强化后产物。2、行业标准法测定总磷（1）原理土壤样品与氢氧化钠熔融，使土壤中含磷矿物及有机磷化合物全部转化为可溶性的正磷酸盐，用水和硫酸溶解熔块，在规定条件下样品与钼锑抗显色剂反应，生成磷钼蓝，用分光光度法定量测定[11]。3、联合测定法测定总氮总磷（1）原理土壤样品中总氮的测定常用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定，而总磷一般为磷钼蓝分光光度法。四、实验所用主要仪器设备和药品主要仪器设备：AL202电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）；VIS-723分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)；1810-B型石英自动双重纯水蒸馏器(常州国华电器有限公司)；DGG-9053A电热恒温鼓风干燥器(上海森信电器有限公司)；SXZ-440箱式电阻炉(上海实验电炉厂)；镍(或银)坩埚:容量》30ml；药品：(1)100μg/mL的硝酸钾标准贮备液；(2)50μg/mL的磷酸钾标准贮备液；(3)1+9盐酸；(4)钼酸铵溶液:溶解13g钼酸铵于100mL水中，溶解0.35g酒石酸锑钾于水中，在不断搅拌下，把钼酸铵溶液徐徐加入到300mL的1+1硫酸中，再加入酒石酸锑钾溶液并且混合均匀，将此溶液储存于棕色瓶中；(5)10%抗坏血酸溶液；(6)5%过硫酸钾溶液；(7)2%氢氧化钠溶液；(8)混合氮、磷标准液:分别移取硝酸钾贮备液50mL，磷酸钾贮备液10mL至250mL容量瓶中，用无氨水稀释至刻度。每毫升溶液含氮20μg，含磷2μg。(9)混合催化剂:(CuSO4+K2SO4)用普通天平称取化学纯硫酸钾2g及硫酸铜2g，在研钵中磨细混合，用孔径60目的筛子过筛后，储于有塞的广口瓶中。(10)浓H2SO4:分析纯密度为1.84g/cm3(11)甲醛:18%(即1+1)甲醛常以白色聚合状存在，此白色乳状物是多聚甲醛，可以加入少量的浓硫酸加热使之聚解。(12)邻苯二甲酸氢钾:分析纯。(13)NaOH溶液:1mol/L、0.1mol/L、0.01mol/L。(14)甲基红指示剂:2g/L60%乙醇液或0.2%的钠盐的水溶液。(15)酚酞指示剂:用0.2%乙醇溶液配制。(16)氢氧化钠(GB629)；(17)无水乙醇(GB678)；(18)10%(M/V)碳酸钠溶液:10g无水碳酸钠(GB639)溶于水后，稀释至100mL，摇匀；(19)5%（M/V)硫酸溶液:吸取5mL浓硫酸(GB625，95.0-98.O%，比重1.84)缓缓加人90ml水中，冷却后加水至100mL；(20)3mol/L硫酸溶液:取168mL浓硫酸缓缓加入到盛有800mL左右水的大烧杯中，不断搅拌，冷却后，再加水至1000ml；五、实验部分1、甲醛法测定土壤中总氮含量（1）样品的制备采集土壤风干，土壤风干应在干燥和通风的场所进行,并防止酸碱蒸气和灰尘的侵蚀及沾污，在风干过程中需随时拣去动植物残体,石块和矿质结合体等风干土样滚压磨细用100目筛子过筛,贮于磨砂口的广口瓶中贴上标签保存待用。（2）消化土壤用分析天平准确称取一定量过筛土样,放入干250ml的干燥瓶中,加几滴蒸馏水湿润之,并加混合催化剂,再加入浓H2SO45mL轻轻摇匀,以小漏斗盖住开氏瓶口,静置2小时,然后将开氏瓶斜置固定,先用小火加热,然后逐渐升温消煮至溶液呈清澈的蓝绿色,为消化完全,接着继续消煮15分钟。消煮结束后取下开氏瓶冷却,将全部消煮液转入250mL容量瓶,用蒸馏水冲洗开氏瓶三次,充分混合后定容。（3）甲醛的预处理甲醛中含微量的酸,应事先中和,取原装瓶甲醛上层夜于烧杯中加水稀释一倍,加入2-3滴酚酞指示剂,用标准碱液滴至微红色。（4）0.01mol/LNaOH溶液的标定用250ml锥形瓶以差量法称量KHC8H4O4三份,每份0.04-0.06g,加入2-3滴酚酞指示剂,用待标定的NaOH溶液滴定至呈微红色并保持半分钟即为终点。对所得NaOH体积的数据进行检验后,根据消耗NaOH体积计算NaOH的浓度。