磁力攪拌法改進(jìn)土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定的研究*

陳 勇，鄒獻(xiàn)中，盧 瑛?，黃偉濠，賈重建，李 博，陳麗君，陽(yáng) 洋

磁力攪拌法改進(jìn)土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定的研究*

陳 勇1，2，鄒獻(xiàn)中2，盧 瑛1?，黃偉濠1，賈重建1，李 博1，陳麗君2，陽(yáng) 洋1

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

針對(duì)傳統(tǒng)土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定方法中的玻璃棒攪拌所存在的分析效率低的問(wèn)題，開(kāi)展了運(yùn)用磁力攪拌替代玻璃棒攪拌的探索性研究。通過(guò)平行性實(shí)驗(yàn)、條件實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室間對(duì)比和不同黏粒含量土壤的CEC測(cè)定結(jié)果檢驗(yàn)，分析了磁力攪拌法的精準(zhǔn)度、可操作性、穩(wěn)定性和適用性。結(jié)果表明，磁力攪拌法測(cè)定土壤CEC的準(zhǔn)確度、精密度均不低于甚至高于玻璃棒攪拌方法，土壤CEC測(cè)定值與土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值吻合。當(dāng)攪拌時(shí)間在1 min、攪拌速度850 r·min–1以上時(shí)，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間和提高攪拌速度對(duì)分析結(jié)果無(wú)影響。不同實(shí)驗(yàn)室間測(cè)定結(jié)果相關(guān)性好、沒(méi)有顯著性差異。相比傳統(tǒng)的玻璃攪拌法，磁力攪拌法具有操作簡(jiǎn)單、高效，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定性好、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大批量土壤CEC的測(cè)定。

土壤陽(yáng)離子交換量；磁力攪拌；攪拌條件；精準(zhǔn)度；黏質(zhì)土壤

土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）是度量土壤所帶負(fù)電荷的容量指標(biāo)，可反映土壤保肥性、緩沖性能和環(huán)境容量，是表征土壤肥力質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1-2]，在耕地質(zhì)量調(diào)查與評(píng)價(jià)和土壤污染調(diào)查中是必測(cè)項(xiàng)目。因此，準(zhǔn)確、快速高效地測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量是非常重要的。

此外，針對(duì)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3，5-6]中，沒(méi)有提及測(cè)定土壤CEC過(guò)程中的攪拌速度、攪拌時(shí)間和上述方法在處理冗余銨離子中的不足，本研究對(duì)土壤陽(yáng)離子吸附交換攪拌操作方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用磁力攪拌器加攪拌子的方式替換現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中玻璃棒攪拌，分別研究了攪拌速度、攪拌時(shí)間和黏粒含量對(duì)土壤CEC測(cè)定結(jié)果的影響，并展開(kāi)了不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，籍以提出一種高效、精準(zhǔn)的土壤CEC測(cè)定方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取4個(gè)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07412、GBW07416a、GBW07417、GBW07458和8個(gè)黏粒含量不同的土壤，供試土壤基本情況如表1。

1.2 儀器材料

凱氏定氮儀（Foss Kjeltec 8200）；數(shù)字滴定器（普蘭德 BRAND Titrette-25 mL）；磁力攪拌器（JOANLAB SH-4C型）；100 mL離心管；托盤(pán)天平；天平（精確至0.0001g）；離心機(jī)（嘉文JW-1032低速離心機(jī)）；梭形攪拌子（2 cm）；100 mL燒杯（內(nèi)鑲海綿）；磁鐵；消化管；250 mL三角瓶。

