比浊法快速测定土壤中速效钾的研究进展

杨张青，辛银平，赵晴，王猛，秦一浪，胡峰，李国强

（1河南省农业科学院农业信息技术研究所，郑州 450008；2河南省智慧农业工程技术研究中心，郑州 450008；3郑州大学环境技术咨询工程有限公司，郑州 450002）

0 引言

钾是作物生长发育必须的大量元素之一，与氮、磷同样重要，对植物生长发育起着独特的生理功能作用，对作物的高产、优质和抗逆性有着举足轻重的作用[1-3]。土壤中钾素可分为4 种状态：含钾矿物或受结构束缚的难溶性钾、非代换性迟效钾、代换性钾和水溶性钾，后2种为速效钾[4-5]。土壤全钾含量一般在2%左右，高的可达3%～4%，低的可达0.1%～0.4%[6]；其中难溶性钾约占90%～98%，迟效钾占2%～8%，速效钾占0.1%～2%[7]。土壤全钾量的变化在理论上能准确反映土壤钾素变化，但土壤全钾量远高于土壤中速效钾量，其取样或测定误差即可掩盖土壤速效钾量的变化；再者，植物所能利用的钾是以水溶性及代换性状态存在的钾。因此，土壤中速效钾才能真正反映对植物的供钾情况，及时测定土壤中速效钾浓度变化，能够很好地指导钾肥的施用[8]。钾的定量检测常用方法分为化学分析法和仪器分析法。化学分析法常用四苯硼钠重量法和容重法，其中容重法主要包括四苯硼钠容重法、亚硝酸钴钠容重法、苦昧酸法、氯铂酸法和高氯酸法等；仪器分析法包括冠醚—双苦胺萃取分光光度法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、火焰光度计法、X 射线荧光谱法、中子活化法、电化学分析法（钾电极法、示波极谱滴定法）、离子色谱法及电感耦合等离子体发射光谱法等[9-12]。近年也有通过高光谱、TASI 热红外、激光诱导击穿光谱法对土壤全钾、速效钾进行反演预测[13-17]，但土壤速效钾预测结果尚不理想。速效钾通常使用原子吸收分光光度计或火焰光度计法[18]，原子吸收分光光度计测定各种浸出液中钾的含量非常理想，精度高于各种化学分析法，但是仪器价格昂贵，体型较大，送检样收费较高，不适合基层或流动检测车测土施肥推广使用；火焰光度计法是仪器分析法中钾含量测定成熟方法之一，其价格依然较高，且汽油、液化气等燃料不适于流动检测车携带和基层使用，对操作人员的技术水平也有一定的要求。为了满足基层测土配方施肥需求，寻找一种低成本准确测定土壤速效钾的简便方法，对准确评价农田土壤钾素耗竭速率、指导钾肥的合理分配和平衡施用及预测中国钾肥市场需求均具有重要意义。四苯硼钠比浊法是一种经典的检测土壤中速效钾的方法[19-21]，但由于其用甲醛来掩蔽待测液中铵根离子造成环境污染。因此，笔者基于四苯硼钠比浊原理，采用联合浸提技术，以NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA 为浸提剂，用硫酸铜掩蔽铵根离子，对比浊法进行了深入研究，实现快速、低剂量土壤中速效钾、有效磷、铵态氮和硝态氮的测定，后三者非本文研究重点不再赘述。同时与1.0 mol/L 醋酸铵浸提—火焰光度法[22]做比对，结果理想，可推广应用。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

室内试验于2022年8月6日—2023年1月20日在河南省农业科学院农业农村部黄淮海智慧农业技术重点实验室进行。

1.2 试验材料和仪器

NK-S1000型土壤养分快检仪（自主研制）；ZD-85型双功能气浴恒温振荡器。

碳酸氢钠— 硫酸钠— 氢氧化钠—DTPA(NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA)浸提剂：在烧杯中依次加入21.20 g NaHCO3，52.20 g Na2SO4，2.00 g NaOH，1.98 g DTPA，用水溶解，继续加水稀释至约950 mL，调节酸碱度至pH 8.6±0.1，转移至1 L 容量瓶中，用水定容至刻度，其中NaHCO3、Na2SO4、NaOH、DTPA 的摩尔浓度分别为0.2524、0.3675、0.050、0.005 mol/L。

