基体效应对火焰光度计测定土壤和植株钾素含量准确性的影响

任嘉欣，杨文娜，李忠意，*，胡艳燕

(1.西南大学 资源环境学院，重庆 400716； 2.重庆市风景园林科学研究院，重庆 401329)

钾是植物必需的大量营养元素之一，对植物生长、农产品品质和农业发展均有重要影响[1-3]。因此，准确测定土壤、肥料和植株中各种形态的钾素含量就显得尤为重要[4]。随着仪器分析技术的发展，钾素的测定方法由早期的化学分析法(四苯硼钠滴定法、亚硝酸钴钠法和冠醚测定法)发展到现在的以仪器分析法(离子选择性电极法、电感耦合等离子体光谱法、原子吸收分光光度法和火焰光度法)为主[5-7]。仪器分析方法中，火焰光度法所使用的火焰光度计是一种最简单的直读式原子发射光谱仪，通常以液化气作为使待测元素原子化和激发的燃气[6]。但液化气的火焰温度较低，不能满足大多数元素的原子化和激发条件，只适用于激发能较低的碱金属元素和部分碱土金属元素的测定。

火焰光度计结构简单、价格低廉，在农业领域钾素测定中的应用极其广泛[8-11]：国家标准(GB 9836—88 《土壤全钾测定法》)、农业行业标准(NY/T 889—2004 《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》、NY/T 2540—2014 《肥料钾含量的测定》、NY/T 2420—2013 《植株全钾含量测定》)和林业行业标准(LY/T 1254—1999 《森林土壤全钾、全钠的测定》、LY/T 1235—1999 《森林土壤缓效钾的测定》、LY/T 1236—1999 《森林土壤速效钾的测定》)等标准中均规定或建议采用火焰光度计测定土壤、植株或肥料中各种形态钾素的含量。

在使用火焰光度计测定钾素含量时，必须消除由于标准溶液和样品待测液间基体不一致所产生的基体效应干扰。基体效应干扰会使测得的样品钾素含量存在误差。虽然国家标准和行业标准，以及大部分土壤分析类的书籍或手册均在实验步骤中明确说明了钾素测定中须保证标准曲线基体和样品基体的一致性，以减小基体效应干扰带来的误差[5，8]；但是，在实际的土壤分析工作中仍有部分研究者未注意到基体效应对土壤钾素测定的干扰，为了实验操作的便捷，无论是土壤还是植株样品中何种钾素形态的测定，均在配制K标准溶液时直接采用纯水定容，以纯水作为标准溶液的基体[12]。这种基体的不一致到底能对土壤或植株钾素测定产生多大的干扰，目前仍缺乏明确的定量研究报道。为此，本研究在保证实验准确度的前提下，定量研究了不同钾素测定指标(土壤水溶性钾、土壤速效钾、土壤缓效钾、土壤全钾和植株全钾)在K标线以纯水为基体时所产生的误差，明确了不同基体种类和不同稀释倍数条件下基体效应对测定的干扰，以期为相关实验操作提供参考与借鉴，保障检测结果的准确性。

1 材料与方法

1.1 供试标准样品

供试的标准物质包括：ASA-3a(GBW07414a，四川紫色土)和ASA-9(GBW07460，陕西黄绵土)2个土壤有效态成分分析标准物质，用于土壤水溶性钾、速效钾和缓效钾的测定；GSS-7(GBW07407，砖红壤)和GSS-8(GBW07408，黄土)2个土壤成分分析标准物质，用于土壤全钾的测定；GSV-2(GBW07603，灌木枝叶)植物成分分析标准物质，用于植株全钾的测定。

1.2 样品钾素含量测定

1.2.1 样品前处理

土壤水溶性钾的前处理(纯水浸提法)：称取10.00 g土样于100 mL三角瓶中，加入50 mL去离子水，振荡5 min，过滤后获得滤液。

土壤速效钾的前处理(NH4Ac浸提法)：称取5.00 g土样于150 mL三角瓶中，加入50 mL 1 mol·L-1NH4Ac溶液，振荡20 min后过滤。

土壤缓效钾的前处理(热HNO3浸提法)：称取2.50 g土样于150 mL三角瓶中，加入25 mL 1 mol·L-1HNO3溶液，加弯颈小漏斗，在电炉微沸10 min后趁热将溶液过滤至100 mL容量瓶中，冷却后定容。