1.3 試劑溶液

所用試劑參考NY/T 295-1995[6]。

1.4 操作步驟

陽(yáng)離子交換過(guò)程：稱取過(guò)0.25 mm篩的風(fēng)干土壤2.00 g于100 mL塑料離心管中，同時(shí)放入2 cm長(zhǎng)梭形磁力攪拌子。往離心管中加入約30 mL 1.0 mol·L–1乙酸銨溶液，將離心管放入內(nèi)鑲硬海綿的100 mL高腳燒杯中固定，再將燒杯放置于磁力攪拌器上（圖1），以轉(zhuǎn)速950 r·min–1（調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使離心管內(nèi)液面形成大約1 cm深漩渦，轉(zhuǎn)速大小適中，不宜太大，以防溶液濺出），進(jìn)行攪拌1 min。取出離心管放置托盤(pán)天平平衡之后放入離心機(jī)中，轉(zhuǎn)速為4 000 r·min–1，離心5 min。離心后上清液倒入200 mL容量瓶（用于測(cè)定交換性鹽基離子）。再加入30 mL乙酸銨，重復(fù)上述操作步驟3次，對(duì)于質(zhì)地黏重土壤則需在重復(fù)交換前用強(qiáng)性磁鐵松動(dòng)攪拌子，手拿離心管在磁力攪拌器上成45°角慢慢旋轉(zhuǎn)分散，使粘附在離心管上的土壤完全攪散成泥漿狀。取最后一次的上清液5 mL，加入pH=10緩沖溶液1 mL，再加少許K-B指示劑，如呈藍(lán)色，表示無(wú)鈣離子；如呈紫紅色，表示有鈣離子，需繼續(xù)重復(fù)上述攪拌離心步驟，直至上清液無(wú)鈣離子為止。

表1 供試土壤的顆粒組成和質(zhì)地類(lèi)別

圖1 磁力攪拌法實(shí)驗(yàn)裝置圖

95%乙醇清洗過(guò)程：沿著離心管內(nèi)壁加入約40 mL 95%乙醇，清洗內(nèi)壁上銨離子，放在磁力攪拌器上攪拌分散1 min，取出離心，棄去酒精溶液。如此反復(fù)用酒精清洗3～5次，直至乙醇溶液中無(wú)銨離子為止（用納氏試劑檢驗(yàn)）。徹底清除冗余銨離子，對(duì)獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果非常關(guān)鍵。對(duì)于質(zhì)地黏重土壤需充分分散，切不可有小土團(tuán)存在，否則會(huì)使測(cè)定結(jié)果偏高。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010、Origin2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，采用SPSS19.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室間測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁力攪拌法的準(zhǔn)確度

鑒于準(zhǔn)確度對(duì)于測(cè)定方法的重要性，運(yùn)用磁力攪拌法處理4種土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測(cè)定CEC的同時(shí)，也對(duì)交換性鈣、鎂離子進(jìn)行測(cè)定，每種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了5次平行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD%）分別列于表2、表3和表4。

測(cè)定結(jié)果顯示，磁力攪拌法對(duì)4種土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的CEC和交換性鈣、鎂測(cè)定結(jié)果均與認(rèn)定值吻合，RSD<5%，表明磁力攪拌法使土壤中的交換性陽(yáng)離子被充分交換出來(lái)，而且不損失，準(zhǔn)確度與精密度均佳。

表2 磁力攪拌法測(cè)定CEC的準(zhǔn)確度

表3 磁力攪拌法測(cè)定交換性鈣的準(zhǔn)確度

表4 磁力攪拌法測(cè)定交換性鎂的準(zhǔn)確度

2.2 攪拌時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

使用磁力攪拌法，攪拌時(shí)間是非常重要的，時(shí)間不夠，可能導(dǎo)致離子交換不徹底；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)定效率的不必要降低。分別選擇了4種土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，設(shè)定了1 min、3 min、5 min三個(gè)攪拌時(shí)間處理，各3次重復(fù)，以了解攪拌時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

圖2結(jié)果表明，攪拌1 min、3 min和5 min，CEC結(jié)果均在認(rèn)定值范圍內(nèi)，當(dāng)攪拌時(shí)間在1 min以上時(shí)，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間并不會(huì)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果的偏離，這表明磁力攪拌法應(yīng)用于質(zhì)地黏重的土壤時(shí)，即使延長(zhǎng)攪拌分散時(shí)間，對(duì)結(jié)果也無(wú)影響。

圖2 不同攪拌時(shí)間對(duì)CEC測(cè)定結(jié)果的影響

2.3 攪拌速度對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

鑒于磁力攪拌法涉及攪拌速度的問(wèn)題，而攪拌速度可能間接影響陽(yáng)離子交換強(qiáng)度，因此針對(duì)攪拌速度進(jìn)行相關(guān)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由于對(duì)不同黏粒含量的土壤，設(shè)定相同的轉(zhuǎn)速也可能會(huì)導(dǎo)致攪拌子的實(shí)際轉(zhuǎn)速不一致，因此在本研究中以液面邊緣與中心的液面差值作為攪拌速度的判斷依據(jù)。預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)攪拌土壤產(chǎn)生0.5～1.5 cm液面差時(shí)，對(duì)應(yīng)的攪拌速度在850～1050 r·min–1之間，故分別設(shè)置了攪拌速度為850 r·min–1、950 r·min–1和1050 r·min–1的3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，明確攪拌速度對(duì)CEC測(cè)定結(jié)果的影響。