（5）试样中全氮量的测定用移液管准确移取20ml试液分别置于250ml锥形瓶中，加1滴甲基红指示剂,用NaOH溶液滴定至橙色,以去除试样中游离酸。加入10ml(1+1)甲醛液,再加1-2滴酚酞指剂,充分摇匀,放置一分钟后,用0.01mol/LNaOH标准溶液滴定至溶液呈金黄色。2、行业标准法测定土壤中总磷含量（1）熔样准确称取风干样品0.25g,精确到0.0001g，小心放入镍(或银)坩埚底部，切勿粘在壁上。加入无水乙醉3-4滴，润湿样品，在样品上平铺2g氢氧化钠。将坩埚(处理大批样品时，暂放入大干燥器中以防吸潮)放入马弗炉，升温。当温度升至400℃左右时，切断电源，暂停15min。然后继续升温至720℃，并保持15min取出冷却加入约80℃的水10mL，待熔块溶解后，将溶液无损失地转入100mL容量瓶内，同时用3mol/L硫酸溶液10mL和水多次洗坩埚，洗涤液也一并移入该容员瓶。冷却，定容。用滤纸过滤或离心澄清。同时做空白试验。（2）绘制校准曲线分别吸取5mg/L磷标准溶液0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL于50mL容量瓶中，同时加入与显色测定所用的样品溶液等体积的空白溶液及二硝基酚指示剂2～3滴。并用10%碳酸钠溶液调节溶液至刚呈微黄色。准确加入钼锑抗显色剂5mL，摇匀，加水定容，即得含磷量分别为0.0、0.2、0.4、0.8mg/L的标准溶液系列。摇匀，于15℃以上温度放置30min后，在波长700nm波长处，测定其吸光度。在方格坐标纸上以吸光度为纵坐标，磷浓度(mg/L)为横坐标，绘制校准曲线。（3）样品溶液中磷的定量①显色吸取待测样品溶液2-10mL(含磷0.04-1.0%g)于50mL容量瓶中，用水稀释至总体积约3/5处。加入二硝基酚指示剂2-3滴，并用10%碳酸钠溶液调节溶液至刚呈微黄色。准确加入5mL钼锑抗显色剂，摇匀，加水定容。在室温15℃以上条件下，放置30min。②比色显色的样品溶液在分光光度计上，用700nm,1cm光径比色皿，以空白试验为参比液调节仪器零点，进行比色测定，读取吸光度。从校准曲线上查得相应的含磷量。3、联合测定法测定土壤中总氮总磷含量（1）标准曲线的绘制取6支50mL比色管分别移取0、1、2、4、6、8mL混合标准溶液，用无氨水稀释至25mL，加碱性过硫酸钾溶液10mL。塞紧磨口塞，用纱布和线绳捆扎，以防止消解时过分蒸发和过硫酸钾分解出的氧气逸出。将比色管置于高压蒸汽消毒器中，加热至120℃时开始计时，通过通断电源将温度控制在120～124℃范围内，消解30min后自然冷却至不喷气后，取出样品，放置至室温。用无氨水将比色管中试液稀释至50mL，另取一套25mL比色管分取25mL消解液。将此系列分别加入1+9盐酸溶液1mL，摇匀，送紫外分光光度计分别测定220nm和275nm波长处的吸光度值，计算A=A220-A275，绘制N标准曲线；将50mL比色管中剩下的25mL消解液分别加入抗坏血酸溶液1mL，摇匀30s后，再加入2mL钼酸铵溶液，摇匀，15min后在700nm处测定吸光度值，绘制P标准曲线。（2）样品的消解精密称取103℃、3h烘干并研磨后的的污泥样品0.15g置于镍坩埚中，用95%乙醇稍湿润，加2g固体氢氧化钠于坩锅底部铺平，暂时存放于大干燥器中，以防潮解，然后将坩锅放于马弗炉中，由低温升至720℃，保持15min，待马弗炉温度降至室温后取下，用同样的方法做样品空白。（3）样品待测液的准备及测定上述样品及空白经冷却后用热水脱埚，收集液冷却后过滤，滤液用100mL容量瓶承接，取一定量(一般取10mL)滤液转移至50mL比色管中。之后处理流程同氮、磷标准曲线，所测得氮、磷待测液吸光度值通过内插法由氮、磷标准曲线分别获得含量值。六、结果与讨论1、甲醛法测定土壤总氮量（1）甲醛法测总氮含量实验条件对消化过程的影响①催化剂在实验中，每次加入加速剂的用量越为2g，以为了加速消煮过程，K2SO4作增温剂CuSO4可作催化剂，但由于氧化剂作用过于激烈，容易造成氨的损失，使测定不够稳定。