摘 要： 建立了沸水提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中有效硼。称取样品10.0 g，过250 μm筛风干，置于石英三角瓶中，加入20.00 mL的提取剂（符合GB/T 6682规定的一级水，水中铁的质量浓度不大于10 mg/L），沸水浴浸10 min，回流冷凝5 min，滤液采用离心过滤，选择硼249.773 nm为分析谱线，用ICP-AES法测定土壤有效硼。经3种土壤标准物质和3种土壤样品验证，土壤有效硼质量浓度在0～2.0 mg/L范围内与光谱强度的线性关系良好，相关系数为0.999 9，方法检出限为0.003 mg/kg，定量限为0.012 mg/kg，测定值的相对标准偏差为2.16%～6.46%（n=8），相对误差为1.01%～2.45%。当有效硼质量分数小于0.50 mg/kg时，测定值的最大偏差为0.05 mg/kg；当有效硼质量分数大于0.50 mg/kg时，测定值的最大偏差为0.06 mg/kg，标准物质测定值均在不确定度范围内。该方法检出限低，精密度和准确度较高，可操作性强，适用于批量土壤样品有效硼的测定，质量控制结果满足第三次全国农业土壤普查内业测试和全程质量控制规程的要求。

关键词： 土壤； 有效硼； 电感耦合等离子体发射光谱法； 沸水提取

 

土壤中硼元素是植物正常生长发育不可缺少的营养元素，硼在土壤中的含量随土壤类型的不同有很大差异，全硼含量大约在2～100 mg/kg。土壤中的硼绝大部分被包裹在矿物晶格中或吸附在土壤颗粒的表面，很难被植物直接吸收，对植物来说是无效硼；只有极少量的硼以硼酸形式或硼酸根离子形式存在于土壤溶液中硼(水溶态硼)，才能被植物直接吸收利用，这种形式的硼对植物来说属于有效硼。土壤缺乏有效硼就会造成作物减产，因此准确测试有效硼含量至关重要[1‒4]。目前国家正在开展第三次全国土壤普查(以下简称“土壤三普”)工作，土壤中有效硼参数也是土壤三普要求测试的重要指标，现有规范中有效硼含量的检测流程均比较复杂，准确性也受许多因素的影响[5]。

现有土壤有效硼检测国标有2种方法，第一种方法为沸水提取-甲亚胺-H-比色法，试剂酸性高锰酸钾溶液必须现用现配；甲亚胺的用量、显色缓冲溶液的酸度、显色时的环境温度必须严格控制，实验过程较繁琐。第二种方法为沸水提取-姜黄素-比色法，滤液的放置时间较短(低于3 h)，批量实验时，间隔时间不宜控制；蒸发过程的温度、速度等必须保持一致，显色条件需严格控制，重复性测试的稳定性和准确度不易控制较大，实验过程更加繁琐[6‒8]。

笔者采用沸水提取-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)法(简称“沸水提取-ICP-AES法”)，沸水提取后直接上机测试有效硼，避免比色法的实验条件限制，操作简单，而且灵敏度和准确度较高，稳定性较好，提高了测试效率，适用于批量土壤样品有效硼的检测[9‒16]。

 

1、 实验部分

 

1.1 主要仪器与试剂

ICP-AES仪：iCAP-PRO-X型，美国赛默飞世尔科技公司；

台式低速多管架离心机：TD-5Z型，四川蜀科仪器有限公司。

电子天平：FA2004N型，上海精密仪器科技有限公司。

土壤有效态成分分析标准样品：(1)标准物质编号为ASA-6b-CZ，广东花都灰潮土、酸性土壤，硼质量分数为（0.13±0.04） mg/kg；(2)标准物质编号为ASA-5b-CZ，江西鹰潭红壤、酸性土壤，硼质量分数为（0.26±0.05） mg/kg；(3)标准物质编号为ASA-7a-CZ，黑龙江庆安黑土、碱性土壤，硼质量分数为（0.68±0.08） mg/kg；(4)标准物质编号为ASA-9a-CZ，陕西洛川黄绵土、碱性土壤，硼质量分数为（0.43±0.05） mg/kg；(4)标准物质编号为ASA-1b-CZ，吉林通化棕壤、酸性土壤；(5)标准物质编号为ASA-2b-CZ，河南安阳潮土、碱性土壤；(6)标准物质编号为ASA-3b-CZ，四川简阳紫色土、碱性土壤，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

