1. 前言
在中量元素中，硫元素在氮、磷、钾元素之后，排在第四位[1]-[4]。土壤中的硫元素十分重要，它是作物生长必不可少的微量元素[5]。有效硫的检测是国家土壤配方施肥项目中必备的检测元素之一，对于其检测的准确性决定了土壤配方施肥的有效性。土壤的酸碱性不同，采用的检测方式不同。酸性土壤通常用磷酸盐–乙酸作为浸提剂，碱性土壤用氯化钙作为浸提剂，浸出的硫包括易溶性硫、吸附性硫以及部分有机硫；浸出液用过氧化氢消除有机物，加入Ba2∙H2O与浸出液中的SO24−反应形成硫酸钡沉淀，采用分光光度计比浊测定有效硫含量[6]-[8]。
由农业农村部农田建设管理司提出并归口的NY/T 1121.14-2023《土壤检测 第14部分：土壤有效硫的测定》于2023年2月17日发布，本文件代替NY/T 1121.14-2006《土壤检测 第14部分：土壤有效硫的测定》[9] [10]。
NY/T 1121.14-2023《土壤检测 第14部分：土壤有效硫的测定》与NY/T 1121.14-2006《土壤检测 第14部分：土壤有效硫的测定》中“比浊法”进行的二处优化：一是分析过程中“加5 mL甘油–乙醇–水溶液”替代了原来“加4 mL阿拉伯胶水溶液”；二是“加10 mL氯化钡溶液(ρ = 200 g/L)”替代了原来“加氯化钡晶粒2.0克”。除了以上两点变化，2023版内容仍然沿用2006版内容[11] [12]。从2006年到2023年所历经的17年中，检测仪器设备多次更新换代，就搅拌溶液来说，机械搅拌几乎被超声波替代，电热板、沙浴锅也不是仅有的加热消解设备，类似的消解炉不断推陈出新，比浊法进行优化后反应液加氯化钡溶液比加氯化钡晶粒反应更易搅拌均匀。笔者通过多次试验改进让比浊法检测结果更接近准确值。
2. 实验部分
2.1. 实验所用化学药剂及溶剂
实验所用化学药剂及溶剂见表1。
Table 1. Chemical reagents and solvents used in experiments
表1. 实验所用化学药剂及溶剂
名称 |
规格 |
生产厂家 |
磷酸二氢钙 [Ca(H2PO4)2∙H2O] |
A.R/500 g |
天津市科密欧化学试剂有限公司 |
硫酸钾(K2SO4) |
G.R/100 g |
过氧化氢(30%) (H2O2) |
|
西陇科学股份有限公司 |
乙醇(C2H6O) |
A.R/500 mL |
乙酸(CH3COOH) |
|
盐酸[ρ (HCl) = 1.19 g/mL] |
G.R/500 mL |
氯化钡晶粒(BaCl2·2H2O) |
A.R/500 g |
天津大茂化学试剂 |
甘油(C3H8O3) |
A.R/500 mL |
山东西亚化学工业有限公司 |
氯化钙(CaCl2) |
G.R/100 g |
硫标准溶液 (ρ = 1000 mg/L) |
有证标准物质 (唯一性标识237030-1) |
国家有色金属及电子材料分析测试中心/国标(北京)检验认证有限公司 |
甘油–乙醇–水溶液 |
量取1 mL甘油和2 mL乙醇，加到47 mL水中 |
盐酸溶液(1 + 4) |
量取10 mL盐酸加到40 mL水中 |
氯化钡溶液(ρ = 200g/L) |
称取200 g氯化钡溶于水中，混匀 |
磷酸盐–乙酸浸取液 |
取115 mL乙酸于1 L容量瓶中，用水定容。称取2.04 g磷酸氢钙溶于1 L乙酸溶液中，混匀 |
氯化钙浸取液 |
称取1.50 g氯化钙溶于水，稀释至1 L，混匀 |
硫标准工作液 (ρ = 20 mg/L) |
准确吸取2.00 mL硫标准溶液于100 mL容量瓶中，用水定容，混匀 |
2.2. 实验仪器设备
本实验研究所使用的仪器设备见表2。
Table 2. Main instruments and equipment used in the experiment
表2. 实验所用主要仪器设备
仪器名称 |
型号 |
生产厂家 |
紫外可见分光光度计 |
759S型 |
上海棱光技术有限公司 |
分析天平(感量0.0001 g) |
AUW220D |
岛津菲律宾工厂 |
恒温振荡器 |
YC-S30 |
天津市泰斯特仪器有限公司 |
