基于钼蓝比色法的土壤速效磷测定参数筛选

基于钼蓝比色法的土壤速效磷测定参数筛选 基于钼蓝比色法的土壤速效磷测定参数 筛选 蒲攀，张淼，张丽楠 (中国农业大学，现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京 100083) 5 摘要:磷钼蓝比色法是常用的土壤速效磷检测标准 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 之一，为测土配方施肥提供重要指导 依据。然而在实际操作中发现，显色温度和钼蓝稳定时间会影响比色法的检测结果。为确保 土壤速效磷的检测精度，本文在 10?-40?、钼蓝反应结束后的 0-80 分钟范围内对实际土样 进行交叉实验，对比了单次标定方式和独立标定方式的检测结果，最终分别获得适用于不同 标定方式的优化检测条件。在优化检测条件下，单次标定方式的测量误差虽约为独立标定方 10 式的 3 倍但其缩短了检测时间因而更适合多样本批量检测。通过选取全国主要作物种植区的 55 个土壤样本对单次标定方式下的优化检测条件进行测量验证，测量结果满足精度要求 (MRE=0.042)并且与标准结果具有较好的相关性(R^2=0.97)，验证结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明优化的检测 条件能够保证土壤速效磷检测精度并且具有一般适用性。 关键词:农业电气化与自动化;土壤速效磷;钼蓝比色法;显色温度;稳定时间 15 中图分类号:O657.32;S24 The determination of measured parameters in detecting Soil available phosphorus based on molybdenum blue colorimetric method 20 Pu Pan, Zhang Miao, Zhang Linan (Key Laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing 100083) Abstract: Molybdenum blue colorimetric method is one of the standard methods of detecting soil available phosphorus and is crucial to guide variable fertilization. In practice, however, we find 25 that color-developing temperature and stable time could affect test results. To ensure precision, in this paper we conducted a full factorial experiment under the temperature range from 10? to 40? and time range from 0 to 80 minutes after color reaction and compared the test results in single calibration mode with that in repetitive calibration mode. Eventually we optimized temperature and testing time conditions in the two different calibration modes respectively. Under 30 the optimum conditions we conducted a verification test using 55 soil samples which were collected from main crop-growing regions of China. The test results had a better linear correlation with standard results (R^2 = 0.97) and a small mean relative error (MRE = 0.047), which could meet the accuracy requirement of variable fertilization. Keywords: Agricultural Electrification and Automation; Soil available phosphorus; Molybdenum 35 blue colorimetric method; Color-developing temperature; Stable time 0 引言 磷是植物生长必需的元素，而磷肥施用过量不仅阻碍作物增产[1]还会增加农业生产成本 并破坏土壤环境和造成污染[2]。快速、准确的测定土壤速效磷含量对测土配方施肥有着十分 40 重要的意义[3-5]。目前，土壤速效磷的检测方法有荧光法、极谱法、ICP-AES 法、离子色谱 法、和比色法等[6-9]，其中磷钼蓝比色法是当前土壤速效磷检测的最常用方法[10]。 然而磷钼蓝比色法的检测结果会受到温度和检测时间的影响，对此国内外学者进行了一 基金项目:高等学校博士点专项科研基金资(20110008120023);国家自然科学基金(31201136 & 61134001) 作者简介:蒲攀，(1982-)，男，博士生，主要从事农业电气化与自动化研究。 通信联系人:张淼， 1982-)，女，讲师，博士，主要从事农业信息获取技术研究。zhangmiao@cau.edu.cn ( -1- 些相关研究。