硼溶液标准物质：1 000 mg/L，标准物质编号为GSB 04-1716-2004，国家有色金属及电子材料分析测试中心和国标（北京）检验认证有限公司。

铁溶液标准物质：1 000 mg/L，标准物质编号为GBW(E) 083185，坛墨质检科技股份有限公司。

硫酸镁、无水碳酸钠、硫酸、硝酸：均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器工作条件

硼测定谱线：249.773 nm；辅助气流量：0.50 L/min；RF功率：1 150 W；冷却器流量：12.5 L/min；泵速：45 r/min；附加气体流量：0 L/min；载气：氩气，体积分数不小于99.999%；载气流量：0.5 L/min；载气压力：0.22 MPa。

1.3 实验步骤

1.3.1 溶液配制

硼标准使用溶液：100 mg/L，吸取25.00 mL硼标准贮备溶液于250 mL塑料容量瓶中，用符合GB/T 6682规定的一级水(无硼水)定容至标线，贮于塑料瓶中。

铁标准使用溶液：100 mg/L，吸取25.00 mL铁溶液标准物质于250 mL塑料容量瓶中，用符合GB/T 6682规定的一级水（无硼水）定容至标线，贮于塑料瓶中。

样品溶液：称取通过2 mm孔径筛的风干土壤样品10.00 g于250 mL石英三角瓶中，加入20.0 mL蒸馏水，轻微晃动三角瓶使土壤分散开，装好回流提取装置，水浴煮沸并保持微沸(从沸腾时准确计时)，移开热源，继续回流冷凝，取下三角瓶，冷却。在煮沸过的样品溶液中加入2滴硫酸镁溶液加速澄清，离心分离5 min[17‒18]，滤液承接于石英杯或者塑料杯中，取上清液作为样品溶液。

同时做空白样品。

1.3.2 校准曲线绘制

分别吸取一定体积的硼标准使用溶液于100 mL容量瓶中，配置制系列硼标准工作溶液，质量浓度分别为0.00、0.05、0.10、0.20、0.40、0.50、1.00、2.00 mg/L，将不同质量浓度硼标准工作溶液按照浓度由低向高顺序注入ICP-AES仪中，有效硼的质量浓度为横坐标，测定信号值为纵坐标，绘制标准曲线。

1.3.3 定量方法

采用ICP-AES法，以标准曲线法对土壤中有效硼进行定量检测。分析前，用硝酸溶液冲洗系统，待仪器的空白强度信号值稳定并降至最低时，建立校准曲线，并在相同条件下分析样品。样品测定过程中，若样品溶液中硼元素浓度超过校准曲线线性范围的最大值，可用一级水(符合GB/T 6682规定)稀释，并根据稀释倍数确定补加等量的硫酸镁溶液后，重新测定。

 

2、 结果与讨论

 

2.1 实验条件优化

2.1.1 水浴提取时间影响

为确定提取时间对土壤有效硼含量的影响，选取标准物质ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3步骤进行提取和测定，考察提取时间对结果影响，提取时间分别为5、10、15、20、30、50 min的土壤有效硼质量分数测定值和回收率见表1。由表1可以看出，提取时间不同，测定结果差异较大，当沸水提取时间为5 min时，结果偏低，样品中有效硼(水溶态硼)没有被完全提取出来；当提取时间为10～15 min时，有效硼(水溶态硼)能充分提取出来，测定结果在标值误差范围之内。若提高提取时间，有效硼(水溶态硼)含量会有增加，但是提取时间太长，会耗费过多时间，降低测试效率，同时硼的非有效态成分(螯合态硼、酸溶性硼等)也可能被提取出来，导致测定值偏高。综上因素考虑，沸水浴提取时间选择10～15 min。

表1   不同水浴提取时间对应的土壤中硼的质量分数测定值

Tab. 1   Determination of mass fraction of boron in soil corresponding to different water bath extraction times

 

2.1.2 分离方式影响

分别选取标准物质ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3步骤进行提取，探究过滤分离和离心分离两种分离方式对结果的影响，测定结果见表2。由表2可以看出，选择离心分离的方式，测定值与证书值基本一致，在误差范围之内；选择滤纸过滤的方式，测定结果偏小或偏大，结果稳定性比较差。选择过滤分离的方式，对含有大量土壤细小颗粒的浑浊液进行过滤分离时，这些颗粒会堵塞滤纸，进而显著延长过滤时间，若因堵塞而中途更换滤纸，更有可能导致待测组分中的有效硼产生损失，从而使最终的测定结果偏低。使用离心机分离待测样品，可减少实验所需的时间，效率较高。综上因素考虑，选取离心分离的方式为佳。

