土壤交換性鋁的三種測定方法比較

李朝英 鄭路 楊文娟

摘 ?要：為了準(zhǔn)確高效地檢測土壤交換性鋁含量，探尋適宜的檢測方法。比較分析了氯化鉀交換-中和滴定法、鋁試劑法和羊毛鉻花青R比色法所測交換性鋁的差異性、精密度、準(zhǔn)確性和適用性。結(jié)果表明，3種方法所測交換性鋁無顯著性差異。但羊毛鉻花青R比色法的精密度優(yōu)于氯化鉀交換-中和滴定法和鋁試劑法，羊毛鉻花青R比色法平均回收率達(dá)99.28%，準(zhǔn)確性高于另2種方法。羊毛鉻花青R比色法的線性范圍在0～0.32 mg/L，對應(yīng)吸光值范圍在0～0.778;鋁試劑法的線性范圍在0～0.8 mg/L，對應(yīng)吸光值范圍在0.006～0.157;與鋁試劑法相比，羊毛鉻花青R比色法的線性范圍小于鋁試劑法，但其吸光值范圍大于鋁試劑法。羊毛鉻花青R比色法顯色劑與顯色物質(zhì)吸收峰間隔較遠(yuǎn)，測定背景干擾小，方法靈敏度較高。羊毛鉻花青R比色法檢測單個(gè)樣品的平均用時(shí)為4.2 min，檢測效率高于另2種方法，且操作簡捷，適用性較高。因此，推薦羊毛鉻花青R比色法為土壤交換性鋁的測定方法。

關(guān)鍵詞：土壤;交換性鋁;氯化鉀交換-中和滴定法;鋁試劑法;羊毛鉻花青R比色法

中圖分類號：S151.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Suitable detection methods to accurately and efficiently detect the soil exchange aluminum content were found. The differences， precision， accuracy and applicability of the exchange-neutralization titration of potassium chloride method， the aluminum reagent method and the chromoxane cyanine R method were analyzed. The results showed that there was no significant difference between the three methods. However， the precision of Chromoxane cyanine R method was better than that of the exchange-neutralization titration of potassium chloride method and the aluminum reagent method， and the average recovery rate of the wool-chromium-green R method was 99.28%， with a higher accuracy than the other two methods. The linear range of the chromoxane cyanine R method was 0 to 0.32 mg/L， and the linear range of the corresponding absorbent value was 0 to 0.778. The linear range of the aluminum reagent method was 0 to 0.8 mg/L， and the corresponding absorbent value range was 0.006 to 0.157. Compared with the aluminum reagent method， the linear range of chromoxane cyanine R method was smaller than that of the aluminum reagent method， but its absorbent value range was larger than that of the aluminum reagent method. The color rendering agent of the chromoxane cyanine R method was far from the absorption peak of the color rendering substance， the background interference was small， and the method sensitivity was higher. The average time of a single sample was 4.2 min， the detection efficiency was higher than that of the other two methods， and the operation was simple and the applicability was higher. Therefore， the chromoxane cyanine R method was recommended for the determination of soil exchange aluminum.

Keywords： soil; exchangeable aluminum; exchange-neutralization titration of potassium chloride method; aluminum reagent method; chromoxane cyanine R method

