土壤中的硝态氮检测试纸的制备及应用

于专妮，王强

(1.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛 266100;2.青岛农业大学化学与药学院，山东青岛 266109)

土壤是作物氮素营养的主要来源，土壤中的氮素包括无机态氮和有机态氮两大类。其中有机态氮几乎难以被作物直接吸收利用，而含量不到5%的无机态氮(主要是铵态氮和硝酸盐)中的硝态氮是旱地植物可直接吸收的氮素［1-4］，因此土壤的现实肥力取决于硝态氮的含量。如何快速、简便的测定硝态氮一直制约着农业的合理用肥。

当前，大多实验是通过氯化钾或硫酸钙对土壤进行离子交换，得到无机态氮;然后采用氨基苯磺酸比色法［5］、离子色谱法［6］、极谱法［7］、镉柱法［8］等手段进行分析检测。这些测试方法精准度很高，但昂贵的仪器和繁琐的样品前处理步骤限制了土壤的常规快速测定［9］。而试纸法既不依靠仪器，也不需要繁琐的操作，仅仅通过比对色阶谱图就可以直接得到土壤硝态氮的含量，实现了快速、便捷、廉价测定的预期目的。

实验拟自制淀粉碘化钾试纸，通过确定还原模拟土壤中的硝态氮的反应条件，制作出标准色阶谱图;以紫外可见分光光度法为佐证手段，验证土壤中硝态氮含量测量的准确性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

亚硝酸钠、可溶性淀粉、碘化钾、硫酸镉、锌粉、磷酸二氢钾、硝酸钾、氯化铵均为分析纯;定性滤纸;定量滤纸;层析滤纸。

SHB-Ⅲ循环水式真空泵;DYG-9038A干燥烘箱;754型紫外分光可见光度计。

1.2 土样采集及硝态氮的浸提

实验采集青岛农业大学种植蔬菜园的土壤，采用梅花点取样法，取土的深度控制在20 cm以内，把土样混合均匀。90℃烘干24 h，研磨。取5 g实验土壤，加入25 mL浓度0.5 mol/L的硫酸钙、适量活性炭，搅拌、静置，抽滤，滤液是硝态氮的待测液［10-11］。

1.3 实验原理

1.4 碘化钾淀粉试纸的制备

1 000 mL烧杯中加入250 mL蒸馏水，加热至沸腾。把事先用少量水溶解的淀粉水溶液倒入沸水中，继续加热2～3 min至溶液变清为止。冷却后，依次加入碘化钾、无水碳酸钠和去离子水250 mL［13］。将滤纸剪成 1.5 cm × 6.0 cm 的长纸条，放入溶液中浸润30 min，铺放在真空干燥箱中干燥。干燥后的试纸避免被空气中氧气氧化，应保存在棕色瓶中备用。

1.5 亚硝酸根标准色卡制备

按照浓度梯度，用移液管分别准确移取1 000 μg/mL亚硝酸钠 0.00，0.10，0.20，0.30，0.50，1.00，5.00，10.00，50.00 mL 于 100 mL 容量瓶中，用去离子水定容。准确移取5 mL的亚硝酸钠的标准溶液于烧杯中，分别滴加3 mol/L硫酸溶液1滴，搅拌均匀后，用胶头滴管依次滴加到碘化钾试纸上，试纸不可浸润到溶液中，以免引起碘离子的扩散;室温条件5 min后观察并拍照记录试纸颜色深浅。

1.6 混合标准溶液配制及显色反应

准确称取磷酸二氢钾 0.439 07 g、硝酸钾0.722 06 g、氯化铵 0.382 02 g、硫酸钾 1.324 79 g于250 mL的烧杯中，用少量去离子水溶解，然后定容于1 000 mL容量瓶中，即得含有硝态氮100 μg/mL的混合标准溶液，以模拟自然界土壤的基本组成。加入稍过量的锌粉和催化量的硫酸镉，20 min抽滤，所得滤液按照1.5节进行测试。

1.7 样品测定

1.7.1 硝态氮处理 实验采用锌粉还原的方法，把高价态的氮还原为亚硝酸根，进行半定量测定。

1.7.2 比色 用胶头滴管或玻璃棒蘸取少量待测液于制备的试纸上，显色后与比色卡目测对比，对试样进行不低于3次的读数，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 试纸的选择

实验分别用层析滤纸、定性滤纸和定量滤纸做成淀粉碘化钾试纸。试纸完全干燥后，在室温条件下，用不同浓度的亚硝酸钠含量溶液进行显色实验，观察并记录试纸颜色变化快慢以及颜色深浅的差距。结果显示，定量滤纸显色较为明显，本实验选定量滤纸为试纸材料。