表2   不同分离方式对应的土壤中硼的质量分数测定值

Tab. 2   Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different separation methods

 

2.1.3 回流冷凝时间影响

为确定回流冷凝时间是对土壤有效硼含量的影响，分别选取标准物质ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3步骤进行提取，设定回流冷凝时间分别为0、2、5、10、15 min，测定结果见表3。由表3可以看出,当回流冷凝时间为0、2 min时，测定结果偏小，试样中的有效硼成分尚未完全被提取；当回流冷凝时间为10或15 min时，测定结果偏大，硼的非有效态成分(螯合态硼、酸溶性硼等)也可能被提取出来；当回流冷凝时间为2或5 min时，测定值最接近证书值。综上因素考虑，选取回流冷凝时间为5 min。

表3   不同回流冷凝时间对应的土壤中硼的质量分数测定值

Tab. 3   Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different reflux condensation times

 

2.1.4 谱线干扰影响

光谱干扰主要包括连续背景和谱线重叠干扰。铁249.783 nm谱线和硼249.773 nm谱线接近，考察铁浓度对测定结果的影响，按照1.3步骤进行提取，按照上述各单因素的最优实验条件实验，分别选取标准物质ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，在准备好的待提取溶液中，加入不同浓度的铁标准使用溶液，控制铁的质量浓度分别为5、8、10、15、20 mg/L，测试有效硼含量，考察谱线干扰影响。不同基体介质铁含量对应的土壤中硼的质量分数测定值见表4。由表4可以看出，当提取液中铁的质量浓度为5～10 mg/L时，测定值接近证书值，在标准物质的误差范围之内，铁的干扰影响较小；当提取液中铁的浓度大于10 mg/L时，测定结果偏小，随着铁浓度的增加，干扰影响加大，测试结果降低，因此当提取液中铁的质量浓度大于10 mg/L时，对有效硼测试结果影响较大，测试时需要降低或消除铁的干扰影响，可以考虑更换硼的次灵敏线重新测定或者采用化学分离方法降低铁浓度，达到实验准确目的。

表4   不同基体介质铁含量对应的土壤中硼的质量分数测定值

Tab. 4   Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different matrix media iron contents

 

2.1.5 样品粒度对结果影响

为确保测试结果的准确性，实验室在样品制备环节，将土壤样品制备成250、150、74 μm的细磨样品，考察样品粒度对测定结果的影响。选用ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-7a-CZ、ASA-9a-CZ的标准物质，原样粒度是250 μm，经过手工研磨，分别过150 μm筛和74 μm尼龙筛，按照上述各单因素的最优实验条件实验，测定结果见表5。由表5可以看出，同一样品随着粒度变小，测试结果提高；当样品粒度为250 μm时，标样测量误差基本在标样允许误差范围之内，在均满足土壤有效态分析的质量要求；当样品粒度为150 μm时，结果偏差较大；当样品粒度为74 μm时，测试结果基本超过标样值的误差范围，是因为提取时，粒度越小，溶液接触面积越大，提取有效硼越充分，提取液中除了有效硼外，硼的非有效态成分(螯合态硼、酸溶性硼等)也被提取出来，导致结果偏高。综上因素考虑，选取粒度为250 μm。

表5   不同样品粒度对应的土壤中硼的质量分数测定值

Tab. 5   Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different sample particle sizes

 

 

 

2.2 方法学验证

通过上述对有效硼测定方法影响因素分析，得出以下最优方案：称取10.00 g风干土壤试样(250 μm)，加入20.0 mL一级水(符合GB/T 6682规定)，同时控制提取介质中铁的质量浓度不大于10 mg/L。振摇三角瓶使土壤分散开，沸水浴浸10 min，回流冷凝5 min，离心过滤，保持滤液澄清，待测。选择硼测定波长249.773 nm为谱线，用ICP-AES法测定样品溶液中有效硼的含量。该方法所得标准曲线线性方程为y=322.02x+0.677 8，线性相关系数为0.999 9。