电磁搅拌器 |
SN-HWS-4DJ |
上海尚普仪器设备有限公司 |
温控电热板 |
DS12-45F |
天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司 |
超声波仪 |
KQ-250E |
昆山市超声仪器有限公司 |
石墨消解炉 |
KDNX-20 |
上海精密科学仪器有限公司 |
2.3. 实验过程
2.3.1. 按照NY/T 1121.14-2023方法，其试验步骤
1) 样品溶液制备：称取10 g样品(精确至0.01 g)于100 mL三角瓶或250 mL塑料瓶中，加入50 mL磷酸–乙酸浸提剂，在温度20~25℃、振荡频率(180 ± 20) r/min的条件下，振荡1 h后，干过滤，弃去最初滤液待测。石灰性土壤用氯化钙浸提剂浸提，其他条件及操作过程同磷酸–乙酸浸提相同。
2) 标准曲线的绘制：准确吸取硫标准工作溶液0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0和12.0 mL，分别置于50 mL容量瓶中，加2 mL盐酸溶液和5 mL甘油–乙醇–水溶液，用水定容，即为0、0.80、1.60、2.40、3.20、4.00、4.80 mg/L硫标准系列溶液。将各溶液转入烧杯中，加10 mL氯化钡溶液，用电磁搅拌器充分搅拌1 min，5~10 min内在分光光度计上于波长440 nm处，用3 cm光径比色皿比浊，用标准系列溶液的零浓度调节仪器零点，读取吸光度，绘制校准曲线并求出回归方程。
3) 测量：吸取滤液25 mL于三角瓶中，在电热板上180~200℃加热，加3~5滴过氧化氢氧化有机物。加热15~20 min，使有机物完全分解，瓶除尽过剩的过氧化氢，加2 mL盐酸溶液，得到清亮的溶液。将溶液全部转移入50 mL比色管中，加5 mL甘油–乙醇–水溶液，用水定容转入烧杯中，与标准溶液相同条件比浊。
4) 空白试验：除不加试样外，其他步骤同样品相同操作。
5) 试验数据处理：土壤有效硫含量按质量分数
计，单位为毫克每千克(mg/kg)，按下面的公式计算：
式中：
——从标准曲线上查得测定液中硫质量浓度的数值，单位mg/L；
——实验室空白试样对应硫元素质量浓度的数值，单位mg/L；
——测定溶液体积的数值，单位为mL；
——分取倍数；
——试样质量的数值，单位为g；
平行测试结果用算术平均数表示，保留1位小数。
2.3.2. 优化改进操作步骤
1) 制作标准曲线时将50 mL容量瓶优化更换为100 mL比色管，这样就减少了从容量瓶转移到烧杯进行搅拌比色的步骤，既可以避免转移产生损失误差，又可以使比色摇匀更方便(比色管可直接摇匀比色)。
2) 测量过程中将三角瓶优化更换为100 mL比色管，这样也减少了从容量瓶转移到烧杯进行搅拌比色的步骤，既可以避免转移产生损失误差，又可以让比色摇匀更方便。
3) 在加10 mL氯化钡溶液后，用电磁搅拌器充分搅拌1 min，优化成加10 mL氯化钡溶液盖好比色管塞，用超声波仪器超声1 min，这样就可以避免搅拌子搅拌产生损失误差，又使比色摇匀更方便(比色管可直接摇匀比色)。
4) 优化后比色时是比色管装待测液，比优化前的烧杯装待测液摇匀方便，我们可以随时摇匀随时比色，摇匀后立马比色更准确便捷。
2.3.3. 分析步骤
1) 优化后的标准曲线
准确吸取20 mg/L硫标准工作溶液0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0和12.0 mL，分别置于7支100 mL比色管中，各加2 mL盐酸溶液和5 mL甘油–乙醇–水溶液，用水定容至50 mL刻度线，即为0、0.80、1.60、2.40、3.20、4.00、4.80 mg/L硫标准系列溶液。将各溶液摇匀，加10 mL氯化钡溶液盖好比色管塞，用超声波仪器超声1 min (或者手摇比色管5 min)，使溶液达到均匀状态，5~10 min内在分光光度计上于波长440 nm处，用3 cm光径比色皿比浊，用标准系列溶液的零浓度调节仪器零点，分别读取吸光度，绘制校准曲线并求出回归方程。
2) 优化后样品测量过程