圖3結(jié)果顯示，只要磁力攪拌出現(xiàn)液面差，即只要在攪拌時(shí)有一定的攪拌漩渦存在，CEC測(cè)定值均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值范圍之內(nèi)，間接證明攪拌強(qiáng)度增加或減少對(duì)CEC測(cè)定結(jié)果沒(méi)有明顯的影響。國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的玻璃棒攪拌法也從某種程度上證明，不同人攪拌強(qiáng)度可能有所不同，但對(duì)結(jié)果無(wú)實(shí)際影響。

2.4 黏粒含量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

土壤黏粒含量與黏附力呈正相關(guān)性，質(zhì)地黏重土壤較砂壤土黏附力大幾倍甚至幾十倍[12]，黏粒不僅能吸附陽(yáng)離子，而且由于黏粒膠結(jié)和粘附會(huì)影響CEC的精密度。針對(duì)上述情況，以不同黏粒含量土壤為對(duì)象，進(jìn)行了評(píng)價(jià)磁力攪拌法與玻璃棒攪拌法精密度的對(duì)比試驗(yàn)。

圖3 不同攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)CEC測(cè)定結(jié)果的影響

圖4 兩種攪拌方法測(cè)定的不同黏粒含量土壤CEC值與RSD比較

圖4結(jié)果表明，除黏粒含量為82.6%的土壤外，磁力攪拌法測(cè)定土壤CEC結(jié)果RSD值均<5%。對(duì)于玻璃棒攪拌法，只有黏粒含量<43.4%的土壤RSD<5%，而黏粒含量>43.4%的土壤RSD>5%，且測(cè)定結(jié)果不穩(wěn)定，說(shuō)明玻璃棒攪拌法處理黏粒含量高的土壤時(shí)，CEC的測(cè)定結(jié)果精密度不如磁力攪拌法。圖4結(jié)果同時(shí)顯示，相比磁力攪拌法，玻璃攪拌法CEC測(cè)定結(jié)果和RSD均普遍偏高。相同測(cè)定條件下，玻璃攪拌法RSD變幅范圍為1.40%～14.3%，而磁力攪拌法為0.81%～5.66%，特別當(dāng)土壤黏粒含量>43.4%時(shí)，兩者的RSD值差異更為明顯。這表明相比磁力攪拌法，玻璃攪拌法精密度偏低，因?yàn)橥寥鲤ち：吭礁撸寥赖酿じ搅υ酱骩12]，土壤容易膠結(jié)，使得玻璃棒攪拌分散土壤困難，導(dǎo)致溶液中冗余銨離子不易被95%乙醇洗凈，從而引起測(cè)定結(jié)果偏高。磁力攪拌法CEC測(cè)定結(jié)果RSD值相對(duì)較小，精密度高，主要因?yàn)閿嚢杈鶆蚯腋咝?、快速地分散離心后土壤，使乙醇能充分洗凈土壤溶液中冗余的銨離子，結(jié)果精準(zhǔn)。

2.5 兩種攪拌法分析效率對(duì)比

玻璃攪拌法在處理土壤樣品后，需清洗干凈玻璃棒，才能離心，對(duì)于黏質(zhì)土壤，清洗難度增加，需要時(shí)間多，而且容易導(dǎo)致土壤顆粒損失。磁力攪拌法省去了清洗步驟，溶液平衡后，攪拌子可以留在離心管中進(jìn)行離心，而且一個(gè)分析人員可以同時(shí)操作多臺(tái)磁力攪拌器，或者采用多通道磁力攪拌器，省時(shí)省工。相同土壤樣品數(shù)量采用兩種不同攪拌法，磁力攪拌法至少能節(jié)省50%時(shí)間。因此，磁力攪拌法分析效率明顯高于玻璃攪拌法，適合大批量土壤樣品分析。

