含硫酸脲复合肥料中氨挥发氮占总氮的百分率测定方法研究

Study on Determination Method of the Percentage of Ammonia Volatile Nitrogen in Total Nitrogen in Compound Fertilizers Containing Urea Sulfate

季敏 Min JI , 黄河清 Heqing HUANG , 杨旭 Xu YANG

国家化肥质量监督检验中心〔上海〕上海 200062 National Center for Quality Supervision & Testing of Fertilizer 〔Shanghai〕, Shanghai 200062, China

摘要：

氨挥发氮占总氮的百分率是表征含硫酸脲复合肥料中氮素缓释性能的特征指标。试验分别采用尿素酶水解容量法和尿素酶水解分光光度法测定氨挥发氮占总氮的百分率，并进行了实验室内和实验室间测定值的对比分析。结果表明：实验室内两种方法测定值的相对偏差为0.08%~6.55%，3个实验室间所得测定值的相对标准偏差为3.9%~15.0%，两种方法均可用于氨挥发氮占总氮的百分率测定；尿素酶水解分光光度法的精密度高于尿素酶水解容量法的。

关键词：

硫酸脲; 氨挥发氮; 尿素酶; 容量法; 分光光度法;

Abstract：

The percentage of ammonia volatile nitrogen in total nitrogen is a characteristic index that characterizes the slow-release performance of nitrogen in compound fertilizers containing urea sulfate. The test uses the urease hydrolysis volumetric method and the urease hydrolysis spectrophotometric method to determine the percentage of ammonia volatile nitrogen in total nitrogen, and a comparative analysis of the measured values in the laboratory and between the laboratories is carried out. The results show that the relative deviation of the measured values of the two methods in the laboratory is 0.08% to 6.55%, and the relative standard deviation of the measured values between three laboratories is 3.9% to 15.0%. Both methods can be used to determine the percentage of ammonia volatile nitrogen in total nitrogen; the precision of the urease hydrolysis spectrophotometric method is higher than that of the urease hydrolysis volumetric method.

Keyword：

urea sulfate; ammonia volatile nitrogen; urease; volumetric method; spectrophotometry;

世界各国的农业施肥及灌溉实践表明，为了使作物稳定高产，作物在整个生长期间都应得到足够的养分，特别是氮素养分^[1-2]。我国单位面积施肥量是世界平均水平的3倍，但氮肥利用率仅为发达国家平均水平的50%左右。目前三大粮食作物对氮肥、磷肥和钾肥的利用率分别为33%、24%、42%。复合肥料是最常用的肥料之一，所以提高复合肥料中氮的利用率具有重要的现实意义。

在含硫酸脲复合肥料的生产中^[3-5]，硫酸脲是基础生产原料。1934年Dalman^[6]研究了CO(NH₂)₂-H₂SO₄-H₂O三元系统相图，提出尿素和硫酸可以形成不同组成的低温共熔物，共熔点为10 ℃。在10 ℃和25 ℃的CO(NH₂)₂-H₂SO₄-H₂O三元体系中，存在以下几个区：不饱和溶液区；CO(NH₂)₂单相结晶区；H₂SO₄ ·2CO(NH₂)₂结晶区；CO(NH₂)₂ ·H₂SO₄结晶区；CO(NH₂)₂与H₂SO₄ ·2CO(NH₂)₂两相区，表明硫酸与尿素可以形成共熔物。硫酸脲本身可以作为一种含氮、硫元素的酸性肥料来施用，其可以减轻土壤耕层中铵态氮的挥发，减少氮素的损失。大量研究表明施用硫酸脲效果要比单独施用尿素好，比单独施用硫酸铵更为安全。含硫酸脲复合肥料的出现，对提高养分综合利用率、改良土壤、修复地力以及进一步实现科学合理施肥都有着重要的意义，其市场前景十分广阔。但是目前有关含硫酸脲复合肥料的相关标准还未出台，为规范企业生产、提升产品质量，有必要对此类产品的技术指标及缓释特性进行评价研究，为含硫酸脲复合肥料标准的制定提供技术支持。

