秦 琳，仲伶俐，羅 玲，周 虹，趙 珊，黃世群，楊定清

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測試中心，四川成都610066）

土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）是指帶負(fù)電荷的土壤膠體在靜電引力作用下能夠吸附溶液中各種陽離子（K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH4+，H+和Al3+等）的總量，以每千克土壤的厘摩爾數(shù)表示（cmol（+）/kg）[1-3]。土壤中陽離子交換量的測定是表征土壤性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，不同土壤由于其黏土礦物和腐殖質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量不同，其陽離子交換量的差異很大。CEC 的大小可反映土壤的緩沖性能，在實(shí)際生產(chǎn)中，可用于評(píng)價(jià)土壤的保肥能力，是指導(dǎo)施肥時(shí)重要的參考依據(jù)[4-8]。因而，對(duì)土壤陽離子交換量的測定具有重大意義。

土壤陽離子交換量的測定結(jié)果受多種因素的影響，如交換劑的性質(zhì)、pH、淋洗方式等，必須對(duì)操作技術(shù)嚴(yán)格掌控才能獲得真實(shí)可靠的結(jié)果。目前，常用的測定方法有乙酸銨交換法（適用于酸性和中性土壤）、氯化鋇- 硫酸鎂法（適用于高度風(fēng)化酸性土壤）、氯化銨- 乙酸銨交換法（適用于石灰性土壤）、乙酸鈉- 火焰光度法（適用于石灰性土壤和鹽堿土）等。其中，乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法在我國土壤和農(nóng)化實(shí)驗(yàn)室采用較為廣泛[9-10]。其方法原理為用1 mol/L 乙酸銨溶液反復(fù)處理土壤，使土壤成為NH4+飽和土。用乙醇洗去多余的乙酸銨后，加固體氧化鎂蒸餾，用硼酸溶液吸收蒸餾出的氨，然后用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)NH4+的量計(jì)算陽離子交換量。對(duì)于石灰性土壤的檢測，土壤樣品先用1 mol/L 氯化銨溶液加熱處理，分解除去土壤中的碳酸鈣，然后用1 mol/L 乙酸銨交換法測定陽離子交換量。乙酸銨的緩沖容量較強(qiáng)且交換過程pH 恒定，不會(huì)破壞土壤吸收復(fù)合體，多余的乙酸銨易于被乙醇洗除，故飽和在土壤中的NH4+可直接蒸餾測定，此方法測定結(jié)果穩(wěn)定，重現(xiàn)性好。但是，在進(jìn)行大批量土樣檢測時(shí)，樣品要經(jīng)乙酸銨和乙醇多次洗滌處理和離心分離，耗時(shí)太長且步驟繁瑣[11]；傳統(tǒng)的蒸餾裝置效率低，耗費(fèi)人工[12-13]；人工滴定難以保證始終穩(wěn)定達(dá)到滴定終點(diǎn)[14]。在實(shí)際操作時(shí)，以上因素都會(huì)增加人為誤差和系統(tǒng)誤差，影響測定結(jié)果的真實(shí)可靠性。

本研究在完成大批量土樣的陽離子交換量檢測后，對(duì)常規(guī)的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法進(jìn)行改良探討，利用瓶口分液器、旋渦混合儀、凱氏定氮儀和自動(dòng)電位滴定儀改善試驗(yàn)條件，在遵循實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上對(duì)樣品稱樣量、乙酸銨和乙醇的用量、洗滌離心次數(shù)、定氮儀的蒸餾時(shí)間和蒸汽量進(jìn)行了改良探討，并以土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來驗(yàn)證該方法的精密度和準(zhǔn)確度，總結(jié)出一套準(zhǔn)確度好、精密度和工作效率高，且實(shí)用性更佳的測定方法。

1 材料和方法

1.1 材料

所用土壤樣品由農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心（成都）提供。供試土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心研制，分別為黑龍江黑土（GBW07458）、新疆灰鈣土（GBW07459）和陜西黃綿土（GBE07460）。

1.2 試劑

1 mol/L 乙酸銨溶液（pH 值7.0）；95%乙醇溶液（工業(yè)用，必須無NH4+）；甲基紅- 溴甲酚綠混合指示劑；20 g/L 硼酸指示劑溶液；0.05 mol/L 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液；pH 值為10 的緩沖溶液；K-B 指示劑；固體氧化鎂；1 mol/L 氯化銨溶液。

