摘要
为了提升生物炭基有机肥料中氮、磷、钾元素测定的准确性与适用性，通过对比评估两种主流的样品前处理方法：NY/T 3618—2020《生物炭基有机肥料》标准采用的硫酸-过氧化氢消煮法，以及微波消解技术。通过响应面试验设计对微波消解过程中的酸体系配比进行了精细优化，得到生物炭基有机肥样品最佳消煮酸系配比为：5 mL 硫酸 +1 mL 高氯酸 +2.5 mL 氢氟酸，进而研发出一种适合于生物炭及其衍生制品中氮、磷、钾元素测定的微波消解新方法。对比标准方法的验证结果显示，对于生物炭基有机肥料样本，微波消解法测得的样品相对标准偏差为 0.04% ～ 0.37%，低于标准方法，其消解效率较高，检测结果的重现性更佳，测定时间上具有显著优势。
Abstract
To enhance the applicability and precision of nitrogen，phosphorus，and potassium element analysis in biochar-based organic fertilizers，this study conducted a comparative analysis of two digestion methods：the sulfuric acidhydrogen peroxide digestion method outlined in the NY/T 3618—2020 standard Biochar-Based Organic Fertilizers，and the microwave digestion method. This study optimized the acid system ratio in the microwave digestion method through a response surface experimental design，the optimal acid system ratio of biochar-based organic fertilizer samples was 5 mL H2SO4+ 1 mL HClO4+2.5 mL HF，thereby developing a novel microwave digestion approach suitable for the analysis of biochar and its related products. Compared with the standard method，the verification experiment results showed that the relative standard deviation of the samples measured by microwave digestion method was 0.04%-0.37%，which was lower than the standard method. The experimental results demonstrated that for biochar-based organic fertilizer samples，the microwave digestion method could not only offer higher digestion efficiency but also provide better reproducibility in detection results，with a significant advantage in analysis duration.
生物炭是在缺氧或无氧的条件下，将农林废弃物质（如秸秆等）高温裂解、炭化产生的一类高度芳香化的富碳固态产物[1-2]。生物炭基有机肥料，作为一类新型肥料，由生物炭与畜禽粪便等有机物料混合加工而成。生物炭基有机肥料兼具生物炭和有机肥料的双重特性，不仅具有改善土壤结构、增加土壤养分的优点[3-4]，还能有效提高肥料利用效率，改善土壤环境[5-6]。