2.6 不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果對(duì)比

土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定屬于常規(guī)測(cè)定項(xiàng)目，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室間測(cè)定結(jié)果比較是必要的。不同實(shí)驗(yàn)室間對(duì)同一批樣品均采用磁力攪拌法測(cè)定CEC的結(jié)果表明（表5），實(shí)驗(yàn)室間測(cè)定結(jié)果絕對(duì)偏差小，符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)允許絕對(duì)偏差范圍[3]。采用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)的顯著性分析，不同實(shí)驗(yàn)室間測(cè)定結(jié)果的相關(guān)性極顯著（= 0.993，<0.0001），相同土壤樣品測(cè)定結(jié)果沒(méi)有顯著性差異（>0.05），這表明磁力攪拌法具有穩(wěn)定性好和可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。

表5 實(shí)驗(yàn)室間磁力攪拌法CEC測(cè)定值比較

3 結(jié) 論

磁力攪拌法用于土壤CEC測(cè)定，結(jié)果的準(zhǔn)確度高，土壤CEC測(cè)定值與土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值吻合度高，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD<5%。攪拌時(shí)間為1 min和攪拌速度呈現(xiàn)液面差（即轉(zhuǎn)速為850 r·min–1）能滿足實(shí)驗(yàn)要求，攪拌時(shí)間和轉(zhuǎn)速的增加對(duì)分析結(jié)果無(wú)顯著影響。相比傳統(tǒng)的玻璃攪拌法，磁力攪拌法具有操作簡(jiǎn)單、減少人為操作誤差等優(yōu)點(diǎn)，能高效分散質(zhì)地黏重的土壤，分析結(jié)果的精密度高和穩(wěn)定性好，是一種高效快速測(cè)定土壤CEC的方法，適合大批量土壤測(cè)定。

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Study on Improving Soil CEC Determination by Magnetic Stirring Method

CHEN Yong1, 2, ZOU Xianzhong2, LU Ying1?, HUANG Weihao1, JIA Chongjian1, LI Bo1, CHEN Lijun2, YANG Yang1

(1. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Land Use and Consolidation, Guangzhou 510642, China; 2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation; Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China)

In order to resolve the problem of low efficiency of the measurement of soil cation exchangeable capacity (CEC) with the traditional glass rod stirring method, an experiment was designed to stir suspensions with a magnetic stirrer instead of glass rod. Parallel tests different in controlled condition were carried out in different labs to determine CEC of soils different in clay content with the magnetic stirring method for comparison between the tests in accuracy, operability, stability and applicability of the measurements with the method.Results show that the magnetic stirring method was not lower or even magnetic stirring method higher than the glass rod stirring method in accuracy and precision of the CEC measurement. What was obtained with the former was highly in consistency with the values of the certified reference materials. When stirring of the suspension went on over 1 min at no less than 850 r·min-1, duration and speed of the stirring did not have much effect on soil CEC determination, and neither the labs where the tests were conducted. No significant difference was found between labs in CEC measurement. Compared with the traditional glass rod stirring method, the magnetic stirring method has such merits as simple in operation and high in efficiency, stability and precision, when used to measure soil CEC, and is highly suitable for use to determine soil CEC of large batches of soil samples.

Soil cation exchange capacity; Magnetic stirring; Stirring condition; Accuracy; Clayey soil

S151.9+3

A

10.11766/trxb201901140585

陳勇，鄒獻(xiàn)中，盧瑛，黃偉濠，賈重建，李博，陳麗君，陽(yáng)洋.磁力攪拌法改進(jìn)土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定的研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2020，57（2）：508–514.

CHEN Yong，ZOU Xianzhong，LU Ying，HUANG Weihao，JIA Chongjian，LI Bo，CHEN Lijun，YANG Yang.Study on Improving Soil CEC Determination by Magnetic Stirring Method[J].Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：508–514.

* 國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（2014FY110200）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41877008）和廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015A030313567）資助Supported by the Special Project of National Science and Technology Basic Research（No. 2014FY110200），the National Natural Sciences Foundation of China（No. 41877008）and the Natural Science Foundation of Guangdong Province of China（No. 2015A030313567）.

，E-mail：luying@scau.edu.cn

陳 勇（1984—），男，廣東雷州市人，碩士研究生，主要從事土壤化學(xué)研究。Email：yongchen223@163.com

2019–01–14；

2019–05–21；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–06–10

（責(zé)任編輯：檀滿枝）