恒温振荡浸提－电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法测定土壤中有效硫
王芸1，2* 郭小彪1，2 马会春1，2 王清圣1，2 张超1，2
（1.河北省地质实验测试中心，河北 保定 071051
2.河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室，河北 保定 071051）
摘要：为快速准确了解土壤中有效硫含量及分布情况，采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法，酸性土壤采用磷酸二氢钙—乙酸浸提剂，中性及石灰性采用碳酸氢钠为浸提剂，通过考察浸提温度、提取时间、振荡时间及谱线选择，建立了土壤中有效硫含量的检测方法。结果表明，在 22±2℃ 条件下振荡 1 h，振荡频率为180±20 r/min，过滤后的浸提液采用电感耦合等离子体发射光谱进行测定，选取182.562nm为分析波长，标准物质的测定值均在认定值范围内。方法检出限为0.8mg/kg，相对标准偏差RSD（n=7）为2.32%～4.45%，相对误差|RE|为0.07%～7.19%，精密度和准确度均达到国家有关标准要求。
关键词：有效硫；恒温振荡浸提；电感耦合等离子发射光谱法；土壤
Determination of Available Sulfur in soil by ICP-OES with Constant Temperature Oscillating Extraction
Wang Yun1,2* Guo Xiaobiao1,2 Ma Huichun1,2 Wang Qingsheng1,2 Zhang Chao1,2
(1.Hebei Research Center for Geoanalysis ,Baoding 071051,Hebei,China
2.Key laboratory of Mineral Resources and Ecological Environment Monitoring of Hebei Province 071051,Hebei,China)
Abstract: In order to quickly and accurately understand the content and distribution of available sulfur in soil, inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-OES) method was used. Acid soil was extracted with calcium dihydrogen phosphate and acetic acid, and neutral and calcic soil was extracted with sodium bicarbonate. The extraction temperature, extraction time, oscillation time and spectral line selection were investigated. A method for the determination of available sulfur content in soil was established. The results showed that the filtered extract was oscillated for 1 h at 22±2℃ with a frequency of 180±20 r/min. The inductively coupled plasma emission spectrum was used to determine the extracted solution, and 182.562nm was selected as the analytical wavelength. The measured values of reference materials were all within the recognized range. The limit of detection was 0.8mg/kg, the relative standard deviation RSD (n=7) was 2.32%-4.45%, and the relative error |RE| was 0.07%-7.19%. The precision and accuracy of the method met the requirements of relevant national standards.
Key words: available sulfur; constant temperature oscillating extraction; ICP-OES; soil