土壤全钾的前处理(NaOH熔融法)：称取0.200 0 g土样平铺于镍坩埚底部，加入3滴无水乙醇润湿土样，加入2 g固体NaOH平铺于土样表面。将镍坩埚放置在盘式电炉上进行低温预熔融，冷却后转入马弗炉，在720 ℃下加热保持15 min，冷却后将熔块用热纯水转移至100 mL容量瓶，加入10 mL 4.5 mol·L-1H2SO4以中和碱度，待溶液冷却后用纯水定容。

植物全钾的前处理(H2SO4-H2O2消煮法)：称取0.500 0 g植物样品于100 mL三角瓶中，加入浓硫酸5 mL，加入几滴30%(体积分数) H2O2，用电炉加热微沸5 min，冷却后再加入几滴30% H2O2，继续加热，如此反复消煮至溶液完全清亮。将消化好的溶液转移至50 mL容量瓶，冷却后定容。

所有样品均进行5次以上的平行实验，同时进行空白实验。

1.2.2 样品待测液的准备

根据样品中钾素的含量，将前处理好的溶液(制备液)按一定的倍数进行稀释，以使稀释后的待测液中钾含量处于火焰光度计的最佳检测范围内：土壤水溶性钾，直接测定制备液(稀释倍数为1)；土壤速效钾，吸取5 mL制备液至25 mL容量瓶中，用纯水定容待测(稀释倍数为5)；土壤缓效钾，吸取5 mL制备液至25 mL容量瓶中，用纯水定容待测(稀释倍数为5)；土壤全钾，土样GSS-7直接测定原液(稀释倍数为1)，土样GSS-8吸取5 mL制备液至25 mL容量瓶中，用纯水定容待测(稀释倍数为5)；植株全钾，吸取2 mL制备液至50 mL容量瓶中，用纯水定容待测(稀释倍数为25)。

1.3 火焰光度计操作步骤

本研究中测定钾素含量的仪器为FP640型火焰光度计(上海傲谱分析仪器有限公司)。仪器的操作过程如下。

(1)开机。打开火焰光度计电源，选择待测元素为K，打开空气压缩机电源，待空气压缩机压力稳定后(0.25 MPa)打开液化气罐阀门，点火，调节燃气速率，使火焰呈三角锥形，预热20 min。

(2)调标。由于仪器所能显示的电信号值最大为200，最低为0。为减少测量误差，既要尽可能地使低浓度溶液能获得较大的电信号值，又得保证高浓度溶液的电信号值不超过200，使溶液钾浓度与仪器所能显示的电信号值之间建立最佳的对应关系。待仪器稳定后，测量浓度为0的K标准溶液，调节仪器面板上的“低标”旋钮，使显示的电信号值为0；测定浓度一定的K标液，调节仪器面板上的“高标”旋钮使显示的电信号值为一特定值。

(3)测定。先测定K系列标准溶液的电信号值，再测定样品的电信号值。

(4)关机。测定结束后，关闭液化气罐阀门，待火焰熄灭后关闭空气压缩机和火焰光度计电源。

1.4 火焰光度计最佳检测范围的确定

以纯水为基体，配制浓度为0、1、3、5、7、10、15、20、25、30、35、40、50 mg·L-1的钾标准溶液。按火焰光度计操作步骤测定不同浓度K标液的电信号值。“高标”调节时将10 mg·L-1的K标液电信号调至40。

1.5 不同基体标准溶液的测定

1.5.1 不同基体的系列浓度(0、1、3、5、7 mg·L-1)K标准溶液

分别准确吸取0、1、3、5、7 mL 100 mg·L-1的K标准母液于100 mL容量瓶中，用纯水定容即得水溶性K标液；用1 mol·L-1NH4OAc溶液定容即得速效K标液；加入5 mL 1 mol·L-1HNO3后用纯水定容即得缓效K标液；加入5 mol·L-1NaOH+4.5 mol·L-1H2SO4混合溶液2 mL后用纯水定容，得土壤全K标液1，该标液基体与土样GSS-8待测液的基体相同；加入5 mol·L-1NaOH+4.5 mol·L-1H2SO4混合溶液10 mL后用纯水定容，得土壤全K标液2，该标液基体与土样GSS-7待测液的基体相同；加入植株K空白处理的制备液4 mL，纯水定容，即得植株K标液。

“高标”调节时将基体为水的7 mg·L-1的K标液电信号调至70，依次测定不同基体的系列浓度K标准溶液的电信号值，然后再测定样品待测液的电信号值。

1.5.2 不同基体浓度的15 mg·L-1K标准溶液

速效钾：准确吸取15 mL 100 mg·L-1的K标准母液于100 mL容量瓶中，分别用1 mol·L-1NH4OAc溶液定容和分别加入20、10、4 mL的1 mol·L-1NH4OAc溶液用纯水定容，这样获得的15 mg·L-1K标准溶液的基体与速效K样品待测液稀释1、5、10、25倍的基体相同。

