王卓，郭全恩，曹詩(shī)瑜，展宗冰

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070）

土壤吸附陽(yáng)離子的能力用吸附的陽(yáng)離子總量表示，稱為陽(yáng)離子交換量，其數(shù)值以每千克土壤中含有各種陽(yáng)離子的物質(zhì)的量來(lái)表示，即mmol/kg。陽(yáng)離子交換量是土壤緩沖性能的重要指標(biāo)，可作為改良土壤和指導(dǎo)施肥的重要參考依據(jù)。陽(yáng)離子交換量測(cè)定值的高低，直接體現(xiàn)了土壤保肥能力，該測(cè)定值越大，則土壤保肥力越強(qiáng)[1-2]，因而，土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定具有重大意義。

土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定的分析方法目前有乙酸鈉-火焰光度法[1]、乙二胺四乙酸(EDTA)-乙酸銨交換法[3]、氯化銨-乙酸銨交換法(LY/T 1243—1999《森林土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定》)、乙酸鈣交換法(NY/T 1121.5—2006《土壤檢測(cè) 第5 部分：石灰性土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定》)、凱氏定氮法[4-6]、乙酸銨交換法(NY/T 295—1995《中性土壤陽(yáng)離子交換量和交換性鹽基的測(cè)定》)[7-9]、三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法(HJ 889—2017 《土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定三氯化六氨合鈷浸提—分光光度法》)[10-12]、旋轉(zhuǎn)混合-氣相分子吸收光譜法[13]、超聲浸提-分光光度法[14]、振蕩抽濾-pH 計(jì)指示電位滴定法[15]等。其中EDTA-乙酸銨交換法在我國(guó)農(nóng)化實(shí)驗(yàn)室中石灰性土壤的測(cè)定中應(yīng)用比較廣泛，其測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、重現(xiàn)性好。但是該方法中的離子交換和清洗過(guò)程需要更換交換液且用橡皮頭玻璃棒攪拌樣品，攪拌過(guò)程中土壤樣品容易進(jìn)入橡皮頭縫隙，造成土壤樣品損失，離子交換耗時(shí)長(zhǎng)，蒸餾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。筆者對(duì)EDTA-乙酸銨交換法進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變攪拌方式、確定攪拌時(shí)間和蒸餾時(shí)間以提高交換速度，優(yōu)化后方法具有良好的準(zhǔn)確度、精密度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

EDTA-乙酸銨鹽交換法測(cè)定石灰性土壤陽(yáng)離子交換量是用pH 值為8.5 的0.005 mol/L EDTA 與1 mol/L乙酸銨的混合液作為交換提取劑，與土壤吸收性復(fù)合體的Ca2+、Mg2+、Al3+等交換，形成高穩(wěn)定性的絡(luò)合物，用NH4+交換H+、K+、Na+形成銨質(zhì)土。用95%乙醇洗去過(guò)剩銨鹽，用蒸餾法蒸餾，用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定氨量，即可計(jì)算出土壤陽(yáng)離子交換量。

1.2 主要儀器和試劑

電動(dòng)離心機(jī)：TDZ-WS 型，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司。

磁力攪拌器：85-2型，數(shù)顯控溫磁力攪拌器，常州市金壇大地自動(dòng)化儀器廠。

定氮儀：KDY-9820型，北京市通潤(rùn)源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司。

EDTA：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于99.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

乙酸銨：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于98.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

乙醇：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于95%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

硼酸：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于99.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

氧化鎂：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于98.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

鹽酸：分析純，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為36%～38%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

酸性鉻藍(lán)K、萘酚綠B、氯化鈉、溴甲酚綠、甲基紅、碘化鉀、氯化汞：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)分別為GBW 07493 (HTSB-1)、GBW 07498 (HTSB-6 )，陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所有限公司。

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)分別為GBW 07ASA-17、GBW 07ASA-20，津標(biāo)(天津)計(jì)量檢測(cè)有限公司。

EDTA-乙酸銨混合液：稱取77.09 g EDTA，1.461 g 乙酸銨，用水溶解至900 mL，以體積比為1∶1的氨水和稀乙酸調(diào)節(jié)pH至8.5，轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中，定容。

硼酸溶液：20 g/L，稱取20.00 g硼酸，溶于近1 L水中，用稀鹽酸和稀氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至4.5，轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中定容。

氧化鎂：使用前在高溫電爐中經(jīng)600 ℃灼燒0.5 h。

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.05 mol/L，吸取4.17 mL 濃鹽酸，稀釋至1 L，用無(wú)水碳酸鈉進(jìn)行標(biāo)定。

鈣鎂指示劑：稱取0.5 g 酸性鉻藍(lán)K、0.1 g 萘酚綠B，加入100 g 氯化鈉，在瑪瑙研缽中充分研磨混勻。

甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑：稱取0.5 g 溴甲酚綠和0.1 g甲基紅在瑪瑙研缽中，加入少量95%乙醇，研磨指示劑溶解，加95%乙醇至100 mL。