1.3 儀器

電動(dòng)離心機(jī)（型號(hào)為TG-1850，最高轉(zhuǎn)速為18 500 r/min）；旋渦混合儀（型號(hào)為WH-3）；凱氏自動(dòng)定氮儀（型號(hào)為FOSS8200）；自動(dòng)電位滴定儀（型號(hào)為877 Titrino plus）。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用12 個(gè)土壤樣品對(duì)常規(guī)的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法中試劑用量和定氮儀蒸餾參數(shù)進(jìn)行改良探討，其中，酸性與中性土壤6 份，堿性土壤6 份；采用428 個(gè)酸性與中性土壤樣品和112 個(gè)堿性土壤樣品進(jìn)行洗滌離心次數(shù)的改良；選擇1 個(gè)酸性和2 個(gè)石灰性土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行CEC 測定，驗(yàn)證改良后方法的精密度和準(zhǔn)確度。

對(duì)乙酸銨交換法的改良，設(shè)計(jì)試劑用量為40，50 mL，蒸餾時(shí)間3.5，4 min 2 因素2 水平正交試驗(yàn)；氯化銨- 乙酸銨交換法則設(shè)計(jì)蒸餾時(shí)間3.0，3.5 min單因素2 水平試驗(yàn)，將乙酸銨和乙醇用量分別設(shè)定為40，50 mL，每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 乙酸銨洗滌離心 酸性與中性土樣稱取通過1 mm 篩孔的風(fēng)干樣2.0 g，放入100 mL 離心管中，用瓶口分液器沿離心管壁加入20 mL 1 mol/L 乙酸銨溶液，擰緊蓋子，置于旋渦混合儀上混合15 s，使其成為均勻的泥漿狀態(tài)。再加20 mL 1 mol/L 乙酸銨溶液至總體積40 mL，混合15 s。

堿性土樣稱取通過2 mm 篩孔的風(fēng)干土樣2.5 g，放入200 mL 燒杯中，加入1 mol/L 氯化銨溶液約25 mL，蓋上表面皿，放在電爐上低溫煮沸，大約需20 min 便無氨味。燒杯內(nèi)的土樣用1 mol/L 氯化銨溶液洗入100 mL 離心管中，平衡好離心管，離心4 min，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，棄去離心管中的清液。以下操作同酸性與中性土壤。

將離心管對(duì)稱地放入離心機(jī)中，離心4 min，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，如此用1 mol/L 乙酸銨溶液處理3～5 次，直到最后浸出液中無鈣離子反應(yīng)為止（取最后一次離心后上清液5 mL，加1 mL pH 值為10 的緩沖液，少許K-B 指示劑，若檢出液無紫紅色，表示鈣離子已除盡）。

1.5.2 乙醇洗滌離心 用瓶口分液器向載土的離心管中加入20 mL 95%乙醇，擰緊蓋子，置于旋渦混合儀上混合15 s，再加20 mL 至總體積40 mL 后，混合15 s。將離心管對(duì)稱放入離心機(jī)中，離心4 min，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，棄去乙醇溶液。如此反復(fù)用乙醇洗3～4 次，直至最后一次乙醇溶液中無銨離子為止（取最后一次離心后上清液5 mL，加2 滴甲基紅- 溴甲酚綠混合指示劑，若檢出液無綠色，表明銨離子已除盡）。

1.5.3 蒸餾滴定 用水將全部土樣轉(zhuǎn)入蒸餾管內(nèi)，洗入水的體積應(yīng)控制在50～80 mL，蒸餾前加1 g氧化鎂，設(shè)置硼酸吸收液為30 mL，立即把蒸餾管裝在凱氏自動(dòng)定氮儀上蒸餾。待蒸餾結(jié)束后，取下燒杯，放在自動(dòng)電位滴定儀上，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，記錄滴定體積數(shù)，同時(shí)做空白試驗(yàn)。

式中，CEC 為陽離子交換量（cmol（+）/kg）；c 為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/L）；V 為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量（mL）；V0為空白試驗(yàn)鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量（mL）；m1為風(fēng)干土樣質(zhì)量（g）；k2為將風(fēng)干土換算成烘干土的水分換算系數(shù)；10 為將mmol 換算成cmol 的倍數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試劑用量分析

