土壤中陽離子交換量分析方法優(yōu)化思路分析

于巧銀

安徽工作環(huán)境監(jiān)測有限責(zé)任公司

1 引言

土壤中陽離子交換量主要是指土壤樣品吸附陽離子的能力，其數(shù)值單位為coml/kg，它作為衡量土壤保肥能力的重要指標(biāo)，能夠?yàn)橥寥勒?、測土配方施肥工作提供有力依據(jù)，因此，研究者要深入研究該項(xiàng)指標(biāo)的測定分析方法，并采取優(yōu)化措施，提高測定分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，增強(qiáng)該指標(biāo)的效用。

2 方法優(yōu)化研究意義

土壤吸附陽離子的能力主要體現(xiàn)在土壤膠體表面所附著的凈負(fù)荷量，因此，人們通常采用所吸附陽離子總量，來量化土壤的陽離子吸附能力，并將數(shù)值單位設(shè)置為coml/kg。一般來說，陽離子交換量數(shù)值的大小直接能夠體現(xiàn)出土壤保肥能力的強(qiáng)弱，所以在土壤檢測中，人們經(jīng)常會采用土壤陽離子交換量作為評價(jià)土壤保肥能力的重要指標(biāo)。為此，研究者們正在不斷地尋求陽離子交換量測定分析的高效途徑。就目前來看，工作者常用的測定方法為乙酸銨、乙酸鈣等方法，其中乙酸銨法已經(jīng)成為檢測酸性、中性土壤的常規(guī)方法，但該方法具有操作過程復(fù)雜、前處理效率低、蒸餾滴定過程易受影響等特質(zhì)。專家們?yōu)榱颂岣咴摲椒ǖ膽?yīng)用效果研發(fā)了智能一體化蒸餾聯(lián)合技術(shù)等優(yōu)化方法，提升了該方法的應(yīng)用水平。然而在滴定部分的優(yōu)化處理依然在探索中，因此，研究者借助基于全自動淋洗、蒸餾滴定裝置，基于淋洗法、蒸餾滴定一體化技術(shù)，針對傳統(tǒng)方法構(gòu)建了優(yōu)化思路，以期提高檢測工作的效率和效果。

3 方法優(yōu)化研究過程

3.1 材料設(shè)施準(zhǔn)備

在土壤中陽離交換量測定中，乙酸銨法的主要作用原理是先利用1mol/L 的中性乙酸銨溶液多次處理土壤，使其成為飽和土。其次，用乙醇溶解土中多余乙酸銨后，再將土壤水洗到凱氏瓶中，并加入固體氧化鎂蒸餾。再次，利用硼酸吸收反應(yīng)生成的氨氣，之后使用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。最后，基于NH4+的量，計(jì)算出土壤中陽離子的交換量。為此，在材料設(shè)施準(zhǔn)備上，研究者需要準(zhǔn)備1mol/L中性乙酸銨溶液、1mol/L氯化銨溶液、無乙醇溶液、20g/L 硼酸溶液、甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑、氧化鎂、0.1mol/L 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、土壤樣本這幾種試驗(yàn)材料，同時(shí)，為了保障試驗(yàn)的先進(jìn)性和有效性，研究者還應(yīng)根據(jù)當(dāng)前陽離子交換量測定方法的發(fā)展，基于淋洗法、蒸餾滴定一體化技術(shù)，選用JE502 電子天平、ML 型可調(diào)式電熱板，如圖1 所示，K1100F 全自動凱式定氮儀，如圖2所示，CEC400陽離子交換前處理系統(tǒng)這幾臺試驗(yàn)應(yīng)用儀器設(shè)施。此外，在選擇儀器、材料的過程中，研究者皆采用了正規(guī)廠家生產(chǎn)的常規(guī)性產(chǎn)品，基本不存在儀器材料質(zhì)量、性能方面的試驗(yàn)結(jié)果影響因素，保障了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 ML型可調(diào)式電熱板圖

圖2 K1100F全自動凱式定氮儀

3.2 分析步驟設(shè)計(jì)

結(jié)合研究者在上述內(nèi)容中提出的研究原理以及相關(guān)技術(shù)，此次試驗(yàn)中的陽離子交換量測定操作被設(shè)計(jì)為以下幾個(gè)步驟。