納氏試劑：稱取10 g 碘化鉀溶于5 mL 水中，稱取3.5 g氯化汞加熱溶于20 mL水中，將氯化汞倒入碘化鉀中直至出現(xiàn)為紅色沉淀，加70 mL 氫氧化鉀溶液(300 g/L)，攪拌均勻，再滴加氯化汞至出現(xiàn)紅色沉淀為止，靜置8小時(shí)，傾出清液。

實(shí)驗(yàn)用水為GB/T 6682中規(guī)定的二級(jí)水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 EDTA-乙酸銨混合液交換

稱取過(guò)2 mm孔徑篩的土壤風(fēng)干樣品2.00 g，放入100 mL離心管中，在離心管中加入轉(zhuǎn)子，加入80 mL EDTA-乙酸銨混合液，在托盤天平上用EDTA-乙酸銨混合液平衡兩側(cè)離心管，將離心管放置在磁力攪拌器上將轉(zhuǎn)速調(diào)至2 000 r/min，可以看到液面中心有大漩渦形成，攪拌1～3 min后取下離心管放入離心機(jī)中，以3 500 r/min 離心4 min，棄去離心管中清液，如此反復(fù)3～4次(個(gè)別樣品需離心4次)，取最后一次離心清液20 mL，加入3.5 mL緩沖溶液，加入少許鈣鎂混合指示劑測(cè)試是否還有Ca2+存在(液體呈藍(lán)色則無(wú)Ca2+，液體呈紫紅色則有Ca2+存在)，如清液呈紫紅色需增加交換次數(shù)。

1.3.2 95%乙醇交換

在已洗滌干凈Ca2+的離心管中加入60 mL 95%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的乙醇溶液，于托盤天平上用95%乙醇溶液平衡兩側(cè)離心管，將離心管放置在磁力攪拌器上，將轉(zhuǎn)速調(diào)至2 000 r/min，可以看到液面中心有大漩渦形成，攪拌1～3 min 后取下放入離心機(jī)中，第1 次以3 500 r/min 離心4 min，棄去離心管中清液，第2 次將離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至4 000 r/min 離心6 min，第3 次將離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至4 500 r/min 離心10 min，3 次后用納氏試劑檢測(cè)NH4+，一般3 次即可洗凈NH4+，個(gè)別樣品出現(xiàn)渾濁可增加離心機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使其澄清。

1.3.3 蒸餾滴定

在離心管中加入少量水，在磁力攪拌器上分散土樣，取出轉(zhuǎn)子，用水沖洗干凈轉(zhuǎn)子，清洗液收入離心管中，將離心管中溶液轉(zhuǎn)入消化管，體積控制在60 mL 左右，蒸餾前向消化管內(nèi)加入1 g 氧化鎂，立即將消化管置于定氮儀上。向盛有25 mL 20 g/L硼酸吸收液的三角瓶?jī)?nèi)加入2 滴甲基紅-溴甲酚綠指示劑，將三角瓶置于冷凝管的承接管下，管口插入硼酸溶液中，開(kāi)始蒸餾。蒸餾約8 min后，檢查蒸餾是否完全。取下三角瓶用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，記錄滴定體積數(shù)，并做空白試驗(yàn)。

1.3.4 結(jié)果計(jì)算

土壤樣品中的陽(yáng)離子與EDTA-乙酸銨混合液中的銨離子交換，用95%的乙醇溶液洗去過(guò)剩銨鹽，蒸餾后，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定氨量，按照式(1)計(jì)算陽(yáng)離子交換量：

式中：CEC——土壤陽(yáng)離子交換量，mmol/kg；

c——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；

V——滴定樣品待測(cè)液所耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液量，mL；

V0——空白滴定耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液量，mL；

m——風(fēng)干試樣質(zhì)量，g；

1 000——換算成每千克中的陽(yáng)離子交換量。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌時(shí)間選擇

樣品置于磁力攪拌器上，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，可在100 mL離心管中形成大漩渦，同一樣品攪拌時(shí)間分別選擇為30、60、90、120、150、180 s，測(cè)定樣品陽(yáng)離子交換量，以選擇最佳攪拌時(shí)間。

表1為不同攪拌時(shí)間對(duì)應(yīng)樣品陽(yáng)離子交換量測(cè)定值。由表1可見(jiàn)，攪拌時(shí)間90 s時(shí)，所得檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所給標(biāo)準(zhǔn)值吻合，表明90 s 可使土壤中陽(yáng)離子交換完全，形成穩(wěn)定絡(luò)合物，故選擇90 s作為EDTA-乙酸銨鹽交換土壤中陽(yáng)離子的交換時(shí)間。

2.2 蒸餾時(shí)間選擇

選取2個(gè)不同地區(qū)陽(yáng)離子交換量不同的土壤標(biāo)準(zhǔn) 物 質(zhì)GBW 07ASA-20 (黃 綿 土)、GBW 07493(HTSB-1)(樓土)測(cè)定不同蒸餾時(shí)間的陽(yáng)離子交換量，通過(guò)所測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)果，確定最優(yōu)蒸餾時(shí)間。由表2可知，當(dāng)蒸餾時(shí)間超過(guò)5 min時(shí)樣品中的NH4+基本被完全蒸餾出來(lái)并被硼酸吸收，因此可將蒸餾時(shí)間設(shè)置為6 min，當(dāng)蒸餾時(shí)間為6 min 時(shí)所得數(shù)據(jù)與清洗后做空白所得數(shù)據(jù)相符，因此確定蒸餾時(shí)間為6 min，可以不用清洗直接做下一個(gè)樣品。