含硫酸脲复合肥料中主要氮素形态为CO(NH₂)₂-H₂SO₄共熔体，是一种混合物，包括CO(NH₂)₂单相结晶区、H₂SO₄ ·2CO(NH₂)₂结晶区、CO(NH₂)₂ ·H₂SO₄结晶区、CO(NH₂)₂与H₂SO₄ ·2CO(NH₂)₂两相区等几种形态，因此没有相对应的标准物质，不适合用“硫酸脲”来表征。经查阅文献，含腐殖酸和海藻酸肥料标准中用“氨挥发抑制率”^[7]来表征该类肥料的特征，其定义为“表征含海藻酸类肥料减少氨挥发损失的功能性指标。在脲酶(尿素酶)和氧化镁的作用下尿素分解，释放出的氨被硼酸溶液吸收，海藻酸类肥料和尿素消耗硫酸标准滴定溶液体积的差值与后者的比值，以百分数表示”。上述产品中氮素形态单一，主要成分为酰胺态氮，而含硫酸脲复合肥料中氮素形态较复杂，包括酰胺态氮、CO(NH₂)₂-H₂SO₄共熔体和铵态氮，用上述方法和指标来测定和表征并不能充分反映含硫酸脲复合肥料产品的缓释特性。综上所述，采用“氨挥发氮占总氮的百分率”来表征含硫酸脲复合肥料的缓释特性。

1 原理

产品的特征指标为氨挥发氮占总氮的百分率，该指标用于表征含硫酸脲复合肥料中氮素缓释性能。肥料中的氮素形态除CO(NH₂)₂-H₂SO₄共熔体外，还与磷酸一铵、氯化钾等原料反应形成新的复盐固溶体。该测定方法主要原理为酰胺态氮在尿素酶的作用下水解为铵态氮，试液中铵态氮浓度增加，酰胺态氮浓度降低，可以直接测定铵态氮的挥发量或酰胺态氮的损失量，即铵态氮的增加量等于酰胺态氮的损失量。在氧化镁存在的条件下，铵态氮转化为氨释放出来，用硼酸溶液吸收后，再用一定浓度的硫酸标准滴定溶液滴定，从而得到氨挥发氮量。试液中的酰胺态氮与对二甲氨基苯甲醛发生定量反应，用分光光度法在波长430 nm处测定吸光度，可以计算出酰胺态氮的含量。

2 试验及数据分析

2.1 尿素酶水解容量法测定氨挥发氮占总氮的百分率^[8-9]

2.1.1 主要仪器和试剂

扩散皿：外室内径90 mm、高度22 mm，内室内径45 mm、高度14 mm。

恒温箱：PYX-DHS-400BS型，可控温度(40±1) ℃，上海跃进医疗器械有限公司。

尿素酶溶液：称取0.500 g尿素酶，加10 mL水，用研钵研磨至糊状，全部转移至500 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，储存于4 ℃冰箱中，备用。

氧化镁悬浮液：30 g/L。

硼酸溶液：20 g/L。

混合指示剂：0.099 g溴甲酚绿和0.066 g甲基红溶解于100 mL 95%(体积分数，下同)乙醇溶液中。

硫酸标准滴定溶液：c(1/2H₂SO₄)=0.02 mol/L。

碱性甘油：向100 mL甘油中加入1 g氢氧化钠，搅拌均匀后备用。

2.1.2 分析步骤

用研钵将样品研磨至全部通过0.50 mm孔径筛，混合均匀，置于洁净、干燥容器中。

称取试样约1 g(精确至0.000 1 g)于烧杯中，加100 mL水溶解后，全部转移至500 mL容量瓶中，定容，摇匀，静置2 h后，备用。

移取5.00 mL试样溶液的上清液于扩散皿外室，加2 mL硼酸溶液于扩散皿内室，并滴加2滴混合指示剂，然后在扩散皿外室边缘涂上碱性甘油，盖上毛玻璃，旋转数次，使皿边与毛玻璃完全黏合。移动毛玻璃，通过边缘的缝隙向扩散皿外室加入2 mL尿素酶溶液，立即盖严，随后将扩散皿置于(25±1) ℃恒温箱中，培养20 min。

培养结束以后，小心取出扩散皿，移动毛玻璃，通过边缘的缝隙向扩散皿中加入5 mL氧化镁悬浮液，立即盖严，并用橡皮筋固定。随后将扩散皿置于(40±1) ℃恒温箱中，继续培养1 h以后取出。用硫酸标准滴定溶液滴定内室硼酸溶液吸收的氨，当溶液的颜色由蓝绿色变为微红色时即为滴定终点。