在现代农业生产中，肥料的使用日益增加，氮、磷、钾作为衡量土壤肥力的 3 种关键元素，对于农作物的生长和粮食高产十分重要[7]。准确测定生物炭基有机肥料中这 3 种元素的含量，对于肥料品质评估和土壤管理具有重要意义。在 NY/ T3618—2020《生物炭基有机肥料》中[8]，生物炭基有机肥料中氮、磷、钾元素的测定参考 NY/ T525—2012《有机肥料》的硫酸-过氧化氢消煮法[9]。然而，在实际检测过程中发现，因生物炭的独特性质，采用传统的硫酸-过氧化氢消煮法处理生物炭基有机肥料样品时，存在消解不完全，操作繁琐，耗时长，以及消煮结果受操作者主观判断影响等问题。微波消解法作为一种新兴的样品处理技术，已在环境监测、食品分析、农业生产等领域得到了广泛应用[10]。本研究采用响应面试验设计对微波消解过程中的酸系比例进行了优化，旨在提高生物炭基有机肥料中养分含量测定的准确性，提高检测效率。通过与传统的硫酸-过氧化氢消煮法进行对比分析，以期为生物炭基有机肥料养分检测提供一种便捷、高效、准确的测定方法，进而为生物炭基肥料的品质控制和土壤养分管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试生物炭基有机肥料为市售商品。标准有机肥料样品购买自广州谱恩科学仪器公司。其氮含量 1.27%，不确定度 1.05%～1.49%；磷含量 1.63%，不确定度 1.35%～1.91%；钾含量 0.94%，不确定度 0.77%～1.44%。
1.2 主要试剂
硫酸（H2SO4，ρ=1.84）、30% 过氧化氢、硝酸（HNO3）、氢氧化钠、硼酸、溴甲酚绿、甲基红、乙醇、钼酸铵、偏钒酸铵、磷酸二氢钾、2，4-二硝基酚、无磷滤纸、氯化钾、高氯酸（HClO4）、氢氟酸（HF）等。
1.3 试验仪器
定氮蒸馏装置、分光光度计（U-3900，日本日立）、火焰光度计（FP6410，上海仪电分析）、电子天平（DV215CD，美国 Discovery）、超声波清洗器（KQ-500DE，昆山市超声仪器）、微波消解仪 （ETHOS A，意大利 Milestone）。
1.4 试验方法
1.4.1 硫酸-过氧化氢消煮法
称取过 1 mm 孔径筛的风干试样 0.5～1.0 g（精确至 0.0001 g），置于凯氏烧瓶底部，用少量水冲洗黏附在瓶壁的试样，加 5 mL 的 H2SO4 溶液和 1.5 mL 的 30% 过氧化氢溶液，小心摇匀，瓶口放一弯颈小漏斗，放置过夜。在可调节温度的电热板上缓慢升温至 H2SO4 冒烟，取下，稍冷加 15 滴 30% 过氧化氢溶液，轻轻摇动凯氏烧瓶，加热 10 min，取下，稍冷后加入 5～10 滴 30% 过氧化氢溶液并分次消煮（一般为 3～5 次），直至溶液呈无色或淡黄色清液后，继续加热 10 min，除尽剩余的过氧化氢溶液。取下稍冷，小心加水至 20～30 mL，加热至沸腾。取下冷却，用少量水冲洗弯颈小漏斗，洗液收入原凯氏烧瓶中。将消煮液移入 100 mL 容量瓶，加水定容，静置澄清或用无磷滤纸干过滤到具塞三角瓶中备用。
1.4.2 微波消解法
文献中报道的土壤消解常用的酸系有 HNO3+ HCl+HF+HClO4、HNO3+HCl+HF、HNO3+HF+H2O2、 HNO3+HCl 等，但 HNO3 中含有氮元素，不适用于含氮肥料的消解，因此不予考虑[11-18]。本文选择 H2SO4+HClO4+HF 作为组合酸系进行消解，并以此为基础酸系利用响应面试验进行方法优化。
具体消煮操作：称取过 1 mm 孔径筛的风干试样 0.5～1.0 g（精确至 0.0001 g）置于消解罐中，加入 H2SO4、HClO4、HF，旋紧罐盖，在 60℃下预消解 30 min，后续按照表1操作步骤进行消解。消解完毕后，冷却至室温观察消煮情况，若消煮管内仍有黑色物质，可追加 H2SO4 溶液 2 mL，于 100℃ 加热 30 min 后，加入适量 30% 过氧化氢溶液进行赶酸操作，随后用水定容至 100 mL，摇匀即得待测液，同时做空白试验。
表1微波消解条件
以 H2SO4、HClO4、HF 不同添加量为单因素，在其中 2 个因素不变的情况下，分别考察另一个单因素对有机肥料标准品中氮、磷、钾含量测定的影响。基于上述实验结果，以 5 mL H2SO4+1 mL HClO4+2 mL HF 的配比为基础进行响应面试验设计，采用 Box-Behnken 响应面法，进行三因素三水平分析，考察 H2SO4 添加量（A）、HClO4 添加量 （B）及 HF 添加量（C）对有机肥料标准样品中氮、磷、钾含量测定的影响。因素水平见表2。
表2响应面试验因素水平表
1.4.3 测定方法
试样溶液中氮、磷、钾含量的测定参照 NY/T525—2021《有机肥料》附录 D 中的测定方法进行。
2 结果与分析
2.1 组合酸系单因素试验结果