吸取滤液25 mL于100 mL比色管中，在插孔式石墨消解仪或电砂浴上于180℃~200℃加热，加3~5滴过氧化氢氧化有机物。加热15~20 min，使有机物完全分解，并除尽过剩的过氧化氢。加2 mL盐酸溶液，得到清亮的溶液。加5 mL甘油–乙醇–水溶液，用水定容至50 mL刻度线，与标准溶液同条件比浊。
3. 结果分析讨论
3.1. 优化前后的有效硫标准曲线数据分析
先按国家规定原文进行操作和优化方法操作，优化前后有效硫标准曲线数据分析结果见表3。
Table 3. Data of available sulfur standard curve
表3. 有效硫标准曲线数据
序号 |
标准溶液加入体积(mL) |
标准物质浓度(μg/mL) |
优化前国家规定方法 |
优化后方法 |
吸光度(A) |
校正吸光 (△A) |
吸光度(A) |
校正吸光度 (△A) |
1 |
0.00 |
0.00 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
2 |
2.00 |
0.80 |
0.024 |
0.024 |
0.031 |
0.031 |
3 |
4.00 |
1.60 |
0.059 |
0.059 |
0.068 |
0.068 |
4 |
6.00 |
2.40 |
0.100 |
0.100 |
0.106 |
0.106 |
5 |
8.00 |
3.20 |
0.140 |
0.140 |
0.142 |
0.142 |
6 |
10.00 |
4.00 |
0.179 |
0.179 |
0.183 |
0.183 |
7 |
12.00 |
4.80 |
0.216 |
0.216 |
0.218 |
0.218 |
回归方程 |
y = 0.0464x − 0.0087 |
y = 0.0461x − 0.0037 |
相关系数 |
r = 0.996 |
r = 0.9992 |
标准要求 |
r ≥ 0.995 |
r ≥ 0.995 |
结果评价 |
符合 |
符合 |
对比分析优化前后实验流程方法，作标准曲线时：优化前50 mL容量瓶，优化后更换为100 mL比色管，减少了转移溶液过程误差。搅拌溶液时：优化前使用磁力搅拌子搅拌，优化后使用超声波仪器超声。搅拌更加彻底，减少中间取搅拌子对溶液测试的误差。装待测液时：优化前烧杯装取，优化后采用比色管装待测液。测试标准r值都在标准要求0.995以上，但是从表3可以得出，优化后r值为0.9992，较优化前0.996更大，得到的测试结果精确度更高。
3.2. 优化前后精密度及正确度测试数据分析
优化前后精密度及正确度测试数据见表4。由表4可以看出，改进优化后的分析结果比改进前标准曲线相关系数r值由0.996提高至0.9992；标准偏差由7.6 (mg/kg)降低至3.0 (mg/kg)；相对标准偏差RSD%由6.7%降低至2.6%；平均值由113 (mg/kg)变成115 (mg/kg)，更接近117 ± 13 (mg/kg)标准值。
Table 4. Test data of precision and accuracy
表4. 精密度及正确度测试数据
样品分取倍数2.0 |
优化前国家规定方法 |
优化后方法 |
样品质量 |
吸光度 |
测定结果(mg/kg) |
样品质量 |
吸光度 |
测定结果(mg/kg) |
平行序号 |
1 |
0.991 |
0.045 |
106 |
0.972 |
0.052 |
113 |
2 |
0.987 |
0.0477 |
111 |
0.939 |
0.049 |
110 |
3 |
1.128 |
0.053 |
108 |
1.133 |
0.062 |
116 |
4 |
1.064 |
0.048 |
105 |
1.344 |
0.072 |
114 |
5 |
2.276 |
0.127 |
124 |
2.286 |
0.128 |
120 |
6 |
2.094 |
0.115 |
122 |
2.099 |
0.113 |
115 |
样品空白吸光度 |
0.005 |
0.005 |
平均值(mg/kg) |
113 |