（1）土壤處理，中、酸性土壤需要進(jìn)行風(fēng)干、過2mm 篩處理，而堿性土壤待風(fēng)干過篩后還要經(jīng)過消解處理，才能投入使用。

（2）消解處理，以2g 風(fēng)干過篩土壤的消解為例，研究者要先將其放入200ml燒杯中，并加入50ml的氯化銨溶液，再將其放置在50℃的電熱板上，煮沸至無氨味為止，該煮沸階段大概耗時(shí)45min～60min。煮沸操作結(jié)束后即可認(rèn)定消解環(huán)節(jié)完成。

（3）淋洗處理，待消解完成后，研究者還要用乙酸銨將土壤洗入攪拌杯中，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行乙醇淋洗試驗(yàn)。

（4）蒸餾滴定處理，研究者需將布式漏斗中粘有土壤的濾紙用20～30ml的蒸餾水吸入消化管中，并向其中加入固態(tài)氧化鎂，然后利用蒸餾裝置進(jìn)行蒸餾滴定處理和空白試驗(yàn)。

（5）待上述試驗(yàn)過程完畢后，研究者還要根據(jù)試驗(yàn)所得出的

NH4

+的量，以計(jì)算的方式求解出最終的陽離子交換量。在此過程中，研究者所應(yīng)用計(jì)算公式為：C*(V-V0)*100/m*k*10，其中m為土壤質(zhì)量、k為土壤水分換算系數(shù)、C表示鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度、V為蒸餾滴定處理的溶液用量、V0空白試驗(yàn)的溶液用量。

3.3 乙酸銨攪拌操作分析

乙酸銨攪拌操作主要是為了將土壤中存在的陽離子提取出來。根據(jù)物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律，研究者提出攪拌操作的時(shí)長對試驗(yàn)結(jié)果可能會產(chǎn)生影響，因此為了得出最佳操作步驟，研究者采用同一種土壤，分別進(jìn)行時(shí)長1min、5min、15min、20min、25min的乙酸銨攪拌操作，并記錄下了在上述5 種攪拌時(shí)長條件下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在這5 種條件下，測定的陽離子交換量數(shù)值分別為7.0cmol/kg、8.8cmol/kg、9.9cmol/kg、9.9cmol/kg、9.9cmol/kg。其中，在攪拌時(shí)長達(dá)到15min時(shí)，所得的9.9cmol/kg測定值處于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，而在5min、1min 兩個(gè)時(shí)長條件下，所得出的測定值小于標(biāo)準(zhǔn)值范圍，因此可以得出15min以下的攪拌時(shí)長不能將土壤中的陽離子充分交換出來。在攪拌時(shí)長在15min以上時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)，最終的測定值沒有出現(xiàn)明顯變化，由此可知，乙酸銨攪拌操作的最佳時(shí)長為15min，所以在全自動淋洗儀的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定中，工作者將乙酸銨攪拌時(shí)長設(shè)置為15min，即可達(dá)到最優(yōu)操作效果。

3.4 乙醇淋洗次數(shù)分析

乙醇淋洗環(huán)節(jié)的設(shè)置主要是為了去除土壤中多余的NH4+離子，保障試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，該環(huán)節(jié)作為陽離子交換測定法中的重要組成部分，研究者需要尋求最佳的乙醇淋洗次數(shù)，來深入優(yōu)化測定效率。在此過程中，工作者采用了同一類型的土壤，并分別將其淋洗2～8次，然后將測定結(jié)果分別記錄下來。在這7 種淋洗次數(shù)的條件下，研究者所得出的CEC 測定值分別為

11.1cmol/kg、10.9cmol/kg、9.9cmol/kg、9.2cmol/kg、6.5cmol/kg、7.2cmol/kg、7.8cmol/kg。其中之后四次、五次淋洗所得出的數(shù)據(jù)9.9cmol/kg、9.2cmol/kg 處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，由此可以看出，淋洗次數(shù)小于四次時(shí)，土壤中的多余銨離子不能被完全分離，而在乙醇淋洗次數(shù)大于五次時(shí)，土壤中的一部分膠體可能被分離，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果值偏低。根據(jù)此次試驗(yàn)，研究者從4 和5 次淋洗中，選取了4次作為乙醇淋洗處理的最佳操作次數(shù)參數(shù)，因此，在全自動淋洗儀的參數(shù)調(diào)整中，工作者需要將乙醇淋洗次數(shù)設(shè)置為4次，來保障最佳淋洗效果[1]。