氢氧化钠溶液：取80.00 g NaOH用水溶解并定容至1 L，配制成2.00 mol/L氢氧化钠溶液。

硫酸溶液：取100 mL浓硫酸用水稀释至1 L，配制成1.80 mol/L硫酸溶液。

硫酸铜溶液：取5.00 g CuSO4·5H2O 用1.80 mol/L硫酸溶液溶解并定容至1 L，配制成0.02 mol/L硫酸铜溶液。

乙二胺四乙酸二钠溶液：取67.24 g 乙二胺四乙酸二钠并用2.00 mol/L氢氧化钠溶液溶解并定容至1 L，配制成0.20 mol/L乙二胺四乙酸二钠溶液。

四苯硼钠溶液：取64.85 g四苯硼钠用水溶解并定容至1 L，配制成0.20 mol/L四苯硼钠溶液。

活性炭：用Na2CO3—NaHCO3—Na2SO4浸提剂洗脱氮磷钾并烘干后备用。

土壤速效钾标准储备液：100 mg/L，以氧化钾计。

土壤速效钾标准溶液系列：取适量钾标准储备液，用Na2CO3—NaHCO3—Na2SO4浸提剂逐级稀释配制成0、1.2500、1.5625、2.1875、2.500、3.1250、4.3750、5.0000、6.2500、7.5000、8.7500、10.0000、12.5000、15.0000、17.5000、20.0000、25.0000、30.0000 mg/L 钾标准溶液系列。

试剂均为分析纯，水为二次去离子水。

1.3 仪器工作条件

工作温度范围5～35℃；湿度范围20%～80%；直流电源电压为12 V。

1.4 试验方法

1.4.1 检测步骤取2.00 g 风干土样或2.00×（1＋土壤百分含水量）g 新鲜土样于土壤浸提瓶中，加入40 mL NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA浸提剂和0.5 g活性炭，于温度为25℃、频率为220次/min气浴恒温振荡器上往复振荡5 min，然后过滤于干燥的三角瓶中，即为土壤速效钾待测液。取2 mL 土壤速效钾待测液于一个干净小反应瓶中，依次加入0.02 mol/L 硫酸铜溶液100 μL，0.20 mol/L 乙二胺四乙酸二钠溶液300 μL，0.20 mol/L四苯硼钠溶液300 μL，摇匀，静止10 min后上机测定。随同试验做空白。

1.4.2 统计分析采用Excel 软件进行数据处理分析，Origin进行绘图。

2 结果与分析

2.1 吸收光谱

按试验方法，测定质量浓度为10 mg/L 土壤速效钾标准溶液在380～760 nm区间的浊度光谱曲线，结果表明：浊度溶液没有明显的最大吸收波长，本试验选择相对平滑的680 nm作为测定波长（图1）。

图1 吸收光谱

2.2 试验条件的选择

2.2.1 体系酸碱度 按试验方法，测定质量浓度为10 mg/L土壤速效钾标准及空白溶液的吸光度差值(△A)，结果表明：体系的酸碱度直接影响浊度大小，酸碱度分别为pH 8～14 和pH 1～3 时吸光度差值较大，pH 5～6时浊度较小，考虑到强碱体系中浊度液更稳定，同时考虑到2.3干扰试验中消除铵根离子对体系的干扰，本试验选择体系pH 11～14之间（图2）。

图2 体系酸碱度选择

2.2.2 浊度液稳定时间按试验方法，测定质量浓度为10 mg/L 土壤速效钾标准及空白溶液的吸光度差值，反应体系浊度时间从0～15 min 的吸光度差值变化情况表明：浊度反应在前5 min内有一个较大的吸收峰，之后曲线逐渐趋于平缓，形成较为稳定的四苯硼钾白色浊度溶液，浊度液在放置6 min 后吸光度差值基本趋于稳定，本试验选择上机时间为10 min 进行测试（图3）。

图3 浊度液稳定时间选择

2.2.3 浊度剂浓度和用量在试验条件下，考察了浊度剂用量对溶液吸光度的影响，结果表明：0.20 mol/L四苯硼钠溶液用量在250～350 μL时，溶液吸光度比较稳定，本试验选择浊度剂用量为300 μL（图4）。

图4 浊度剂用量选择

2.3 干扰试验

钾离子与四苯硼钠溶液形成四苯硼钾白色浑浊液，在适量四苯硼钠条件下，可通过分光光度法来进行定量检测。但铵根离子也会与四苯硼钠形成浑浊影响检测结果，因此消除或掩蔽铵根离子对体系的干扰非常重要。首先，选择强碱体系，铵根属于弱离子，水解反应生成一水合氨和氢离子，氢离子与氢氧根反应从而推动铵根的水解，故铵根不能在碱性溶液中大量存在。其次，铜离子在碱性条件下与铵根络合生成铜氨络离子，从而消除铵根对钾测定的干扰。按试验方法对30 mg/L 钾标准溶液进行铵根干扰测定，当相对误差在±5%时，铵根的允许量为30 mg/L。