115 |
标准偏差(mg/kg) |
7.6 |
3.0 |
相对标准偏差RSD% |
6.7 |
2.6 |
有证标样定值(mg/kg) |
117 ± 13 |
117 ± 13 |
结果评价 |
合格 |
合格 |
3.3. 优化后时间对比色结果的影响分析
若5~10 min内不能比浊，应再次摇匀后在5~10 min内比浊，可以反复摇匀反复比浊，若5~10 min内不能结束比浊实验就失败。其实为了比色更准确，可以在比色前再摇匀待测液紧接着比色，会发现比浊值更稳定。下面是第二次改进优化后搁置一天的反应液，第二天进行摇匀后再次比色，有效硫标准曲线数据表结果见表5，精密度及正确度测试数据结果见表6。
Table 5. Standard curve data of available sulfur measured after one day of optimized shelving
表5. 优化搁置一天后测定的有效硫标准曲线数据
序号 |
标准溶液加入体积(mL) |
标准物质浓度(μg/mL) |
吸光度(A) |
校正吸光度(△A) |
1 |
0.00 |
0.00 |
0.000 |
0.000 |
2 |
2.00 |
0.80 |
0.030 |
0.030 |
3 |
4.00 |
1.60 |
0.068 |
0.068 |
4 |
6.00 |
2.40 |
0.105 |
0.105 |
5 |
8.00 |
3.20 |
0.143 |
0.143 |
6 |
10.00 |
4.00 |
0.182 |
0.182 |
7 |
12.00 |
4.80 |
0.219 |
0.219 |
回归方程 |
y = 0.0463x − 0.0043 |
相关系数 |
r = 0.9991 |
标准要求 |
r ≥ 0.995 |
结果评价 |
符合 |
Table 6. Precision and accuracy test data measured after one day of optimization and shelving
表6. 优化搁置一天后测定的精密度及正确度测试数据
样品分取倍数2.0 |
样品质量 |
吸光度 |
测定结果(mg/kg) |
平行序号 |
1 |
0.972 |
0.052 |
114 |
2 |
0.939 |
0.049 |
111 |
3 |
1.133 |
0.062 |
117 |
4 |
1.344 |
0.072 |
115 |
5 |
2.286 |
0.128 |
120 |
6 |
2.099 |
0.113 |
116 |
样品空白吸光度 |
0.005 |
平均值(mg/kg) |
115 |
标准偏差(mg/kg) |
2.8 |
相对标准偏差RSD% |
2.4 |
有证标样定值(mg/kg) |
117 ± 13 |
结果评价 |
合格 |
比较表5和表6第一天与第二天的数据结果，可以发现标准曲线相关系数r值由0.9992变成0.9991；标准偏差由3.0 (mg/kg)变成2.8 (mg/kg)；相对标准偏差RSD%由2.6%变成2.4%；平均值都是115 (mg/kg)，仍是接近117 ± 13 (mg/kg)标准值。前后数据变化微乎其微。所以比色是可以不受限制在5~10分钟反应时间内比色，而是确保比色前摇匀即可。
4. 结论
1) 通过减少测试中溶液定容、装取、搅拌、测试中的操作误差，进一步优化了实验流程，得到相对标准偏差RSD%由6.7%降低至2.6%；平均值由113 (mg/kg)变成115 (mg/kg)，更接近117 ± 13 (mg/kg)标准值。
2) 通过以上对比实验数据，我们可以发现进一步改进优化后分析过程操作更便捷，实验结果更精准，相关性系数较标准值r = 0.9992，得到的测试结果更加精确。
3) 优化后的方法减少了中间转移操作，用超声代替了磁力搅拌，提高了工作效率，关键是可以提升准确性，重现性更好。
4) 随着科技的发展，很多实验室的检测仪器设备也在更新换代，如石墨消解仪、超声波仪器等都是检测实验室的常用仪器。这些仪器可以替代国标中提到的仪器，从而达到分析工作的高效、准确。