Anders Sjösten、Sven Blomqvist[11]研究了温度与水体样本中磷酸盐浓度对磷钼 45 [12]通过研究指出土壤速效磷的浸提温度会引起检测结果 蓝反应时间的影响。FuhrmanJ K 等 的显著差异。Olsen 等[13]在 20?,30?范围内进行浸提测试，结果表明以(25?1)?为标准 浸提温度，当温度每变化?1?，土壤速效磷测量结果相应变化?0.43 mg/kg。针对浸提温度 难以严格控制的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，马新民等[14]、张行峰等[15]、许福涛[16]分别研究了“校正系数法”、 “浸提剂调温法”用以修正温度的干扰。张福锁等[17]研究指出温度会显著影响硅钼蓝的反 应速率和显色基团稳定时间，并推荐 25?为理想检测温度。 50 已有的研究多集中于浸提温度和磷钼蓝反应时间对测量结果的影响，温度也局限在较小 范围内，而对显色温度和磷钼蓝稳定时间的影响作用却少有研究。因此，在较大的显色温度 和稳定时间范围内研究出满足测量精度要求的检测条件对于土壤速效磷实地检测具有重要 意义。 1 材料与方法 55 实验材料 1.1 (1)主要仪器 实验用到的仪器包括:美国海洋光学公司 USB4000 型光纤光谱仪、日本岛津公司 BL-220H 电子天平(精度为 0.001g)、上海精宏公司 DKB-1915 型低温恒温水浴槽(温度波 60 动?0.1?)。 (2)试剂材料 实验用到的试剂有:碳酸氢钠、磷酸二氢钾、酒石酸氧锑钾、钼酸铵、硫酸、抗坏血酸、 水，所有的试剂为分析纯等级，水为去离子水。 实验用材料:速效磷含量低于 50ppm 并按梯度规律从小到大变化的 5 个土壤样本 No.1 —No.5，土样风干粉碎后经 1mm 过筛。 65 实验方法 1.2 (1)土样浸提液制备 、18] 、过滤。 在 25?1?下，按照土样与浸提剂 1:20(土样 2.5g，浸提剂 50mL)浸提[13 多次重复该操作并均匀混合滤液直至同一土样的滤液总量满足实验用量。其中，浸提剂为 70 0.5mol/L 碳酸氢钠溶液，调整 PH=8.5。 (2)速效磷含量测量 设置恒温水浴环境(10?、15?、20?、25?、30?、35?、40?)，分别在各个温度 [18]，之后使用光谱仪在 700nm 处对 下对磷标准工作溶液、土样浸提液进行 30 分钟显色反应 已显色溶液进行 10 分钟间隔的吸光度测量，总测量时间 80 分钟。利用磷标准溶液的吸光度 回归得到标定方程和土壤样本溶液的吸光度计算得到各温度下不同检测时刻的样本浓度测 75 、 18] 量值，重复 4 次，以 4 次浓度测量值的平均作为最终样本浓度值，以理想检测条件[17 (25 ?、初始检测时刻 0 分钟)测量结果的均值为标准值进行比对分析。 2 结果与分析 独立标定方式的优化测量条件 2.1 用各检测时刻获得的不同标定方程计算出的土壤速效磷含量为独立标定方式计算结果。 80 -2- 不同检测条件下样本组的最大相对误差 如表 1 所示。 的定义如(1)式。 独立标定方式下样本组的最大相对误差 表 1 Tab.1 The maximum relative errors of sample groups in repetitive calibration mode 检测 样本组最大相对误差 (%) 时间 15? 20? 25? 30? 35? 40? (分钟) 10? 0 8.6 2.6 3.1 0.0 3.2 3.8 3.1 10 7.9 2.2 3.2 2.3 1.8 1.8 3.6 20 5.5 2.1 3.3 1.9 2.8 2.4 4.6 30 3.0 2.0 2.5 1.9 4.3 1.8 0.9 40 2.3 2.1 4.1 2.0 3.8 3.1 1.5 50 3.4 2.9 2.4 3.0 3.4 1.5 1.5 60 4.4 3.6 3.6 2.9 1.5 1.0 4.2 70 4.8 4.4 3.4 2.4 2.1 1.6 4.9 80 4.5 3.6 4.9 3.3 2.4 2.3 4.7 85 (1) 其中， 为在温度 T，时间 t 的条件下样本组的最大相对误差; 为土壤样本 i 在 T、t 条件下的 4 次速效磷浓度测量均值; 为理想测试条件下样本 i 的速效磷浓度均 值。 90 比色法测定土壤速效磷的允许相对误差应小于 5%[18]，表中用下划线标出不满足精度要 求的数据，由表可知显色温度低于 15?时，显色 30 分钟的测试结果不能满足精度要求，其 原因是低温时显色反应速度较慢[17]，部分低浓度样本溶液不能显色完全。若要在低于 15? 进行测量，为满足精度要求，需将有效检测时间后推 30 分钟。高于 15?时，独立标定方式 的测量结果在显色反应后的 80 分钟内均满足精度要求。 在固定温度下，以样本 i 在各可行检测时刻的对应测量值作为样本 i 在该温度下的平行 95 测定结果，平行结果的相对标准方差 RSD 变化范围如图 1 示。 图 1 独立标定方式下检测结果的相对标准偏差 Fig.1 Relative standard deviation in repetitive calibration mode 100 由图可看出，在独立标定方式下，虽然随着样本浓度的降低各检测时刻测量结果的变异 性呈递增趋势，但在 10?,40?范围内，所有测量结果的 RSD 值都在 3%以内。可以认为 测量结果随检测时间的变化不显著，即在有效检测时间范围内，独立标定方式下的测量结果 与检测时间无关。 -3- 一次标定方式的优化测量条件 105 2.2 在有效检测时间的初始时刻获得唯一的标定方程，随后在不同检测时刻使用该标定方程 计算出的土壤速效磷含量为一次标定方式的计算结果。该方式节省了检测时间，对于批量样 本的现场快速检测而言一次标定方式更具有实际操作意义。 在不同温度和检测时间条件下采用一次标定方式的样本组最大相对误差 所 如表 2 示。 