2.2.1 方法检出限、定量限

根据《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2020)中要求的检出限计算要求，不称量样品，按上述最优分析方法规定的条件进行连续8次测定，计算8次测定的标准偏差(s)、检出限、定量限(检出限×4)，结果见表6。经实验测试后得出方法测量检出限为0.003 mg/kg，定量限为0.012 mg/kg，优于土壤三普《样品检测与质控指南》里的要求：当称样量为10.00 g、提取剂为20 mL水时，方法检出限为0.01 mg/kg，定量限为0.04 mg/kg。

表6   方法检出限、定量限

Tab. 6   Method detection limit，Quantification limit ( mg/kg )

 

2.2.2 方法精密度、正确度

选择低、中、高不同含量的土壤标准物质(ASA-1b-CZ、ASA-2b-CZ、ASA-3b-CZ)，同时选择实际送检土壤样品TR1、TR2、TR3，平行测定8次。参考HJ 168—2020《环境监测分析方法标准制订技术导则》的规定，分别计算检测结果的平均值、标准偏差、相对标准偏差、相对误差和最大绝对偏差，结果见表7。由表7可以看出，标准物质测定结果的最大标准偏差为0.029 mg/kg，最大相对标准偏差为6.46 %，最大相对误差RE为2.45 %；当有效硼含量小于0.50 mg/kg时，测试结果的最大绝对偏差为0.05 mg/kg；当有效硼含量大于0.50 mg/kg，测试结果最大绝对偏差为0.06 mg/kg。以上结果均满足土壤三普《样品检测与质控指南》质控要求：当有效硼含量(质量分数)为0.20～0.50 mg/kg时，允许绝对偏差不大于0.05 mg/kg；当有效硼含量大于0.50 mg/kg，允许绝对偏差不大于0.06 mg/kg。综合上述分析结果可知，优化后的分析过程可用于土壤有效硼含量的检测，且结果的精密度和稳定性较好。

表7   方法精密度试验结果

Tab. 7   Method precision test results

 

 

3、 结语

 

根据实验条件优化结果，建立了沸水提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤有效硼的最优实验方法。该方法检出限低、准确度高、稳定性好、线性范围广，适用于批量土壤样品有效硼的测定，并且质量控制结果满足第三次全国农业土壤普查内业测试和全程质量控制规程的要求。

 

参考文献：

 

1 宋时奎，李文华，严红，等.土壤性质与硼有效性的关系［J］.东北农业大学学报，2004（1）：113.

    SONG Shikui，LI Wenhua，YAN Hong，et al. The correlation between soil characters and boron availability［J］. Journal of Northeast Agricultural University，2004（1）：113.

 

2 张征莲，唐碧玉，古行乾，等.乙醇增敏-电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）法测定土壤中的全硼［J］.中国无机分析化学，2023，13（12）：1 402.

    ZHANG Zhenglian，TANG Biyu，GU Xingqian，et al. Determination of boron in soil by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry with ethanol sensitization［J］. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry，2023，13（12）：1 402.

 

3 占国艳，潘政，梁红芳，等.土壤中有效硼含量测定方法优化与对比［J］.中国无机分析化学，2023，13（8）：831.

    ZHAN Guoyan，PAN Zheng，LIANG Hongfang，et al. Optimization and comparison of the detection methods for soil available boron content［J］. Chinese Journal of lnorganic Analytical Chemistry，2023，13（8）：831.

 

4 李璐明. ICP-AES法对土壤中全硼含量的测定［J］.石油和化工设备，2023，26（8）：47.

    LI Luming. Determination of total boron in soil by ICP-AES［J］. Petroleum and Chemical Equipment，2023，26（8）：47.

 

5 吴克宁，马金亮，郝士横.第三次全国土壤普查工作经验交流［J］.中国农业综合开发，2023（7）：17.

    WU Kening，MA Jinliang，HAO Shiheng. The third national soil census［J］. China Comprehensive Agricultural Development，2023（7）：17.

 

6 何汉勇，李厚玟，黎洪洁，等.水浴提取法测定土壤有效硼初探［J］.南方园艺，2013，24（5）：19.

    HE Hanyong，LI Houwen，LI Hongjie，et al. Determination of effective boron in soil by water bath extraction［J］. Southern Horticulture，2013，24（5）：19.

 

7 王艳泽，施燕之，张学凯，等.土壤中有效硼的分析进展［J］.冶金分析，2007（6）：36.

    WANG Yanze，SHI Yanzhi，ZHANG Xuekai，et al. Recent advances in the analysis of available boron in soil［J］. Metallurgical Analysis，2007（6）：36.