缓效K：准确吸取15 mL 100 mg·L-1的K标准母液于100 mL容量瓶中，分别加入25、5、2.5、1 mL的1 mol·L-1HNO3溶液后用纯水定容，这样获得的15 mg·L-1K标准溶液的基体与缓效K样品待测液稀释1、5、10、25倍的基体相同。

土壤全K：准确吸取15 mL 100 mg·L-1的K标准母液于100 mL容量瓶中，分别加入10、2、1 mL的5 mol·L-1NaOH+4.5 mol·L-1H2SO4混合溶液，纯水定容，这样获得的15 mg·L-1K标准溶液的基体与土壤全K样品待测液稀释1、5、10倍的基体相同。

植株全K：准确吸取15 mL 100 mg·L-1的K标准母液于100 mL容量瓶中，加入植株K空白处理的制备液20、10、4 mL，纯水定容，这样获得的15 mg·L-1K标准溶液的基体与植株全K样品待测液稀释5、10、25倍的基体相同。

“高标”调节时将基体为水的15 mg·L-1的K标液电信号调至150，依次测定不同基体浓度K标准溶液的电信号值。

不同基体和浓度的K标准溶液均进行3次以上的平行实验。

1.6 数据处理

利用Excel 2010软件和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析。文中数据表示方式为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 仪器测量的准确性验证

图1 基体为水时不同浓度K标液的电信号值Fig.1 Signals of K+ standard solutions when matrix is deionized water

为获得准确的测量结果，需要先确定火焰光度计的最佳检测范围。测量基体为水、浓度为0～50 mg·L-1的钾标准溶液的电信号值(图1)。可以看出，当钾标液的浓度小于10 mg·L-1时，钾标液浓度与测得的电信号值间具有极好的线性关系(R2=0.999 8)。但随着溶液中K+浓度的进一步升高，K+浓度与电信号间不再呈线性关系，测得的电信号值与溶液K浓度间的倍数关系逐渐降低。这是由于“自吸收干扰”的存在使得测得的电信号强度不再随待测元素浓度的增加而线性增加。自吸收干扰是火焰光度计等原子发射光谱仪分析的主要干扰，它是由于基态自由原子激发后产生的光辐射通过含有相同元素的原子蒸气时，被同元素的基态原子吸收，而使谱线的强度减弱(这种现象被称为“自吸收现象”)。自吸收干扰的存在决定了原子发射光谱分析的检测上限。由于自吸收干扰的存在，原子发射光谱的定量分析只能控制在一定的浓度之下。本研究中测定钾标液的线性范围为0～10 mg·L-1，当K标准溶液和待测液中的K+含量在此浓度范围内时，才有可能获得准确的测定结果。

在确定仪器的最佳测量范围后，测量不同基体K标液的电信号值(图2)。可以看出，各基体的系列K标液均具有极好的线性关系，决定系数(R2)均大于0.999。不同基体间K标线的斜率不同，可见相同浓度的K标液在不同基体条件下测得的电信号值存在一定的差异。根据各基体K标液的标准曲线和对应相同基体待测液的电信号值计算得到标准样品的各种形态钾素含量(表1)。测得的标准样品钾素含量和标准认定值具有极好的一致性，样品回收率在90.7%～111%。说明在火焰光度计的最佳测定范围内，当不存在基体效应干扰时，所测得的标准样品钾素含量具有极好的回收率，证明本研究中包括样品前处理和待测液测定在内的所有实验步骤和后续的结果计算均是准确的，可以用于进一步研究和分析基体效应干扰对土壤和植株钾素测定的影响。

图2 不同基体下K标液的电信号值Fig.2 Signals of K+ standard solutions with different matrixes

2.2 不同钾素形态基体的电信号差异

从图2可以看出，不同基体钾标液的斜率从大到小依次为水溶性钾>速效钾>缓效钾>土壤全钾1>植株全钾>土壤全钾2，其中速效钾和缓效钾的斜率差异不大。在相同的钾标液浓度条件下，测得的水溶性钾基体电信号值均高于其他基体。因此，在土壤或植株钾素测定工作中，若钾的标准溶液均以纯水为基体，则可能产生较大的负误差。对图2的数据做进一步处理，获得不同基体钾标液的电信号误差值(纯水基体-其他基体)和相对误差值[(纯水基体-其他基体)/其他基体](图3、图4)。可以看出，在非水溶态钾素的测定中，若以纯水作为标准溶液的基体，会使标准溶液测得的电信号值产生正误差，且误差随着钾标准溶液浓度的增大而增大。不同形态钾素测定以纯水作为标液基体时导致的误差大小不同，从大到小依次为土壤全钾2>植株全钾>土壤全钾1>缓效钾>速效钾(图3)。标液基体差异产生的相对误差大小随K+浓度变化的关系如图4所示。