在测定试样的同时，不添加脲素酶溶液，按上述培养环境和测定步骤进行对照试验。

2.1.3 分析结果表述

氨挥发氮占总氮的百分率w的数值以%表示，按式(1)计算：

图 1

$w=\frac{\left(V_{1}-V_{0}\right) \times c \times 14.01 \times D}{m \times N \times 10} \times 100 $

式中：V₁——试样测定时消耗的硫酸标准滴定溶液的体积，mL；

V₀——对照试验消耗的硫酸标准滴定溶液的体积，mL；

c——硫酸标准滴定溶液的浓度，mol/L；

14.01——氮的摩尔质量，g/mol；

D——分取倍数(定容体积/分取体积)；

m——试样的质量，g；

N——试样中总氮的质量分数，%；

10——将g/kg换算为%的系数。

2.1.4 结果与讨论

不同肥料中总氮及氨挥发氮占总氮的百分率测定结果见表 1。

表 1

不同肥料中总氮及氨挥发氮占总氮的百分率测定结果(容量法)

样品	w(总氮)/%	V₁/mL	V₀/mL	氨挥发氮占总氮的百分率/%		相对偏差/%
样品	w(总氮)/%	V₁/mL	V₀/mL	测定值	平均值	相对偏差/%
普通复合肥料18-18-18	18.10	2.86	0.28	39.87	40.62	1.86
普通复合肥料18-18-18	18.10	2.99	0.31	41.38	40.62	1.86
含硫酸脲复合肥料18-18-18	18.05	1.87	0.58	19.94	18.63	7.03
含硫酸脲复合肥料18-18-18	18.05	1.79	0.67	17.32	18.63	7.03
含硫酸脲复合肥料28-12-10	26.25	2.04	0.42	17.24	18.20	5.25
含硫酸脲复合肥料28-12-10	26.25	2.18	0.38	19.15	18.20	5.25
含硫酸脲复合肥料18-22-5	18.85	2.65	1.32	19.60	18.34	6.90
含硫酸脲复合肥料18-22-5	18.85	2.33	1.18	17.07	18.34	6.90
含硫酸脲复合肥料17-17-17	16.94	2.13	1.12	16.60	17.87	7.11
含硫酸脲复合肥料17-17-17	16.94	2.46	1.30	19.14	17.87	7.11

从表 1可以看出，普通复合肥料18-18-18中氨挥发氮占总氮的40.62%，表明普通复合肥料在脲素酶的作用下，尿素快速分解，酰胺态氮转化为氨态氮。4种规格的含硫酸脲复合肥料中氨挥发氮占总氮的百分率均低于标准值(20%)，表明在相同测试条件下，含硫酸脲复合肥料中的氨挥发氮释放量整体下降，进而氨挥发氮占总氮的百分率减小，从而体现出该类肥料氮素的缓释性能，这可能是CO(NH₂)₂-H₂SO₄共熔体的作用。

对含硫酸脲复合肥料18-18-18进行精密度测定，结果见表 2。

表 2

含硫酸脲复合肥料18-18-18的精密度测定结果(容量法)

w(总氮)/%	V₁/mL	V₀/mL	氨挥发氮占总氮的百分率/%	RSD/%
18.05	1.84	0.57	19.63	8.76
	1.76	0.61	17.78
	1.67	0.64	15.92
	1.88	0.60	19.79
	1.68	0.52	17.93
	1.72	0.65	16.54