 

8 储诚兴，莫祥晓，曾娥.土壤有效硼的测定方法及注意事项［J］.农业与技术，2014，34（2）：26.

    CHU Chengxing，MO Xiangxiao，ZENG E. Determination of effective boron in soil and precautions［J］. Agriculture and Technology，2014，34（2）：26.

 

9 赵小学，王建波，王龙飞，等.电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤和沉积物中硫的适用性研究［J］.中国环境监测，2022，38 （2）：164.

    ZHAO Xiaoxue，WANG Jianbo，WANG Longfei，et al. Study on the applicability of inductively coupled plasma-optical emission spectrometry for the determination of sulfur in soil and stream sediment［J］. Environmental Monitoring in China，2022，38 （2）：164.

 

10 刘悦婷，刘亮，徐林，等.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Si-B-C-N陶瓷材料中的硅和硼［J］.化学分析计量，2023，32（7）：7.

    LIU Yueting，LIU Liang，XU Lin，et al. Determination of silicon and boron in Si-B-C-N ceramics by inductively coupled plasma atom emission spectrometry［J］. Chemical Analysis and Meterage，2023，32（7）：7.

 

11 蒿艳飞，陈璐，辜洋建，等.石墨消解-电感耦合等离子体光谱法测定土壤中全硼［J］.化学分析计量，2023，32（6）：57.

    HAO Yanfei，CHEN Lu，GU Yangjian，et al. Determination of total boron in soil by graphite digestion-inductively coupled plasma spectrometry［J］. Chemical Analysis and Meterage，2023，32（6）：57.

 

12 刘丽丽，马会芳，占国艳，等.重量法测定土壤水溶性盐总量的优化［J］.中国无机分析化学，2023，13（6）：661.

    LIU Lili，MA Huifang，ZHAN Guoyan，et al. Optimization of water-soluble salt in soil by gravimetric method［J］. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry，2023，13（6）：661.

 

13 杜宝华，盛迪波，王日中，等.电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法测定含硼聚乙烯核屏蔽材料中的硼［J］.中国无机分析化学，2023，13（3）：274.

    DU Baohua，SHENG Dibo，WANG Rizhong，et al. Determination of boron content in boron-containing polyethylene nuclear shielding materials by ICP-OES［J］. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry，2023，13（3）：274.

 

14 李曼，郭中宝，程紫辉，等.电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）内标法测定模拟玻璃固化体中的硼含量［J/OL］.中国无机分析化学，1［2024-04-08］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.6005.O6.20240226.1459.006.html.

    LI Man，GUO Zhongbao，CHENG Zihui，et al. Determination of boron content in simulated glass solids by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry（ICP-AES） with internal standard method［J/OL］. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry，1［2024-04-08］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.6005.O6.20240226.1459.006.html.

 

15 李世发，郭爱雪.应用ICP-AES测定稀盐酸浸提土壤有效硼的研究［J］.黑龙江农业科学，2015（7）：48.

    LI Shifa，GUO Aixue. Determination of soil available boron by ICP-AES with dilute hydrochloric acid extraction［J］. Heilongjiang Agricultural Sciences，2015（7）：48.

 

16 卞勋涛，朱金来，蔡宝珊，等.土壤中有效硼分析方法优化［J］.能源与环境，2023（3）：101.

    BIAN Xuntao，ZHU Jinlai，CAI Baoshan，et al. Optimization of analytical methods for effective boron in soil［J］. Energy and Environment，2023（3）：101.

 

17 王友鸣.电感耦合等离子体发射光谱测定磷酸氢钙中砷、银、铅、镉等8种元素［J］.上海化工，2023，48（6）：54.

    WANG Youming. The Determination of eight elements in calcium hydrogen phosphate by inductively coupled plasma optical emission spectrometry［J］. Shanghai Chemical Industry，2023，48（6）：54.

 

18 王慧，王峰.土壤有效硼的测定方法及注意事项［J］.现代农业科技，2008（16）：223.

    WANG Hui，WANG Feng. Determination of effective boron in soil and precautions［J］. Modern Agricultural Science and Technology，2008（16）：223.

 

引用本文： 万亚丽，徐辉，张立，等 . 沸水提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤有效硼［J］. 化学分析计量，2024，33（10）：28. (WAN Yali, XU Hui, ZHANG Li, et al. Determination of effective boron in soil by boiling water extraction with inductively coupled plasma emission spectrometry method[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2024, 33(10): 28.)