按試驗(yàn)方法，隨機(jī)選取6 份酸性與中性土壤和6 份堿性土壤進(jìn)行了乙酸銨和乙醇用量對(duì)比，檢測結(jié)果列于表1 和表2。用乙酸銨交換法測定的6 份酸性與中性土壤樣品，在控制蒸餾時(shí)間和蒸汽量不變的情況下，乙酸銨和乙醇用量都設(shè)定為40 mL 或50 mL 時(shí)，對(duì)測定結(jié)果的影響差異不顯著，表明試劑量40 mL 時(shí)已達(dá)到實(shí)際要求；用氯化銨- 乙酸銨交換法測定6 個(gè)堿性土壤樣品，將乙酸銨和乙醇用量分別設(shè)定為40，50 mL，蒸汽量為100%，蒸餾時(shí)間設(shè)定為3 min 或3.5 min 時(shí)，對(duì)測定結(jié)果的影響差異不顯著。因而，從節(jié)約試劑成本、降低廢液排放污染的角度出發(fā)，將乙酸銨交換法的試劑用量設(shè)定為40 mL，氯化銨- 乙酸銨交換法的乙酸銨和乙醇用量分別定為40，50 mL 是完全合理的，且使用瓶口分液器，可嚴(yán)格控制加入試劑含量，免去離心前粗天平配平這一步驟。在蒸餾前，向蒸餾管中加固體氧化鎂后，立即將蒸餾管連接在蒸餾儀上，這樣可省去加2 mL 液體石蠟這一步驟，節(jié)約了試劑成本，減少了工作時(shí)間，有效減少石蠟對(duì)蒸餾儀流路和自動(dòng)電位滴定儀電極的污染。

表1 乙酸銨法試劑用量和定氮儀設(shè)置參數(shù)的確定 cmol（+）/kg

表2 氯化銨-乙酸銨法試劑用量和定氮儀設(shè)置參數(shù)的確定 cmol（+）/kg

2.2 定氮儀蒸餾參數(shù)分析

按試驗(yàn)方法，選擇不同蒸餾時(shí)間和蒸汽量組合，對(duì)隨機(jī)選取的6 份酸性與中性土壤和6 份堿性土壤樣品CEC 含量進(jìn)行了測定，結(jié)果列于表1 和表2。由表1 可看出，用乙酸銨交換法測定的6 份酸性與中性土壤樣品，在確定試劑用量都為40 mL時(shí)，蒸汽量保持100%，CEC 的測定值隨蒸餾時(shí)間增加而增加，即蒸餾時(shí)間設(shè)定為4 min，較蒸餾時(shí)間為3.5 min 時(shí)CEC 的測定值高，這表明在保證土壤中陽離子被銨離子完全置換，并除去Ca2+和多余的銨離子后，蒸餾時(shí)間定為4 min 時(shí)，土壤中交換的銨離子才能被更大程度的蒸餾出來，被硼酸充分的吸收，測定出較準(zhǔn)確的結(jié)果。由表2 可知，用氯化銨-乙酸銨交換法測定的6 個(gè)堿性土壤樣品，在將乙酸銨和乙醇用量分別定為40，50 mL，蒸汽量保持100%時(shí)，蒸餾時(shí)間為3 min或3.5 min，其CEC 測定值差異不顯著，為節(jié)約工作時(shí)間，可將蒸餾時(shí)間縮短為3 min。因此，蒸汽量定為100%，將乙酸銨交換法蒸餾時(shí)間定為4 min，將氯化銨- 乙酸銨交換法蒸餾時(shí)間定為3 min，能得到較為理想的測定結(jié)果。