硫参与了植物生长、发育、结果等过程，与植物的质量有着密切的关系。土壤有效硫是土壤中能够直接或经过转化后能够被植物吸收利用的硫，其含量决定了土壤的供硫能力的大小，也是植物主要吸收硫的来源[1]。由于地域差异、土壤类型、土壤施肥情况等因素的不同，我国土壤有效硫含量差异较大，同时在植物复垦过程中，有效硫含量不断降低，直接影响植物品质。植物对硫的需求量较高，当土壤中有效硫含量小于12mg·kg-1时，土壤对植物的硫供给不足，植株生长发育受到一定阻碍；土壤对某些需硫量高的植物供硫量不足，当有效硫含量在12～16mg·kg-1时，影响了这种植物的质量[2]。同时，同一土壤的有效硫含量也在不断变化，在植物复垦过程中，有效硫的含量不断降低，酸雨、水土流失等情况也影响了土壤的有效硫含量。因此，快速有效地测定土壤有效硫含量有助于了解土壤质量，对指导含硫肥料的施用、及时提高土壤硫供应能力和农业生产具有重要意义。
土壤中有效硫的传统提取方法以浸提法为主[3-4]，常见的浸提法有利用水、氯化钙、DTPA、硝酸等浸提液，通过超声、恒温振荡、水浴等方式，将土壤中的有效硫提取出来。其中以土壤酸碱性分类，将土壤分为酸性土壤、中性土壤及石灰性土壤，酸性土壤体系使用磷酸盐—乙酸提取，中性以及石灰性土壤采用氯化钙提取的方法应用最广，是目前浸提有效硫的主要方法。用于土壤中有效硫测定的方法较多，目前主要的方法有比浊法［5］、离子色谱法［6］和电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）［7］。其中，比浊法的由于操作复杂，试剂使用较多，且重复性较差，标准曲线线性较差（r<0.999），难以开展大批量的检测工作。由于土壤组成复杂、复合肥的施用以及较大的浸提剂浓度，使得有效硫浸提液中存在干扰离子含量较高，离子色谱法在测定土壤中有效硫含量时，遇到较大的干扰问题，这对色谱柱的分辨性能提出了更严格的要求，限制了土壤有效硫的工作开展。对比以上方法，ICP-OES技术以其快速检测、高效运行、高灵敏度和低检出限的显著优势，有效克服了离子色谱法易受干扰的弊端。此外，该技术展现出的标准曲线线性卓越（相关系数r超过0.999），且线性区间宽，有效解决了比浊法标准曲线线性不佳的问题。目前，ICP-OES技术已广泛应用于各种地质与土壤样本中硫含量的测定，也是土壤有效硫测定中最为精确有效的方法，但ICP-OES中存在光谱干扰的问题，是其测定有效硫的难点所在。
随着全国土地普查等调查项目的开展，对土壤有效硫的测定工作无论从效率还是正确度上有了更严格的要求。本次研究探讨了提取温度、振荡频率、提取时间及谱线选择等条件的不同对有效硫测定的影响，对实验条件进行了优化，克服了采用ICP-OES测定有效硫的光谱干扰问题，进而建立了一种恒温振荡浸提-ICP-OES法测定土壤中有效硫含量的方法。
1 材料与方法
1.1 仪器和设备
iCAP PRO 型电感耦合等离子体发射光谱仪（赛默飞）；立式智能精密摇床（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；
1.2 仪器工作参数
本次实验所用仪器为赛默飞iCAP PRO 型电感耦合等离子体发射光谱仪，具体仪器工作参数见表1。
表1 仪器工作参数
工作参数 | 参数值 |
等离子体功率/W | 1150 |
雾化气流量/（L·min-1） | 0.75 |
等离子体气流量/（L·min-1） | 12 |
辅助器流量/（L·min-1） | 1.0 |
积分时间/s | 10 |
分析波长/nm | 182.562 |
清洗时间/s | 10 |
观察模式 | 径向 |
1.2 主要试剂
磷酸二氢钙（优级纯，科密欧试剂）；乙酸（优级纯，西陇试剂）；磷酸盐—乙酸浸提剂：115 mL 的乙酸（CH3COOH）定容至1 L。2.04 g 磷酸二氢钙溶于1 L 乙酸溶液中。
氯化钙（优级纯，科密欧试剂）；氯化钙浸提剂：1.50 g 氯化钙溶于水，稀释至1 L。
1.4 国家标准物质
本次研究所用土壤性质、pH、含量各不相同的土壤有效态成分分析标准物质6种，分别为GBW07458、GBW07459、GBW07460、GBW(E)070332、GBW(E)070333及GBW(E)070338，各标准物质信息见表2。
表2 土壤有效态成分分析标准物质信息
标准物质编号 | 土壤性质 | 有效硫标准值/ (mg·kg-1) | pH |
GBW07413a | 河南黄潮土 | 42±5 | 8.15 |
GBW07458 | 黑龙江黑土 | 33±4 | 6.14 |
GBW07460 | 陕西黄绵土 | 27±4 | 8.50 |
GBW(E)070333 | 江西红壤土 | 117±13 | 4.76 |
GBW(E)070334 | 广东灰潮土 | 72±10 | 6.25 |
GBW(E)070340 | 四川紫色土 | 11.9±1.0 | 8.44 |
1.5 .试验步骤
称取10.00 g风干于120mL离心管中，酸性土壤准确加入50 mL 磷酸二氢钙—乙酸浸提剂，中性及石灰性土壤准确加入50 mL 氯化钙浸提剂。在立式智能精密摇床中，于22±2℃ 条件下水平振荡1 h，振荡频率为180±20 r/min，过滤。同时制备空白试液。按仪器工作条件在ICP-OES上进行测定。
2结果与讨论
2.1 浸提温度的确定