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.09.027

交換性鋁是對植物有害的一種土壤酸形態(tài)，其造成的鋁毒害是酸性土壤上作物生長的主要限制因素和森林大面積退化的重要原因。定量分析檢測交換性鋁含量對植物鋁毒害脅迫程度預(yù)測及土壤治理措施制訂具有極其重要的意義[1-3]。交換性鋁的檢測分析方法主要有氯化鉀交換-中和滴定法、原子光譜法、流動分析儀法及光度法等。氯化鉀交換-中和滴定法是土壤交換性鋁測定的傳統(tǒng)方法，需要對氯化鉀淋洗處理的浸出液分別以氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定檢測交換性酸、交換性氫，由兩者之差計(jì)算交換性鋁，檢測步驟繁瑣，效率低，檢測準(zhǔn)確性易受人為因素干擾，不適于批量土壤交換性鋁的檢測分析。原子光譜法包括原子吸收光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法等，此類方法準(zhǔn)確性高，但儀器昂貴，檢測成本高，使用有限[4-7]。流動分析儀法是現(xiàn)代新興的一種檢測方法，具有自動化程度高、經(jīng)濟(jì)安全以及準(zhǔn)確高效等優(yōu)點(diǎn)。但流動分析儀價(jià)格高，檢測技術(shù)要求較高，并未普及[8-9]。光度法所用儀器價(jià)格低廉，操作簡單，檢測快速，應(yīng)用廣泛。目前，常用于測定土壤交換性鋁的光度法有鋁試劑法、羊毛鉻花青R比色法、8-羥基喹啉法等[10-13]。光度法的檢測原理與氯化鉀交換-中和滴定法完全不同，而至今尚缺少光度法與傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)比較分析。此外，不同光度法因使用的顯色劑不同而表現(xiàn)出特定的檢測特征對土壤交換性鋁的測定影響也不明確，測定方法的選擇缺乏參考依據(jù)[4， 8]。鑒于此，本研究選擇鋁試劑法、羊毛鉻花青R比色法和氯化鉀交換-中和滴定法進(jìn)行比較，探討3種方法的差異性、精密度、準(zhǔn)確性及適用性等，以期優(yōu)選出土壤交換性鋁測定的適宜方法，為準(zhǔn)確高效地測定土壤交換性鋁的方法選擇提供參考依據(jù)，為土壤交換性鋁實(shí)現(xiàn)自動化檢測分析提供更多的基礎(chǔ)資料。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

2018年2月，樣品采集于廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站設(shè)置在中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心青山實(shí)驗(yàn)場人工林樣地。樣地位于青山實(shí)驗(yàn)場（21°57′N，106°39′E），屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫度20.5 ℃，年降水量1200 mm，土壤為花崗巖發(fā)育成的赤紅壤。共取9份交換性鋁含量不同的土壤樣品。土壤風(fēng)干后，去除殘留的植物殘?bào)w，壓碎過孔徑2 mm篩，樣品分別編號為1～9，裝袋標(biāo)識。

氯化鉀、氫氧化鈉、氟化鈉、酚酞、鋁試劑、硫酸、羊毛鉻青、抗壞血酸等試劑均為國產(chǎn)分析純。

YKM石墨加熱板，長沙永樂康醫(yī)療設(shè)備有限公司;UV765紫外分光光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司。

1.2 ?方法

1.2.1 ?氯化鉀交換-中和滴定法 ?5 g土壤放于鋪有濾紙的漏斗中，用1 mol/L氯化鉀淋洗多次后，收集的濾液定容至250 mL。取50 mL濾液2份，煮沸5 min，加酚酞1～2滴，一份趁熱以0.02 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至微紅色。另一份加入35 g/L的氟化鈉1 mL，以0.02 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至微紅色。2份濾液滴定量分別為V1、V2。按上述操作做空白試驗(yàn)，氫氧化鈉用量分別為V01和V02。

交換性鋁（mg/L）=[（V1V01）（V2V02）]×C1× ts1×90/（250×k×m）

式中：V1為交換性酸所用氫氧化鈉溶液體積，mL;V2為交換性氫所用氫氧化鈉溶液體積，mL;V01為交換性酸空白所用氫氧化鈉溶液體積，mL;V02為交換性氫空白所用氫氧化鈉溶液體積，mL;C1為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L1;ts1為分取倍數(shù);k為土壤水分系數(shù);m為土壤質(zhì)量，g。