2.3 洗滌離心次數(shù)分析

表3 乙酸銨和乙醇洗滌離心次數(shù)的確定

按試驗(yàn)方法，對(duì)以往檢測的428 個(gè)酸性與中性土壤樣品和112 個(gè)堿性土壤樣品在洗滌離心后，上清液中殘留離子及檢出情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表3所示。由表3 可知，用乙酸銨交換法測定的428 個(gè)酸性與中性土壤樣品，乙酸銨洗滌離心3 次后，上清液未檢出Ca2+，表示Ca2+已被完全除盡，土壤已被銨離子飽和；乙醇洗滌離心3 次后，上清液銨離子的未檢出率達(dá)98.6%，在進(jìn)行大批量樣品檢測時(shí)，可認(rèn)為銨離子已被除盡，因?yàn)樵黾右掖嫉南礈齑螖?shù)或洗滌離心次數(shù)，都會(huì)促使乙醇對(duì)土壤的分散，使得離心后上清液變渾濁，造成土壤樣品損失，導(dǎo)致最終測定結(jié)果偏低。用氯化銨- 乙酸銨交換法測定的112 個(gè)堿性土壤樣品，乙酸銨洗滌離心3 次后，上清液中Ca2+的未檢出率僅為59.8%，這是由于石灰性土壤被氯化銨加熱處理后，分解的碳酸鈣導(dǎo)致土壤中Ca2+含量增加，因而，增加洗滌次數(shù)為5 次后，上清液中Ca2+才被除盡；相比酸性與中性土壤，堿性土壤在處理時(shí)，由于氯化銨的加熱處理和乙酸銨的洗滌次數(shù)增加，都使得土壤中銨離子含量較高，用乙醇洗滌離心4 次后，銨離子的未檢出率可達(dá)97.3%。因而，在對(duì)大批樣進(jìn)行CEC 測定時(shí)，統(tǒng)一規(guī)定酸性與中性土壤樣品乙酸銨和乙醇分別洗滌3 次，堿性土壤乙酸銨洗滌3 次后檢查Ca2+，若檢出，可增加乙酸銨洗滌至5 次，乙醇洗滌4 次。在實(shí)際檢測堿性土壤CEC 時(shí)，乙酸銨洗3 次后，檢查Ca2+，使用瓶口分液器加試劑，沒有耗費(fèi)太多時(shí)間，比起將洗滌次數(shù)統(tǒng)一規(guī)定為5 次，這樣做不僅可減少工作時(shí)間，提高工作效率，而且也降低了試劑用量。

2.4 方法準(zhǔn)確度和精密度驗(yàn)證

按改良后的試驗(yàn)方法，選擇1 個(gè)酸性和2 個(gè)石灰性土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行CEC 測定，分別為黑龍江黑土（GBW07458，準(zhǔn)確值及不確定度（30±1）cmol（+）/kg）、新疆灰鈣土（GBW07459，準(zhǔn)確值及不確定度（13.8±0.7）cmol（+）/kg）和陜西黃綿土（GBW07460，準(zhǔn)確值及不確定度（9.6±1.3）cmol（+）/kg），同時(shí)進(jìn)行空白試驗(yàn)，每個(gè)樣品做4 個(gè)平行試驗(yàn)，測定結(jié)果列于表4。

表4 方法準(zhǔn)確度和精密度驗(yàn)證

從表4 可以看出，對(duì)常規(guī)的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法進(jìn)行改良后，通過自動(dòng)定氮儀和自動(dòng)電位滴定儀測定的4 組標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)CEC 值與標(biāo)準(zhǔn)值高度一致，且精密度高，完全符合要求。

3 討論

本研究對(duì)常規(guī)的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法進(jìn)行了改良探討，具體就其在樣品稱樣量、乙酸銨和乙醇的合理用量、洗滌離心次數(shù)、定氮儀的蒸餾時(shí)間和蒸汽量方面進(jìn)行了優(yōu)化，并利用瓶口分液器、旋渦混合儀、凱氏定氮儀和自動(dòng)電位滴定儀改善試驗(yàn)條件，總結(jié)出了一套工作效率高且實(shí)用性更佳的快速測定方法。經(jīng)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證，此方法的精密度和準(zhǔn)確度均符合要求。在進(jìn)行大批量土壤樣品CEC 檢測作業(yè)時(shí)，此方法更具優(yōu)勢。對(duì)比傳統(tǒng)的方法，乙酸銨和乙醇的用量減少了1/6 ～1/3，不加石蠟，洗滌次數(shù)也適當(dāng)減少，有效降低了樣品檢測時(shí)間和試劑成本；半自動(dòng)凱氏定氮儀配合自動(dòng)電位滴定儀、旋渦混合儀，大幅度減少了蒸餾和滴定所耗費(fèi)的時(shí)間、人力，且有利于在一定程度上排除偶然誤差和繁瑣步驟下積累的系統(tǒng)誤差。因而，對(duì)于樣品數(shù)量大、效率需求高的土壤檢測，如大范圍的土壤樣品調(diào)查、土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)估等土壤分析工作，此方法完全能滿足要求，具有較高的實(shí)用性。此外，本研究中優(yōu)化的方法適用于酸性與中性土壤和石灰性土壤，實(shí)用范圍更廣。