表2 不同蒸餾時(shí)間對(duì)應(yīng)樣品陽(yáng)離子交換量測(cè)定值Tab.2 Determination value of cation exchange capacity of the sample under different distillation time mmol/kg

2.3 方法準(zhǔn)確度和精密度

選擇4個(gè)不同地區(qū)陽(yáng)離子交換量不同的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)按改變攪拌方式、攪拌時(shí)間90 s、蒸餾時(shí)間6 min的優(yōu)化后方法分別測(cè)定7次，同時(shí)做空白試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，優(yōu)化后方法測(cè)定土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07ASA-20 (黃綿土)，GBW 07ASA-17 (栗鈣土)，GBW 07493 (HTSB-1)(樓土)，GBW 07498(HTSB-6)(棕漠土)，所得結(jié)果平均值分別為98、109、131、57 mmol/kg，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.53%、1.39%、3.22%、5.32%?？梢?jiàn)，優(yōu)化后的方法滿足分析要求，測(cè)定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度范圍內(nèi)，說(shuō)明該方法具有較好的準(zhǔn)確度和精密度，適用于石灰性土壤的測(cè)定。

表3 方法準(zhǔn)確度和精密度Tab.3 Accuracy and precision of the method

2.4 實(shí)際樣品數(shù)據(jù)比對(duì)試驗(yàn)

用優(yōu)化后的檢測(cè)方法和未優(yōu)化檢測(cè)方法對(duì)28份實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1。優(yōu)化前方法測(cè)定值為11～110 mmol/kg，平均值為60 mmol/kg；優(yōu)化后方法測(cè)定值為11～109 mmol/kg，平均值為59 mmol/kg。

圖1 方法優(yōu)化前、后測(cè)定陽(yáng)離子交換量數(shù)據(jù)比較Fig.1 Comparison of cationic exchange capacity data before and after method optimization

采用Excel軟件中分析工具庫(kù)t檢驗(yàn)，進(jìn)行成對(duì)二樣本均值分析(見(jiàn)表4)，優(yōu)化前、后測(cè)定的土壤陽(yáng)離子交換量均值分別為60、59 mmol/kg，t檢驗(yàn)的雙尾P值為0.07 (P＞0.05)，兩種方法的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著性差異。

表4 優(yōu)化前、后測(cè)定的土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定值及t檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

將優(yōu)化前、后28個(gè)土壤樣品陽(yáng)離子交換量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析（見(jiàn)圖2），優(yōu)化前、后土壤樣品陽(yáng)離子交換量測(cè)定結(jié)果線性相關(guān)顯著，r=0.998 (n=28，P＜0.01)，Y=0.992 1X+0.003 8。

圖2 優(yōu)化前、后測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量結(jié)果相關(guān)性分析Fig.2 Correlation lines between the results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

2.5 優(yōu)化前后檢測(cè)時(shí)間比較

對(duì)EDTA-乙酸銨鹽交換法測(cè)定石灰性土壤陽(yáng)離子交換量方法優(yōu)化前后測(cè)定8份土壤樣品用時(shí)進(jìn)行比較，見(jiàn)表5。

表5 方法優(yōu)化前后用時(shí)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 time spent before and after method optimization

由表5 可見(jiàn)，優(yōu)化后土壤陽(yáng)離子交換量檢測(cè)時(shí)間130 min 比優(yōu)化前檢測(cè)時(shí)間280 min 縮短超過(guò)一半，勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低，工作效率顯著提高。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改變離子交換時(shí)的攪拌方式，減少離子交換不完全情況和攪拌時(shí)樣品損耗；選擇最優(yōu)攪拌時(shí)間提升離子交換效率，減少離子交換次數(shù)；選擇合適的定氮儀蒸餾時(shí)間，減少樣品蒸餾不完全和定氮儀管道中NH4+殘存的可能。用優(yōu)化后方法測(cè)定土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)陽(yáng)離子交換量，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.53%～5.32%，方法優(yōu)化后準(zhǔn)確度和精密度均符合檢測(cè)要求。通過(guò)實(shí)際樣品比對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的比較，t檢驗(yàn)的雙尾P值為0.07 (P＞0.05)，方法優(yōu)化前、后測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異；線性關(guān)系Y=0.992 1X+0.003 8，相關(guān)系數(shù)r=0.998 (n=28，P＜0.01)，方法優(yōu)化前、后土壤樣品陽(yáng)離子交換量測(cè)定結(jié)果線性相關(guān)顯著。優(yōu)化后的方法檢測(cè)時(shí)間從280 min 縮短到130 min，較之前縮短超過(guò)一半。方法優(yōu)化后降低了檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了土壤陽(yáng)離子交換量檢測(cè)效率，適用于批量石灰性土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定。