表1 标准样品的钾素含量测定结果

Table1Content of K in different standard samples

指标Index水溶性钾Water soluble K/( mg·kg-1)ASA-3aASA-9速效钾Rapidly available K/(g·kg-1)ASA-3aASA-9缓效钾Slowly available K/(g·kg-1)ASA-3aASA-9土壤全钾(K2O)Total K of soil(K2O)/(g·kg-1)GSS-7GSS-8植株全钾Total K ofplant/(g·kg-1)GSV-2标准认定值36±529±50.38±0.030.33±0.020.88±0.081.2±0.22.0±0.224.2±0.49.2±1.0Certified value测得结果(n=5)36.5±0.428.3±0.40.349±0.0030.323±0.0040.890±0.0121.18±0.012.00±0.0924.5±0.59.99±0.20Measured value回收率(n=5)Recovery rate/%99.6～10295.6～98.990.7～92.496.6～98.599.6～10297.5～99.497.0～10898.1～103106～111

图3 纯水基体K标液与其他基体K标液的电信号差值Fig.3 Variation of signals between K+ standard solution with matrix of water and K+ standard solution with other matrix

图4 纯水基体K标液与其他基体K标液的电信号相对误差Fig.4 Relative error of signal values between standard K+ solution with matrix of water and standard K+ solution with other matrix

当溶液中K+浓度在0～2 mg·L-1时，相对误差随溶液浓度的增加而增加，随后趋于稳定或有微弱降低。当溶液中K+浓度大于2 mg·L-1时，基体差异产生的电信号值相对误差分别约为67%(土壤全钾2)、39%(植株全钾)、28%(土壤全钾1)、18%(缓效钾)和16%(速效钾)。可以看出，测定有效态钾时，基体效应造成的标液电信号值误差和相对误差较低，而测定全量钾素时，基体效应对标液电信号值的影响极大。若本研究中标准样品的钾素含量按基体为纯水的钾标液进行计算，则会产生较大的测量误差(表2)，计算得到的标准样品钾素含量回收率较低(59.1%～93.4%)，相对误差较大(7.4%～39.0%)。

2.3 不同基体稀释倍数的电信号差异

对样品进行前处理获得测定钾素的制备液后，常需要根据火焰光度计的最佳检测范围和样品的钾素含量对制备液进行一定倍数的稀释，使稀释后的待测液中钾素含量恰好处于火焰光度计的最佳检测范围内。由于样品间各形态钾素的含量不一，各待测液的稀释倍数也不相同，因此不同稀释倍数待测液的基体也不相同。以本研究中的制备液为例，标准样品GSS-8的全钾含量较高，待测液的稀释倍数为5倍，而标准样品GSS-7的全钾含量较低，直接以制备液为待测液(稀释倍数为1)，与这2个待测液基体一致的钾标准溶液分别编号为“土壤全钾1”和“土壤全钾2”。从图2～4可以看出，测得的2个基体稀释倍数的全钾标液电信号值差异极大。在植株样品农业化学分析中，由于不同种类、不同部位(茎、根、叶和种子)的钾素含量差异较大，常须对制备液进行5～25倍的稀释。土壤全钾、速效钾和缓效钾待测液的稀释倍数通常在1～25不等。从图5可以看出，不同稀释倍数的不同基体的15 mg·L-1钾标液的电信号值存在一定的差异。相同稀释倍数条件下，不同基体的钾标液电信号从大到小表现为速效钾≈缓效钾>土壤全钾>植株全钾。相同基体的钾标液电信号强度随稀释倍数的增加而增加，其中速效钾和缓效钾基体在稀释倍数大于25倍后，所产生的电信号值与纯水基体接近。但土壤全钾和植株全钾基体在稀释倍数范围内与纯水基体的电信号值仍差异较大。如当基体稀释倍数为10倍时，纯水基体、速效钾基体和缓效钾基体标液的电信号均值分别为150、145和138，而土壤全钾和植株全钾基体标液的电信号值仅为116和106。