与土壤全量的体系不同，土壤有效态属于非平衡体系，故有效硫的测定结果会随着提取条件而发生改变，浸提温度是主要因素之一[8]。在实验中，立式智能精密摇床相比于其他恒温环境而言，温度控制得更为精确，故本次选择立式智能精密摇床作为振荡器。为了探讨浸提温度对有效硫测定的影响，实验采用土壤有效态成分分析标准物质GBW07458、GBW07459、GBW07460、GBW(E)070332、GBW(E)070333及GBW(E)070338进行分析，考察不同浸提温度对有效硫测定的影响。设置振荡频率为180 r·min-1，浸提时间为1h，分别在 16、20、24、28 ℃温度条件下振荡，过滤后浸提液用ICP-OES进行测定，测试结果见表3。可见，有效硫的测定随着浸提温度的升高而增加，当浸提温度为20~24℃时所有标准物质测定结果都在不确定度内，故在选取（22±2）℃为土壤有效硫的浸提温度。
表3 浸提温度对测试结果的影响
标准物质 | 认定值与不确定度/ (mg·kg-1) | 测定值/（mg·kg-1） | |||
16 ℃ | 20 ℃ | 24 ℃ | 28 ℃ | ||
GBW07413a | 42±5 | 30.5 | 39.8 | 41.1 | 43.2 |
GBW07458 | 33±4 | 22.6 | 33.7 | 35.3 | 36.3 |
GBW07460 | 27±4 | 19.4 | 28.1 | 28.7 | 30.4 |
GBW(E)070333 | 117±13 | 66.8 | 108 | 125 | 139 |
GBW(E)070334 | 72±10 | 55.7 | 68.8 | 76.6 | 85.0 |
GBW(E)070340 | 11.9±1.0 | 8.7 | 11.9 | 12.4 | 12.7 |
2.2 提取时间的确定
提取时间是影响土壤与浸提液的交换程度主要因素之一，为了考察不同提取时间下土壤有效硫的测定结果，在本次实验中设置浸提温度为22℃，振荡频率为180 r·min-1，分别提取30、45、60、75、90 min，过滤后浸提液用ICP-OES进行测定，结果见表4。可见，提取时间与测定值为正相关，提取时间在60～75min时，6个标准物质的测定结果均在认定值范围内，当提取时间低于60 min时，测定值低于认定值的下限，当提取时间大于75 min时，部分测定结果偏高于认定值的上限，这是因为当提取时间过短时，土壤有效硫没有充分浸提，提取时间过长时，其他形式的硫被提取出来，同时检测效率下降[9]。综上所述，本实验选用提取时间为60 min。
表4 提取时间对测试结果的影响
标准物质 | 认定值与不确定度/ (mg·kg-1) | 测定值/（mg·kg-1） | ||||
30 min | 45 min | 60 min | 75 min | 90 min | ||
GBW07413a | 42±5 | 26.2 | 32.7 | 38.6 | 41.6 | 43.9 |
GBW07458 | 33±4 | 24.9 | 28.8 | 34.2 | 35.0 | 36.5 |
GBW07460 | 27±4 | 21.4 | 24.3 | 28.6 | 28.8 | 30.2 |
GBW(E)070333 | 117±13 | 88.6 | 98.7 | 118 | 133 | 141 |
GBW(E)070334 | 72±10 | 41.7 | 59.9 | 73.8 | 75.4 | 79.5 |
GBW(E)070340 | 11.9±1.0 | 8.85 | 9.92 | 12.1 | 12.2 | 12.9 |
2.3 振荡频率的选择
在土壤有效硫的振荡过程中，本次实验将离心管水平放置在振荡器中，离心管摆放方向与水平振荡的方向一致，以增大土壤与浸提液的交换程度，提高振荡效率。为了选择实验的最佳振荡频率，本次实验设置浸提温度为22℃，提取时间为60 min，分别在120、160、180、200、240 r/min的振荡频率下对土壤有效硫进行测定值，结果见表5。可见，振荡频率与有效硫测定值正相关，当振荡频率为160~200 r/min时，测定值均在标准物质的认定范围内。当振荡频率较低时，土壤与浸提液的交换不完全，表现为测定值较低，当振荡频率过高时，其他形态的硫有可能被提取出来，同时也会增加仪器损耗。综上，考虑到振荡器振荡频率的精确程度，设置振荡频率为180±20 r/min。
表5 振荡频率对测试结果的影响
标准物质 | 认定值与不确定度/ (mg·kg-1) | 测定值/mg·kg-1 | ||||
120 r·min-1 | 160 r·min-1 | 180 r·min-1 | 200 r·min-1 | 240 r·min-1 | ||
GBW07413a | 42±5 | 34.8 | 37.9 | 39.1 | 39.8 | 40.3 |
GBW07458 | 33±4 | 27.4 | 31.8 | 34.2 | 34.3 | 36.1 |
GBW07460 | 27±4 | 21.0 | 27.5 | 28.1 | 29.7 | 30.3 |
GBW(E)070333 | 117±13 | 99.7 | 109 | 115 | 121 | 134 |
GBW(E)070334 | 72±10 | 60.5 | 68.1 | 74.4 | 76.3 | 84.6 |