2.4 工作直线和检出限

按试验方法对系列标准溶液进行浊度反应，以吸光度为纵坐标，土壤速效钾标准溶液浓度为横坐标，建立工作直线，土壤速效钾标准溶液的质量浓度在1.25～30 mg/L 范围内服从朗伯比耳定律，线性回归方程为A=0.0454ρ-0.2291，相关系数为0.9996，方法检测限(0.01/b)为0.22 mg/L。

2.5 精密度和回收试验

按试验方法对土样速效钾低、中、高、极高4 个浓度水平进行加标回收试验，每个浓度水平做6个平行样，计算回收率和测定值的RSD。表1的数据显示，土壤中速效钾的回收率为90.71%～109.14%，测试的相对标准偏差为2.61%～4.32%，表明该方法测值准确度较高。

表1 精密度和回收试验结果(n=6)

2.6 2种方法的对比

本方法按照1.3进行试验操作。火焰光度计法：称取通过1 mm孔径筛的风干土试样5 g（精确至0.01 g）于200 mL 塑料瓶中，加入50 mL 乙酸铵溶液，盖紧瓶盖，在20～25℃下，150～180 r/min振荡30 min，过滤，滤液直接在火焰光度计上测定。同时做空白试验。

取新疆10 个土样、内蒙古5 个土样、四川德阳20个土样、湖南怀化市（鹤城区、新晃县、芷江县、通道县、中方县、靖州县）60个土样、河南三门峡30个土样和驻马店36个土样，共计161个土样，按试验方法对土样中速效钾进行测定，并与NY/T889—2004《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》中火焰光度计法检测土壤速效钾进行对比，结果见图5。以火焰光度计法测定值为横坐标，以本法测得值为纵坐标建立线性回归方程为y=0.6437x-3.5714，相关系数r为0.9732，表明本方法与火焰光度法检测土壤中速效钾的测定值达到了极显著水平(n=161，P<0.01)。

图5 2种检测方法相关性

表2结果表明：本方法土样测定最小值为4.27 mg/kg，最大值为509.12 mg/kg；新疆、内蒙古、四川德阳、湖南怀化、河南三门峡和驻马店的土壤速效钾平均值分别为214.28、156.75、99.36、43.93、81.11、181.72 mg/kg，由低到高分别为湖南怀化＜河南三门峡＜四川德阳＜内蒙古＜河南驻马店＜新疆，基本呈现南低北高趋势。河南三门峡30 个土样速效钾测定值区间范围为50.28～149.03 mg/kg；变异系数为25.78%，远低于其他区域土样变异系数47.86%～73.25%，因此导致平均值偏低。建议同区域选择变异系数大于50%的土壤样本将更具有代表性。

表2 样品分析结果(n=3)

3 结论与讨论

3.1 讨论

本研究速效钾工作直线中标准溶液的质量浓度为1.25～30 mg/L，方法检测限为0.22 mg/L；土壤速效钾待测液水土比为20:1，换算为土壤速效钾工作直线的线性区间为25～600 mg/kg，检出限为4.4 mg/kg。据文献报道，广东省连州市九陂镇白石村土壤速效钾平均含量95.25±13.91 mg/kg[23]。云南洱海流域2011—2020年植烟土壤速效钾的平均值为192.0 mg/kg[24]。贵州省桐梓县研究区耕地表层土壤速效钾含量范围为22.40～684.00 mg/kg，平均值为112.66 mg/kg[25]。陕西省农田土壤速效钾含量范围为55～301 mg/kg，平均值为181 mg/kg[26]；陕西省苹果主产区土壤速效钾含量平均值为160.4 mg/kg[27]。河南宿州市萧县、砀山县、灵璧县、泗县和埇桥区耕地土壤速效钾平均值为149.37 mg/kg[28]；洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾含量平均值为184.36 mg/kg[29]。内蒙古通辽市农田土壤的速效钾含量为133 mg/kg[30]。以上六地报道中土壤速效钾含量平均值范围为81.34～192.0 mg/kg；最大值为684.00 mg/kg，与本方法土壤速效钾测定区间相符，满足实际使用要求。

3.2 结论

以NaHCO3—Na2SO4—NaOH—DTPA 为浸提剂，用硫酸铜掩蔽铵根离子，对土壤中速效钾进行比浊法快速测定，既克服了常规仪器价格昂贵、送检样收费较高的问题，又避免了经典比浊法中用甲醛掩蔽铵根离子带来的环境污染，同时，该法实现了氮磷钾联合浸提，大大节约了测试时间。本方法为及时快速反映土壤速效钾变化情况提供了检测手段，可指导田间钾肥平衡施用。因此，可以作为快检方法推广使用。