表2 当钾标液基体为纯水时测得的各标准样品钾素含量误差

Table2Error of K content in standard samples when matrix of standard K+solutions was water

指标Index速效钾Rapidly available KASA-3aASA-9缓效钾Slowly available KASA-3aASA-9土壤全钾Total K of soil(K2O)GSS-7GSS-8土壤全钾Total K of soil(K2O)GSV-2测定值0.276±0.0020.256±0.0030.815±0.0101.06±0.0121.22±0.05619.2±0.3787.23±0.142Measured value/(g·kg-1)回收率71.7～73.076.8～78.291.3～93.487.6～89.259.1～65.976.9～80.776.5～80.3Recovery rate/%相对误差27.422.47.411.739.020.721.4Relative error/%

3 讨论

火焰光度计中基体效应产生的干扰属于物理干扰，主要是组成样品待测液与标准溶液的离子种类、离子浓度或酸碱度存在差异，使得试样和标准样的黏度、表面张力和相对密度等物理性质不一样，从而使试样和标准样的进样速率和雾化效率不一致而带来干扰[13]。消除基体效应干扰的有效方法是使样品待测液和标准溶液的溶液组成尽量一致[14-15]。本研究结果证明，若钾素样品待测液和标准溶液的基体不一致，会使测得的样品钾含量产生较大的负误差。陈嘉勋等[16]在分析酸度对火焰光度计测定食品中钾、钠含量的影响时发现，硝酸和高氯酸均会对测定结果产生干扰，只有当标准曲线和样品待测液酸度匹配时或待测液酸度小于1.0%时，酸度造成的基体效应干扰才能忽略不计。相比于土壤速效钾和缓效钾基体标液的电信号值，土壤全钾和植株全钾基体标液的电信号值与纯水基体钾标液的电信号值差异更大。这是由于土壤全钾和植株全钾溶液基体中含有密度和黏度较高的盐和H2SO4，在相同的仪器条件下，样品的进样速率和雾化效率更低，从而使测得的电信号强度更低。王敬等[6]在研究火焰光度计抗酸干扰时也得出，不同酸对火焰光度计电信号影响的大小关系为H2SO4>HCl>HNO3，可见H2SO4产生的基体效应干扰极大。随着待测液稀释倍数的增加，待测液的基体浓度减小，基体效应干扰降低[17]。如速效钾待测液在稀释10倍时，基体效应干扰基本消失。但在通常的稀释倍数范围内，土壤全钾和植株全钾待测液与纯水基体钾标液间仍存在较大的基体效应干扰。

尽管增加待测液的稀释倍数能够降低基体效应干扰，但待测液的稀释倍数并不能随意增加，而是由制备液中K+含量和火焰光度计的最佳检测范围共同确定的。通常，只有当制备液中元素浓度足够高时方可进行稀释[18]。此外，计算得到的样品中的钾素含量由待测液电信号强度、稀释倍数和样品称样量等因素共同决定。因此，基体效应干扰引起的样品钾素含量的测定误差可能比测得的电信号误差更大。与其他行业的钾素测定不同，在农业化学分析中，需要测定土壤、植株和肥料等样品中各种形态的钾素含量，测定指标多，溶液基体组成复杂，基体浓度倍数存在一定差异。在采用火焰光度计测定样品钾素含量时，为消除基体效应产生的干扰，必须保证钾标准溶液的基体与待测液的基体相同。对于不同形态钾素的测定，应分别配制含相应形态钾素基体的标准溶液；当待测液钾素含量过高需要进行稀释时，钾标准曲线也应含有同样稀释倍数的基体。

4 结论

标准溶液和待测液基体不同而导致的基体效应会对土壤和植株中各种形态钾素的测定产生较为严重的干扰。本研究表明，受基体黏度、表面张力和相对密度等因素的影响，不同形态钾素基体的电信号值从大到小依次为水溶性钾>速效钾>缓效钾>土壤全钾1>植株全钾>土壤全钾2。不同形态钾素以纯水基体为标准曲线时，会产生较大的负误差，电信号值的相对误差大小分别为67%(土壤全钾2)、39%(植株全钾)、28%(土壤全钾1)、18%(缓效钾)和16%(速效钾)。速效钾和缓效钾基体在稀释倍数大于25倍后，基体效应干扰影响较小，但土壤全钾和植株全钾基体制备液在1～25倍的稀释倍数范围内与纯水基体的电信号值仍差异较大。在采用火焰光度计测定样品钾素含量时，为消除基体效应产生的干扰，应当保证钾标准溶液的基体与待测液相同。