②温度消煮过程温度控制也相当重要，温度过低，消化不易完全，特别是杂环氮化合物不易分解，温度也不易过高，否则产生的游离碳也不易于消化完全，温度应控制在360-410℃之间。消化液变为清澈的蓝绿色，消化结果满意。（2）甲醛法测总氮含量表1甲醛法测定土壤中的总氮含量试剂编号土样质量（g）总氮量（%）盐城样（龙岗）1.01240.375盐城样（龙岗）0.96540.383盐城样（龙岗）0.96580.374盐城样（纪念馆）0.45310.104盐城样（纪念馆）0.47140.117盐城样（工学院）0.47050.115阜宁样（益林火车站）0.48050.121阜宁样（益林火车站）0.46400.0982阜宁样（益林学校）0.48530.0992阜宁样（益林学校）0.45690.102建湖样（钟庄）0.46210.108建湖样（钟庄）0.50350.131建湖样（钟庄）0.49370.118表1表明了甲醛法测土壤全氮在三个地区的数据比较，从表格中可以看出全氮量根据各个地区的外界环境、土质本身、实验中各种试剂加入量的多少以及温度等的综合影响。由于甲醛法消解1g土壤需要两天的时间，所以在做了几个样品之后，就改为0.5g来做实验，在保证时间的同时也保证了数据的准确性。通过这三个地区的总氮量的比较，可看出在土壤中的氮的存在形式的不同，同时含氮量也在一般范围内，如果想提高总氮的含量，可以通过施适量化肥来进行改善，但不能太多。2、行业标准测定总磷图一行业标准法测定总磷的标准曲线表2行业标准法测定土壤中总磷的含量样品标号总磷量／%盐城样1（龙岗）0.08010盐城样2（龙岗）0.08443盐城样3（龙岗）0.08123盐城样4（龙岗）0.07547盐城样5（龙岗）0.05074盐城样6（龙岗）0.1048盐城样7（龙岗）0.04997盐城样8（龙岗）0.07310盐城样9（龙岗）0.07232盐城样10（纪念馆）0.08699盐城样11（纪念馆）0.09793盐城样12（纪念馆）0.09330盐城样13（纪念馆）0.08523盐城样14（纪念馆）0.1060盐城样15（工学院）0.07394盐城样16（工学院）0.06974盐城样17（工学院）0.06974阜宁样1（益林学校）0.07936阜宁样2（益林学校）0.08011阜宁样3（益林学校）0.07542阜宁样4（益林学校）0.07935阜宁样5（益林学校）0.07579阜宁样6（益林火车站）0.07727阜宁样7（益林火车站）0.07855阜宁样8（益林火车站）0.08062阜宁样9（益林火车站）0.05411阜宁样10（益林火车站）0.06711建湖样1（钟庄）0.04990建湖样2（钟庄）0.04919建湖样3（钟庄）0.1093表2表明了盐城市区、阜宁以及建湖的土壤中总磷含量，一般耕地表层含氮量为0.05%～0.30%，三个地区的含氮量都在这个范围内。各个地区的总氮含量不同，会有相差，可能是因为磷的存在形式的不同，也跟施肥量有关，土壤中自身含氮也有微小的影响。3、土壤中总氮总磷的联合测定（1）联合测定总氮总磷消解条件的选择实验中所用样品为烘干后的土壤样品，消解方式常用酸或碱进行消解。在这里，酸溶容易造成样品中铵态氮的挥发；另外，酸溶解土壤样品会导致样品收集液呈酸性，后面的步骤中过硫酸钾与样品氧化还原反应时会分解放出O2和H+，酸溶样必然带入更多的H+，将抑制过硫酸钾的分解，而碱的加入会中和释放出的H+，有利于样品的下一步氧化还原反应的进行。鉴于此，选择固体氢氧化钠高温状态下熔解土壤样品，根据后面加入的过硫酸钾的量计算可知加入2g左右固体氢氧化钠可以保证过硫酸钾的完全分解。总磷测定中实际测定的是最后生成的磷钼蓝，它在一定酸度条件下生成的，pH过高或过低都会对测定结果有较大影响。碱性条件下时，样品待测液中可以明显看到沉淀的存在，必然要影响吸光度测定值；但是当pH过低时，又会使吸光度值降低对照试验表明pH为3左右适宜测定。