由表 2可知，测定结果的相对标准偏差(RSD)为8.76%，说明该方法具有较高的精密度。

2.2 尿素酶水解分光光度法测定氨挥发氮占总氮的百分率

2.2.1 主要仪器和试剂

分光光度计：UV-240型，日本岛津制作所。

恒温箱：同2.1.1。

尿素酶溶液：配制同2.1.1。

尿素标准溶液：准确称取尿素(国家标准样品)1.071 9 g于1 L容量瓶中，加水溶解后稀释至刻度，此溶液中酰胺态氮的质量浓度为0.5 g/L。

对二甲氨基苯甲醛溶液：称取20 g对二甲氨基苯甲醛，加入1 000 mL 95%乙醇，溶解后加入100 mL盐酸混合，储存于棕色瓶中，避光保存。

2.2.2 分析步骤

用研钵将样品研磨至全部通过0.50 mm孔径筛，混合均匀，置于洁净、干燥容器中。

称取试样约1 g(精确至0.000 1 g)于烧杯中，加100 mL水溶解试样，全部转移至500 mL容量瓶中，定容，摇匀，静置2 h后，备用。

移取5.00 mL试样溶液的上清液置于100 mL容量瓶中，加入2 mL尿素酶溶液，摇匀，随后在(25±1) ℃恒温箱中培养20 min。培养结束后，将每个容量瓶用水稀释至约50 mL，轻轻摇动，分别加入20.0 mL对二甲氨基苯甲醛溶液，用水稀释至刻度，充分摇匀后静置10 min，以未加酰胺态氮的溶液为参比溶液，用1 cm比色皿在波长430 nm处测定吸光度，根据标准溶液的线性回归方程计算出酰胺态氮的质量浓度，换算出酰胺态氮的质量。试液吸取量可根据样品中酰胺态氮的含量进行调整，使其处于标准曲线的最佳位置。

在测定试样的同时，不添加脲素酶溶液，按上述培养环境和测定步骤进行对照试验。

2.2.3 分析结果表述

氨挥发氮占总氮的百分率w的数值以%表示，按式(2)计算：

图 2

$w=\frac{\left(V_{1}-V_{0}\right) \times c \times 14.01 \times D}{m \times N \times 10} \times 100 $

式中：ρ₁——添加脲素酶后，查得溶液中酰胺态氮的质量浓度，g/L；

ρ₀——未添加脲素酶，查得对照组溶液中酰胺态氮的质量浓度，g/L；

V₂——显色体积，100 mL。

2.2.4 结果与讨论

(1) 标准曲线的绘制

移取不同量的尿素标准溶液分别置于6个100 mL容量瓶中，均用水稀释至约50 mL，按2.2.2分析步骤测定吸光度。以酰胺态氮的质量浓度为横坐标，对应的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。每次测定均需制作标准曲线。

酰胺态氮标准溶液的测定结果见表 3，绘制的标准曲线见图 1。

表 3

酰胺态氮标准溶液测定结果

尿素标准溶液加入量/mL	酰胺态氮质量浓度/(g·L^-1)	吸光度
0	0	0
2.00	0.01	0.021 8
4.00	0.02	0.043 2
6.00	0.03	0.069 8
8.00	0.04	0.093 6
10.00	0.05	0.120 4

图 1

酰胺态氮标准曲线

(2) 实际样品的测定

按分光光度法测定样品中氨挥发氮占总氮的百分率，结果见表 4，精密度的结果见表 5。

表 4

不同肥料中总氮及氨挥发氮占总氮的百分率测定结果(分光光度法)

样品	w(总氮)/%	ρ₁/(g·L^-1)	ρ₀/(g·L^-1)	氨挥发氮占总氮的百分率/%		相对偏差/%
样品	w(总氮)/%	ρ₁/(g·L^-1)	ρ₀/(g·L^-1)	测定值	平均值	相对偏差/%
普通复合肥料18-18-18	18.10	0.009 4	0.017 6	45.09	46.33	2.68
普通复合肥料18-18-18	18.10	0.009 1	0.017 7	47.57	46.33	2.68
含硫酸脲复合肥料18-18-18	18.05	0.012 6	0.015 9	18.32	18.66	1.82
含硫酸脲复合肥料18-18-18	18.05	0.012 8	0.016 3	19.00	18.66	1.82
含硫酸脲复合肥料28-12-10	26.25	0.019 9	0.025 1	19.70	19.54	0.82
含硫酸脲复合肥料28-12-10	26.25	0.019 6	0.024 7	19.38	19.54	0.82
含硫酸脲复合肥料18-22-5	18.85	0.011 2	0.014 4	17.03	17.53	2.85
含硫酸脲复合肥料18-22-5	18.85	0.010 8	0.014 2	18.03	17.53	2.85
含硫酸脲复合肥料17-17-17	16.94	0.010 6	0.013 7	18.50	17.68	4.64
含硫酸脲复合肥料17-17-17	16.94	0.010 8	0.013 6	16.86	17.68	4.64

表 5

含硫酸脲复合肥料18-18-18的精密度测定结果(分光光度法)

w(总氮)/%	ρ₁/(g·L^-1)	ρ₀/(g·L^-1)	氨挥发氮占总氮的百分率/%	RSD/%
18.05	0.013 3	0.015 9	19.69	5.27
	0.013 5	0.015 9	18.15
	0.013 6	0.016 2	19.21
	0.013 4	0.015 7	16.98
	0.013 4	0.015 8	18.01
	0.013 4	0.015 9	18.89