2.2 亚硝酸根标准色卡的制备

制作淀粉碘化钾试纸时，按照浓度梯度为0.015 0，0.030 0，0.060 0，0.300 0 mol/L，准确称取碘化钾。考察待测离子浓度按照梯度变化时，试纸颜色的规律性变化，结果见表1。

表1 碘化钾含量对显色的影响Table 1 The quantity of KI on chromogenic

由表1可知，当亚硝酸根浓度低至1 μg/mL时，试纸显示出肉眼可以直接观察到的浅蓝色;随着待测离子浓度的继续增加，颜色由浅蓝增至黑蓝色;KI含量为0.06 mol/L时，试纸颜色随亚硝酸根浓度同步的特性。因此，效果最佳的碘化钾含量为0.06 mol/L，并以此得到待测亚硝酸浓度从1～100 μg/mL变化时，对应的色阶谱图(见图 1)，实现了待测离子浓度与颜色同步变化的实验目的。

图1 亚硝酸根浓度改变对应试纸颜色的变化Fig.1 The color development with the quantity of N

2.3 模拟土壤浸提液的还原及显色反应

2.3.1 氯化钠用量对硝酸盐还原的影响 根据方程(1)，实验发现，锌粉在还原硝酸盐的过程中需要一定的离子强度。为了不改变土壤的基本组成，加速还原反应，实验选用强电解质氯化钠来增强溶液离子强度。以试纸显色深浅为评价标准，实验发现，随着氯化钠用量的增加，硝酸盐的还原率呈现上升的趋势，试纸显色明显加深。当氯化钠的质量浓度超过10 g/L时，反应时间20 min，试纸显色没有较为明显的变化，实验选定强电解质氯化钠的浓度为10 g/L。

2.3.2 pH对还原的影响 根据方程(1)、(2)，整个反应的进行均需要在酸性条件下进行。实验发现，溶液的pH控制在3～10，还原得以稳定进行;当pH ＜2和pH ＞12时，由于存在锌和强酸、强碱反应的竞争，硝酸根得不到有效地还原。

图2 混合液中硝态氮浓度改变对应试纸颜色的变化Fig.2 The color development with the nitrate in solution

实验确定了混合标准溶液中氯化钠的浓度为10 g/L、反应pH=3～10，反应时间20 min的条件下，随着模拟土壤浸提液中的硝态氮浓度由1～100 μg/mL变化时，试纸上呈现出蓝色不断加深的趋势;与图1比对来看，其它共存离子对试纸显色几乎没有影响，满足了测试的基本要求。

实验采用Photoshop软件根据颜色梯度，对比试纸颜色制作的标准色阶谱图，标出的硝态氮浓度是以1 kg土壤作为考察标准。考虑到肉眼对颜色的敏感程度的差异，实验制备的标准色阶谱图可以测量硝态氮含量范围从5～400 mg/kg。

图3 标准色阶谱图Fig.3 The standard color spectrum

2.4 土壤中硝态氮的测定及验证实验

2.4.1 待测土壤的测量 土壤样品取自蔬菜试验田;按照实验步骤1.2节和1.6节对土壤中的硝态氮进行处理，采用自制的试纸显色后，与图2色阶谱图进行比对，可以直观的看出所测土壤提取液中硝态氮的浓度为5 μg/mL左右;与图3标准色阶谱图对比可以更直观的看出土壤中硝态氮含量为25 mg/kg。

图4 土壤中硝态氮的测定Fig.4 The detecting nitrate in soil

2.4.2 验证实验 参照文献［14-15］，对同一份土壤浸提液测量硝态氮含量测定，结果为27.4 mg/kg，高于试纸法的25 mg/kg。这可能是由于锌粉还原不完全或肉眼对颜色的敏感程度存在差异造成的;但从半定量测试的角度来说，所测量结果与试纸测量数据近乎一样，满足了室外进行土壤硝态氮测定的要求。

3 结论

制备出能够测量土壤硝态氮的淀粉碘化钾试纸和标准色阶谱图。测量范围为5～500 mg/kg(若浓度较大，可对溶液稀释后测量)，满足了对土壤硝态氮含量的要求。与其它测量方法相比，试纸法凭其受外界干扰因素小、方便携带、价格低廉等优点，满足了在室外进行土壤硝态氮含量的测定的实际要求。但试纸测量存在灵敏度低和准确度不高等缺陷，本实验所制的试纸对硝态氮含量低于5 mg/kg的土壤，显色不明显;另外本试纸自身稳定性差，必须防止被氧化。因此，研发精准度更高的试纸已成为检测技术的当务之急。

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