由图1可知，在测定有机肥料标准品的过程中，其他两种酸添加量不变的情况下，随着 3 种酸添加量的提高，氮、磷、钾含量的测定值逐渐出现拐点并趋于稳定，H2SO4 添加量为 5 mL，HClO4 添加量为 1 mL，HF 添加量为 2 mL 时，有机肥料标准品中氮、磷、钾含量的测定值达到证书标定值范围。
2.2 响应面试验设计及结果
根据表2响应面试验因素水平表用 Design-Expert 13.0 设计了 17 组试验，试验条件及结果如表3所示。对表3中的数据进行多元回归拟合，得到三响应值氮含量测定值（Y1，%）、磷含量测定值（Y2，%）、钾含量测定值（Y3，%） 与 H2SO4 添加量（A，mL）、HClO4 添加量（B，mL）、和 HF 添加量（C，mL）之间的回归方程分别为：
图1不同酸系配比下的养分含量测定结果
Y1=1.29+0.0275A+0.0425B+0.18C-0.0125AB-0.0375AC-0.0125BC-0.2673A2-0.1123B2-0.1873C2；
Y2=1.56+0.0487A+0.0562B+0.225C-0.0525AB-0.07AC-0.015BC-0.3533A2-0.1482B2-0.2208C2；
Y3=0.994+0.0237A+0.03B+0.413C-0.0175AB-0.045AC-0.0125BC-0.217A2-0.0895B2-0.147C2。
三响应值 Y1、Y2 和 Y3 的方差分析结果见表4～6，通过对 3个回归模型进行方差分析可知，3 个模型的 P 值均小于 0.0001，决定系数均大于 0.95，表明该模型极显著，失拟项 P 值均大于 0.05，不存在显著性，模型的校正决定系数分别为 0.9861、0.9878 和 0.9898，变异系数分别为 2.64%、 2.66% 和 2.37%，说明该模型的重现性和拟合效果较好，可以准确反映 3 个因素对有机肥料标准品中氮、磷、钾 3 个响应值的影响，并对该工艺过程进行分析和预测。
表3响应面优化试验设计与结果
由表4中 P 值和 F 值可知，一次项 H2SO4 添加量（A）、HClO4 添加量（B）、HF 添加量（C） 对肥料标准品中氮含量测定的影响从大到小依次为 C>B>A，其中一次项 H2SO4 添加量（A）单独作用对肥料标准品中氮含量测定（响应值 Y1）的影响显著，HClO4 添加量（B）和 HF 添加量（C）单独作用对肥料标准品中氮含量测定的影响极显著。 AC 之间的交互作用对肥料标准品中氮含量测试的影响显著。其余交互项对肥料标准品中氮含量测定的影响不显著。二次项 A2、B2 和 C2 的 P 值均小于 0.01，对肥料标准品中氮含量测定的影响极具显著性。
由表5中 P 值和 F 值可知，一次项 A、B、C 对肥料标准品中磷含量测定（响应值 Y2）的影响从大到小依次为 C>B>A，其中一次项 A、B、C、交互项 AC，二次项 A2、B2 和 C2 的 P 值均小于 0.01，对肥料标准品中磷含量测定的影响具极显著性。交互项 AB 的 P 值小于 0.05，对肥料标准品中磷含量测定的影响显著。其余交互项对肥料标准品中磷含量测定的影响不显著。
表4有机肥料标准品中氮含量测定模型及回归系数的分析结果
注：P<0.01 为极显著，用 ** 表示，P<0.05 为显著，用 * 表示，ns 为不显著。R2、R2adj、R2per 分别为决定系数、校正决定系数、验证决定系数。下同。
表5有机肥料标准品中磷含量测定模型及回归系数的分析结果
由表6中 P 值和 F 值可知，一次项 A、B、C 对肥料标准品中钾含量测定（响应值 Y3）的影响从大到小依次为 C>B>A，其中一次项 A、B、C、交互项 AC 以及二次项 A2、B2、C2 的 P 值均小于 0.01，对肥料标准品中钾含量测定的影响极显著。其余交互项对肥料标准品中钾含量测定的影响不显著。
表6有机肥料标准品中钾含量测定模型及回归系数的分析结果
2.3 响应面图形分析及最佳酸系比例条件的确定
响应面的最高点和等高线中最小椭圆的中心代表着响应值在所考察因素范围内存在的极值。对 17 组试验条件及结果用 Expert-Design 13.0 作两两因素间交互作用对三响应值的影响 3D 图，结果如图2所示。由图2可知，响应面图像开口均朝下，表明肥料标准品中氮、磷、钾含量测定值随着各个因素值的增大而呈现出增大的趋势，响应面的顶点处为响应值的最大值，且 AB、AC 和 BC 之间交互作用对肥料标准品中氮、磷、钾含量测定影响的显著性与方差分析表中交互项 P 值的分析结果一致。