GBW(E)070340 | 11.9±1.0 | 9.74 | 11.4 | 12.0 | 12.3 | 12.4 |
2.4 谱线选择及光谱干扰验证
利用ICP-OES测定有效硫在谱线的选择上不仅要考虑元素的灵敏度，更要关注待测元素与其他元素之间的谱线干扰情况，从而降低光谱干扰，提高检测能力。ICP-OES测定S灵敏度较高的波长有180.669nm、181.972nm、182.562nm等3条谱线，其余谱线相对响度低，受仪器灵敏度的制约，不适宜建立分析方法。
为了验证光谱干扰，本次实验研究选取镍、钴和锰的标准溶液10、20和50 mg·L-1，分别考察不同含量的镍、钴和锰在180.669nm、181.972nm和182.562nm分析谱线对有效硫测定的影响，测试结果见表6。可见，钴在3条谱线处对有效硫的测定均无干扰，镍对分析谱线180.669nm有一定影响，锰对分析谱线180.669nm和181.972nm有一定影响，在实际样品的分析过程中，由于样品的复杂性，需考虑锰对有效硫检测的影响。故在分析中，选取谱线182.562nm为分析波长。
表6 不同含量的镍、钴和锰对硫在不同波长处对有效硫测定的影响
波长 | S测定值/（mg·L-1） | ||||||||
Ni | Co | Mn | |||||||
10 | 20 | 50 | 10 | 20 | 50 | 10 | 20 | 50 | |
180.669 | 0.002 | 0.005 | 0.012 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.015 | 0.036 | 0.089 |
181.972 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.023 | 0.051 | 0.127 |
182.562 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
2.5 方法质量评估
2.5.1 校准曲线和检出限
ICP-OES法以硫的质量浓度为横坐标，以相应的发射强度为纵坐标，以线性回归的方式，在波长182.562nm下按照测定步骤测定工作曲线。结果表明，当硫含量的线性范围为0~ 30 mg/L 时，相关系数r> 0.999。
分别选取酸性土壤、中性及石灰性土壤中，土壤有效硫含量在预估检出限3倍左右的样品各1份，按照上述实验方法的全部步骤及仪器条件，各自进行7次平行测定。以3.143乘以7次平行测定的标准偏差为方法检出限，结果见表7。当称样量10.00 g，定容体积为50 mL时，酸性土壤有效硫的检出限为0.76 mg/kg，碱性土壤有效硫的检出限为0.80 mg/kg，二者结果基本一致，均小于或等于0.80 mg/kg，故土壤有效硫的方法检出限为0.80 mg/kg。
表 7 方法检出限数据
分析项目 | 测定结果/（mg·kg-1） | 标准偏差/ （mg·kg-1） | 检出限/（mg·kg-1） | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |||
酸性土壤 | 3.64 | 3.25 | 3.01 | 3.14 | 3.13 | 3.72 | 3.55 | 0.242 | 0.76 |
中性及石灰性土壤 | 2.51 | 2.66 | 2.14 | 2.88 | 2.47 | 2.24 | 2.36 | 0.252 | 0.80 |
2.5.2 方法精密度和正确度
为了验证方法的精密度，对pH4.76~8.50、含量11.9~117 mg/kg的6个标准物质的土壤样品，按照上述方法对样品进行12次平行测定，计算测定值的相对标准偏差（RSD）、相对误差（|RE|），结果见表8。可知，RSD为2.32%～4.45%，精密度较高。定值均在国家标准物质不确定度范围内，|RE|为0.07%～7.19%，正确度较高。
表8 方法精密度和正确度测试数据
认定值与不确定度/（mg·kg-1） | 平均值/（mg·kg-1） | RSD/% | |RE|/% | |
GBW07413a | 42±5 | 39.3 | 2.32 | 6.55 |
GBW07458 | 33±4 | 35.0 | 2.64 | 6.19 |
GBW07460 | 27±4 | 28.9 | 3.26 | 7.19 |
GBW(E)070333 | 117±13 | 117 | 4.45 | 0.07 |
GBW(E)070334 | 72±10 | 77.0 | 2.67 | 6.97 |
GBW(E)070340 | 11.9±1.0 | 12.1 | 4.03 | 1.40 |
3 结 论
方法优化了恒温振荡浸提－电感耦合等离子发射光谱法测定土壤中有效硫的浸提温度、提取时间、振荡频率，确定浸提温度为22±2min，提取时间为1h，振荡频率为180±20rmin-1，过滤后用ICP-OES测定，分析波长为182.562nm。用国家有证标准物质对该方法进行验证，方法精密度满足土壤样品中有效硫的分析要求，测定结果均在标准物质不确定度范围内。
参考文献
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