110 一次标定方式下样本组的最大相对误差 表 2 Tab.2 The maximum relative errors of sample groups in single calibration mode 检测 样本组最大相对误差 (%) 时间 15? 20? 25? 30? 35? 40? (分钟) 10? 0 2.6 3.1 0.0 3.2 3.8 3.1 10 3.1 3.7 2.8 3.2 3.8 4.8 20 2.8 3.8 4.0 3.2 4.1 4.8 30 4.5 4.3 3.0 3.1 4.9 4.6 2.3 40 4.9 4.3 3.7 4.0 4.9 3.8 4.8 50 4.9 4.3 3.8 4.3 4.9 4.6 9.7 60 4.9 4.3 3.7 6.0 6.6 5.6 9.7 70 3.0 6.0 5.5 7.7 6.6 5.6 5.2 80 4.9 6.0 5.8 6.0 8.3 5.6 5.2 用下划线标出了相对误差高于 5%的数据。从表中看到，由于温度对显色反应速率的影 115 响，低于 15?时，初始有效检测时间仍需后延 30 分钟以保证测量精度。在 15?,40?进行 连续测量时，有效检测时间依不同温度要控制在检测开始后的 40-60 分钟内。对比 2.1 的结 果分析，引起有效测量时间变短的原因是随着温度的升高，磷钼蓝显色基团的稳定性受到影 、19] 响[17 。此外，去离子水中的可溶性硅引起的空白样(即零点)吸光度的漂移也是部分可 [20] 能原因 。 120 在不同温度下，各检测时刻的平行测定结果的相对标准方差 RSD 变化如图 2 示，从图 中可以看到，10?,40?范围内各检测时间平行测量结果的 RSD 值在 3%以内。可以认为在 有效检测时间范围内一次标定方式的测量结果与检测时间无关。 图 2 一次标定方式下检测结果的相对标准偏差 Fig.2 Relative standard deviation in single calibration mode 125 两种标定方式比较 2.3 在同一温度 T 下，取两种标定方式的公共有效检测时间范围，在该时间范围内以样本 i 在温度 T 下的各检测时刻的测量结果均值作为样本 i 在温度 T 下的最终检测结果。两种标定 130 方式下样本速效磷浓度测量结果的相对误差对比如表 3 示。对各样本而言，A 列的数值在绝 大多数情况下小于 B 列从而说明独立标定方式的测量结果比一次标定方式更为精确。计算 -4- 对比 A 列数据均值和 B 列数据均值可知，一次标定方式下测量结果的相对误差约为独立标 定方式的 3 倍左右。 表 3 两种标定方式的测量精度对比 Tab.3 Comparison of the measurement accuracy of two calibration modes 135 A 独立标定方式与 B 一次标定方式结果的相对误差(%) 温度 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 (?) A B A B A B A B A B 10 3.6 3.5 2.6 2.3 0.2 3.4 0.3 3.0 1.2 1.2 15 1.1 3.6 1.1 1.9 1.0 2.9 0.7 1.8 2.0 2.9 20 1.5 1.9 1.0 1.3 1.4 1.6 0.9 1.1 2.8 2.9 25 0.6 2.4 0.6 2.7 1.1 2.5 0.9 1.9 1.8 2.6 30 1.1 4.1 0.2 3.1 0.8 2.9 0.9 2.3 1.9 3.1 35 0.1 3.8 0.9 3.7 1.4 3.5 0.6 1.0 0.1 1.6 40 1.3 3.8 0.5 3.1 0.3 3.0 0.4 1.7 0.1 2.1 实验验证 3 选取全国主要作物种植区的 55 个土壤样本对优化的测试条件进行验证测试，土壤类型 含(沙土、粘土、壤土)，对土样进行标准浸提后在室温下采用一次标定方式测量速效磷含 140 量，有效测量时间控制在检测开始后 40 分钟内，对比检测结果与标准测量值(25?，0 分 钟)如图 3 示。 图 3 55 个样本的验证结果比较 Fig.3 The comparison of 55 soil samples about testing and standard results 145 在优化的检测条件下，采用一次标定方式的测量结果与标准值具有极好的相关性 2 (R =0.97)，计算 55 个验证样本相对误差的均值为 4.2%。验证结果表明在优化的检测条 件下，测量结果能够保证精度要求且优化条件具有一般适用性。 4 结论 本文针对利用比色法测定土壤速效磷的过程中，显色温度和稳定时间会影响检测结果的 150 问题，通过交叉优化实验研究和分析得出如下结论: (1)在 10?,40?温度范内可以有效检测土壤速效磷。但在低于 15?时由于显色速度 变慢，检测初始(即显色完毕)时间需要后延 30 分钟。 (2)有效检测时间受标定方式和温度影响。独立标定时，显色完毕后的 50 分钟可进行 有效检测。一次标定方式的有效检测时间为显色完毕后的 40 分钟。在各自的有效检测时间 155 内，测量结果随检测时间的变化不显著。 (3)在优化的检测条件下独立标定方式的测量结果更为精确，一次标定方式的测量误 差约为独立标定方式的 3 倍左右。 -5- (4)针对实地现场环境下应用比色法测定土壤速效磷，为了更好的完善的优化检测条 160 件，需要进一步考虑土样浸提液 PH 值的影响，并针对显色温度、钼蓝稳定时间、PH 值对 检测结果的影响进行神经网络建模，这需要进一步做大量的实验分析和研究工作。 [参考文献] (References) [1] 宋春凤，徐坤，刘启新. 磷肥对芋生长和产量的影响[J]. 江苏农业科学，2011，39(3):180-181. 4 期:43. 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