由图2可知，AB、AC 和 BC 的 3D 响应面图均呈拱形；由图2a可知，AC 曲度最大，且等高线偏椭圆形，AB 响应面曲度较小，BC 等高线偏正圆形且疏密度较低，说明 AC 的交互作用对肥料标准品中氮、磷、钾含量测定的影响强于 AB 和 BC，影响肥料标准品中氮含量测定的各因素之间的交互作用大小为 AC>AB=BC；由图2b可知，AB 和 AC 曲度较大，且等高线偏椭圆形，密度较高，BC 交互项的 3D 响应面图相对较为平缓，等高线图偏正圆形且密度较低，说明 AB 和 AC 的交互作用对肥料标准品中磷含量测定的影响强于 BC，影响肥料标准品中磷含量测定的各因素之间的交互作用大小为 AC>AB>BC； 由图2c可知，BC 的 3D 响应面图曲度较为平缓且等高线图偏正圆形，说明 AC 的交互作用对肥料标准品中钾含量测定的影响强于 BC，影响肥料标准品中钾含量的各因素之间的交互作用大小为 AC>AB>BC。
根据 Design-Expert 13.0 运行结果，得到最佳参数条件是 H2SO4 添加量 5.001 mL、HClO4 添加量为 1.067 mL、HF 添加量为 2.238 mL，在此条件下得到肥料标准品中氮、磷、钾含量最大值分别为 1.338%、1.625%、1.03%。考虑到实际操作时的便捷性，确定最优酸系比例为 5 mL H2SO4+1 mL HClO4+2.5 mL HF。在此工艺条件下进行 3 次平行试验进行验证。得到的产品肥料标准品中氮、磷、钾含量分别为 1.312%±0.036%、1.608%±0.019%、0.988%± 0.016%，测定值与标准品值接近，说明该模型的预测性较好。
2.4 不同消煮方式重复性试验
通过优化后的微波消解法和标准方法测得有机肥料标准品中氮、磷、钾含量重复性试验结果见表7，可以看出标准样品测得值均在证书标值范围内，说明两种消煮方法测定结果的准确性符合要求，同时通过对标准样品 5 次平行结果测定分析，经计算标准方法测得氮、磷、钾的相对标准偏差为 0.95%～5.29%；微波消解法测得相对标准偏差为 0.96%～1.31%。两种消煮方法的测定结果均符合测试允许差要求，但采用微波消解法所得数据的相对标准偏差均低于标准方法，表明微波消解法在测定平行样本时的误差更小，测试结果更为精确可靠。
图2各因素交互作用的响应面及等高线图
表7有机肥料标准品氮、磷、钾含量测定结果
2.5 不同消煮方法对生物炭基有机肥样品中氮、磷、钾含量测定的影响
随机选取两种市售的生物炭基有机肥料为供试样品，每个样品做 3 次重复，测定结果见表8。两种消煮方法测得的平均值均符合 NY/T3618—2020《生物炭基有机肥料》中允许差的规定，而通过微波消解法测得数据的相对标准偏差为 0.04%～0.37%，均小于标准方法，即微波消解法测定的平行结果间误差更小，测定结果更精确。
表8生物炭基有机肥氮、磷、钾含量测定结果
3 讨论
本研究总结生物炭基有机肥料样品检测过程中的问题，提出以微波消解法替代传统的样品前处理消煮方式，通过对标准方法和微波消解法测试过程及测试结果的比较分析，发现两种消煮方法均可达到方法要求，但微波消解法测得的样品结果相对标准偏差均低于原方法，重复性更好，测试结果更稳定。两种消解方法处理原理相同，均是利用酸系对样品中的有机肥料元素进行消煮，值得注意的是，在实际操作过程中，标准方法中的消煮过程需通过试验人员对溶液的观察，逐次加入 30% 过氧化氢溶液消解，直至溶液呈无色或淡黄色清液后完成消煮，鉴于生物炭性质独特，实际操作中难以统一这一颜色转变的标准。因此，在采用标准方法测定生物炭基有机肥料的养分含量时，建议当溶液达到均匀的棕黑色时即可进行后续操作。相比之下，微波消解法允许设定固定的温控程序和消解时间，有效减少了因试验人员操作差异而引入的误差，从而提高了测定结果的重复性和准确性。且标准方法消煮过程中需经酸系浸泡样品一晚后加温处理，而微波消解法可直接通过仪器处理，微波消解法显著缩短了样品分析的时间。
4 结论
本研究通过进行响应面试验成功确定了微波消解法在测定生物炭基有机肥料养分含量时的最佳酸体系配比，即 5 mL H2SO4+1 mL HClO4+2.5 mL HF。采用此优化后的酸配比体系，微波消解法不仅能够确保测定结果与标准方法所得结果的一致性，且在误差允许的范围内，展现了其简化试验流程、提升测试精度、操作简便快捷的优势。因此，微波消解法为生物炭基有机肥料中氮、磷、钾等关键养分含量的测定提供了一种高效率、高准确性的分析新途径。