3.5 蒸餾時(shí)間分析

在蒸餾滴定環(huán)節(jié)中，自動凱氏定氮儀器上的蒸餾時(shí)間參數(shù)，作為儀器最重要的運(yùn)行參數(shù)，能夠直接影響到最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，研究者提出以蒸餾時(shí)間為切入點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。在此過程中，工作者分別在蒸餾時(shí)間為3.5min、4min、4.5min、5min、5.5min、6min 的條件下，對同一種土壤樣品進(jìn)行了陽離子交換量測定，希望得出蒸餾時(shí)間與測定結(jié)果準(zhǔn)確性之間的關(guān)聯(lián)。經(jīng)過試驗(yàn)，研究者得出在上述6種蒸餾時(shí)長條件下，所測定陽離子交換量分別為7.1cmol/kg、7.9cmol/kg、8.1cmol/kg、9.8cmol/kg、9.8cmol/kg、10cmol/kg，其中僅有5min 時(shí)長條件下得出的9.8cmol/kg 處于標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)?；诖耍芯空叩贸?，5min以下樣品中的銨離子尚未被提取完全，由此可知5min為蒸餾環(huán)節(jié)的最佳時(shí)長，因此，全自動凱氏定氮儀的調(diào)節(jié)中，工作者將蒸餾時(shí)間參數(shù)調(diào)整為5min即可實(shí)現(xiàn)最佳蒸餾操作[2]。

3.6 方法精密度測試

在確認(rèn)上述優(yōu)化步驟之后，研究者對經(jīng)過優(yōu)化后的淋洗法、蒸餾滴定一體化技術(shù)開展了精密度測試，意在檢驗(yàn)優(yōu)化行為是否對該技術(shù)的精密度產(chǎn)生影響。在此過程中，研究者基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《LY/T1243-199》，采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法來分別對三種土壤樣本開展陽離子交換測試，并將測試結(jié)果與經(jīng)優(yōu)化后技術(shù)下，陽離子交換結(jié)果進(jìn)行對比。測試結(jié)果顯示，通過優(yōu)化后的交換技術(shù)所得出的結(jié)果中存在的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.87%～1.07%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法下3.87%～5.18%的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，因此，優(yōu)化措施并沒有影響到一體化技術(shù)的精密度，而且證實(shí)了經(jīng)優(yōu)化后的技術(shù)具有更高的精密度。

3.7 方法準(zhǔn)確度測試

在分析方法的優(yōu)化中，該環(huán)節(jié)的設(shè)定主要是為了測試，在蒸餾5min、乙酸銨攪拌15min、乙醇淋洗4次的前提下，一體化技術(shù)的準(zhǔn)確度是否能夠滿足陽離子交換分析工作的要求。在此過程中，研究者需要利用優(yōu)化后的分析技術(shù)，對3種國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測定，同時(shí)，要反復(fù)測定6次，保障準(zhǔn)確度測試效果。測試結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的分析技術(shù)所測定的CEC均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從此可以看出，上述各項(xiàng)優(yōu)化措施并未影響分析技術(shù)的準(zhǔn)確度，研究者可以將該技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)的土壤陽離子交換量測定中。

4 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)果，研究者將優(yōu)化后的測定步驟應(yīng)用到了水稻土、灰鈣土、黃綿土、潮土的土壤中陽離子交換量的測定中，所得出的結(jié)果均處于標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，由此可知，應(yīng)用經(jīng)過優(yōu)化后的測定方法所得出的結(jié)果更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定，而且適用于多種類型的土壤，具有較為廣闊的應(yīng)用范圍[3]。

5 結(jié)論

綜上所述，研究者經(jīng)過上述研究過程，提出了蒸餾5分鐘、乙酸銨攪拌15 分鐘、乙醇淋洗4 次的優(yōu)化措施，并經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了該優(yōu)化措施的可行性，同時(shí)，土壤中陽離子交換量分析方法經(jīng)過優(yōu)化后，具有較高的準(zhǔn)確度和良好的重復(fù)性，可以用于規(guī)模的測定工作，提升了該分析方法的應(yīng)用效果。