图二联合测定法测定总氮的标准曲线图三联合测定法测定总磷的标准曲线表3联合测定测定土壤中的总氮总磷含量样品标号总氮量/%总磷量/%盐城样1（龙岗）0.26070.03593盐城样2（龙岗）0.27060.03689盐城样3（龙岗）0.27800.03386盐城样4（龙岗）0.26760.03643盐城样5（龙岗）0.25500.03563盐城样6（龙岗）0.24210.03725盐城样7（龙岗）0.24190.03629盐城样8（龙岗）0.27640.03546盐城样9（龙岗）0.25700.03547盐城样10（纪念馆）0.25860.05919盐城样11（纪念馆）0.26040.05727盐城样12（纪念馆）0.24820.06253盐城样13（纪念馆）0.26910.05664盐城样14（纪念馆）0.28330.05792盐城样15（工学院）0.20440.03317盐城样16（工学院）0.21460.03320盐城样17（工学院）0.22060.03507阜宁样1（益林学校）0.25780.05539阜宁样2（益林学校）0.27370.05248阜宁样3（益林学校）0.28220.05716阜宁样4（益林学校）0.23920.05384阜宁样5（益林学校）0.26110.05386阜宁样6（益林火车站）0.24290.04542阜宁样7（益林火车站）0.22950.04542阜宁样8（益林火车站）0.23120.04391阜宁样9（益林火车站）0.24010.04513阜宁样10（益林火车站）0.24510.04790建湖样1（钟庄）0.19710.04688建湖样2（钟庄）0.23380.05033建湖样3（钟庄）0.23740.04915表3说明了盐城市区、阜宁以及建湖的土壤中总氮总磷含量。一般耕地表层含氮量为0.05%～0.30%，一般耕地表层含磷量为0.00%～0.30%，这三个地区的含量都在两者的含量范围内。盐城、阜宁以及建湖土壤中的含氮量差不多，则表明了用联合测定法测定这三个地区含氮量分布比较均匀；而盐城、阜宁以及建湖土壤中的含磷量分布不是很好，可能是由于施肥施的不是很均匀以及土壤中磷的存在形式发生了不同的变化。表4联合测定法方法的回收率的测定样品标号加标测定值样品测定值加标量加标回收率／%NPNPNPNP盐城样1（龙岗）0.35870.042080.25500.035630.10530.00660998.597.6盐城样2（龙岗）0.37030.042340.25700.035470.11550.00706898.197.2盐城样3（工学院）0.28250.050540.21460.033200.068660.0177398.997.8阜宁样1（益林火车站）0.25250.059100.24010.047900.012900.0117096.195.7建湖样1（钟庄）0.29060.053280.19710.046880.10170.00649791.998.5由表4的结果可以表明，用联合测定法测定土壤中的总氮总磷加标回收率在100%左右，由此可以看出用于联合测定土壤样品中的氮、磷含量能够较准确测定出土壤中的氮、磷含量。4、不同测定方法的比较（1）甲醛法与联合测定法测定土壤中总氮含量的比较表5甲醛法与联合测定法测定土壤中总氮含量样品标号甲醛法测定总氮含量(%)联合测定总氮含量(%)盐城样1（纪念馆）0.1170.2482盐城样2（工学院）0.1150.2146阜宁样1 （益林学校）0.1210.2578阜宁样2（益林火车站0.1020.2401建湖样1（钟庄）0.1080.1971从表5中可以看出联合测定法测定土壤中总氮含量要比甲醛法测定土壤中总氮含量要高，这说明了联合测定法要比甲醛法测定土壤中总氮含量更准确一些，因为在实验过程中甲醛法加入了高氯酸作为氧化剂，而此氧化剂由于作用过于激烈，造成了氨的部分损失，使测定不够稳定，导致了总氮含量的损失。（2）行业标准法与联合测法测定土壤中总磷含量的比较表6行业标准法与联合测法测定土壤中总磷含量样品标号行业标准测定总磷含量(%)联合测定总磷含量(%)盐城样1（纪念馆）0.093300.06253盐城样2（工学院）0.069740.03320阜宁样1（益林学校）0.079360.05539阜宁样2（益林火车站）0.054110.04790建湖样1（钟庄）0.049900.04688表6表明了行业标准法测定土壤中总磷含