从表 4可以看出，采用分光光度法测定得到的结果与容量法测定结果一致，含硫酸脲复合肥料中氨挥发氮占总氮的百分率比普通复合肥料降低了57.82%~62.16%。

由表 5可知，测定结果的RSD为5.27%，精密度高于容量法，说明该方法具有较高的精密度。另外，该方法所用设备均为实验室常用仪器，操作简便，容易实现，能满足绝大多数实验室的要求，易于推广应用，建议该法作为仲裁法。

2.3 两种测定方法的比较

分别采用上述两种方法对5种肥料进行测定，结果见表 6。

表 6

两种方法的测定结果

样品	氨挥发氮占总氮的百分率/%		相对偏差/%
样品	容量法	分光光度法	相对偏差/%
普通复合肥料18-18-18	40.62	46.33	6.55
含硫酸脲复合肥料18-18-18	18.63	18.66	0.08
含硫酸脲复合肥料28-12-10	18.20	19.54	3.58
含硫酸脲复合肥料18-22-5	18.34	17.53	2.26
含硫酸脲复合肥料17-17-17	17.87	17.68	0.53

由表 6可知，两种方法测定结果的相对偏差为0.08%~6.55%，未超过10%。

2.4 不同实验室间测定结果的分析

不同实验室分别采用容量法和分光光度法对两种含硫酸脲复合肥料进行测定，结果见表 7和表 8。

表 7

不同实验室的测定结果(容量法)

样品	实验室	w(总氮)/%	V₁/mL	V₀/mL	氨挥发氮占总氮的百分率/%	实验室间数据的RSD/%
含硫酸脲复合肥料18-18-18	A	18.05	1.78	0.67	17.16	13.9
			1.86	0.61	19.32
			1.88	0.64	19.17
	B	18.34	1.52	0.58	14.35
			1.48	0.64	12.82
			1.54	0.56	14.94
	C	18.42	1.76	0.52	18.82
			1.72	0.63	16.53
			1.62	0.57	15.96
含硫酸脲复合肥料28-12-10	A	26.25	2.08	0.42	17.70	15.0
			2.16	0.41	18.63
			2.02	0.54	15.76
	B	26.68	2.02	0.58	15.11
			1.88	0.64	12.99
			1.94	0.56	14.45
	C	26.55	1.88	0.52	14.33
			1.84	0.63	12.74
			1.72	0.57	12.12

表 8

不同实验室的测定结果(分光光度法)

样品	实验室	w(总氮)/%	ρ₁/(g·L^-1)	ρ₀/(g·L^-1)	氨挥发氮占总氮的百分率/%	实验室间数据的RSD/%
含硫酸脲复合肥料18-18-18	A	18.05	0.012 6	0.015 9	18.32	3.9
			0.012 8	0.016 2	18.78
			0.012 9	0.015 7	15.57
	B	18.34	0.012 1	0.015 7	19.89
			0.012 8	0.015 9	16.95
			0.012 4	0.016 1	20.09
	C	18.42	0.012 7	0.015 9	17.30
			0.012 4	0.015 6	17.07
			0.012 9	0.016 6	20.03
含硫酸脲复合肥料28-12-10	A	26.25	0.020 3	0.024 6	16.26	10.2
			0.019 6	0.024 4	18.29
			0.019 1	0.024 1	18.77
	B	26.68	0.020 4	0.024 4	15.23
			0.021 1	0.025 4	16.13
			0.020 7	0.024 2	13.18
	C	26.55	0.021 1	0.025 4	16.23
			0.020 7	0.024 7	15.13
			0.021 2	0.024 9	14.05

由表 7和表 8可知，不同实验室采用容量法和分光光度法测定所得结果的RSD分别为13.9%~15.0%和3.9%~10.2%，均小于20%。

3 结语

分别采用尿素酶水解容量法和尿素酶水解分光光度法对含硫酸脲复合肥料样品中的氨挥发氮占总氮的百分率进行了测定，结果表明两种方法测得的结果基本吻合，两种方法间的相对偏差不超过10 %，说明方法准确可靠。分光光度法的精密度优于容量法的，建议作为仲裁法。

ckwx 参考文献

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