以上試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 ?鋁試劑法 ?抽取1.2.1中濾液0.5 mL，加入2，4-二硝基苯酚1滴，加入2 mol/L氫氧化鈉，使溶液變成黃色，逐滴加入0.5 mol/L硫酸，使溶液恰好變成無色。加入1 mL的1%抗壞血酸溶液，4 mL鋁試劑顯色劑，定容至25 mL，室溫放置2 h后，于波長530 nm處檢測。分別抽取10 mg/L鋁標(biāo)準(zhǔn)液0、0.25、0.5、1、2 mL重復(fù)上述操作，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=5.2269x0.0314（R2=0.9944）。按照下列公式計(jì)算：

交換性鋁（mg/L）=C2×25×ts2/（250×k×m）

式中：C2為所測吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的濃度，mg/L;ts2為分取倍數(shù);k為土壤水分系數(shù);m為土壤質(zhì)量，g。

1.2.3 ?羊毛鉻花青R比色法 ?抽取1.2.1中濾液0.5 mL，加入0.5 mL的10 g/L抗壞血酸溶液，10 mL緩沖液，2.5 mL的1%羊毛鉻花青R溶液，定容25 mL，室溫靜置5 min，于波長535 nm處檢測。分別抽取10 mg/L鋁標(biāo)準(zhǔn)液0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mL，重復(fù)上述操作，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.4057x+0.0113（R2=0.9966）。按照下列公式計(jì)算：

交換性鋁（mg/L）=C3×25×ts3/（250×k×m）

式中：C3為所測吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的濃度，mg/L;ts3為分取倍數(shù);k為土壤水分系數(shù);m為土壤質(zhì)量，g。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

1.3.1 ?差異顯著性檢驗(yàn) ?采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差（ANOVA）分析，應(yīng)用最小顯著差異法（LSD）對組間差異進(jìn)行多重比較。

1.3.2 ?精密度、準(zhǔn)確性檢驗(yàn) ?（1）精密度檢驗(yàn)。1～3號土壤浸出液分別采用3種方法重復(fù)測定7次。

（2）準(zhǔn)確性檢驗(yàn)。1～2號土壤浸出液加4 mg/L的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用氯化鉀交換-中和滴定法測定交換性鋁。另兩組1～2號土壤浸出液各加1.6 mg/L的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用鋁試劑法和羊毛鉻花青R比色法測定交換性鋁。以上試驗(yàn)重復(fù)3次。

回收率=（加標(biāo)測定結(jié)果本底值）/加標(biāo)量× 100%。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?3種方法測定結(jié)果的比較

由表1可見，交換性鋁含量不同的9個(gè)土壤樣品分別采用3種方法測定，方差分析結(jié)果表明，3種方法的測定結(jié)果無顯著性差異。

2.2 ?3種方法的精密度檢驗(yàn)

精密度是方法學(xué)考察的重要指標(biāo)之一，表示重復(fù)測定的多個(gè)測量值的一致程度。通常以變異系數(shù)（CV）表示。由表2可見，3種方法的重復(fù)試驗(yàn)中，羊毛鉻花青R比色法、氯化鉀交換-中和滴定法、鋁試劑法的CV平均值分別為4.97%、6.26%、7.61%，說明3種方法測定結(jié)果的離散度依次呈增大趨勢，其精密度依次呈降低趨勢。經(jīng)方差分析，氯化鉀交換-中和滴定法與另兩種方法相比，CV平均值差異不顯著（P>0.05），而羊毛鉻花青R比色法的CV則顯著低于鋁試劑法（P<0.05）。

2.3 ?3種方法的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)及線性范圍

準(zhǔn)確性是方法學(xué)考察的重要指標(biāo)之一，用以表示測量值與真實(shí)值的接近程度，通常以回收率表示。由表3可見，羊毛鉻花青R比色法、鋁試劑法、氯化鉀交換-中和滴定法的平均回收率分別為99.28%、93.54%、89.33%?？梢姡?種方法的準(zhǔn)確性依次呈降低趨勢。經(jīng)方差分析，3種方法的回收率無顯著性差異（P>0.05）。

由表4可見，鋁濃度在0～0.48 mg/L，羊毛鉻花青R比色法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)R2大于0.996，對應(yīng)吸光值范圍在0～1.201。為了避免測定結(jié)果偏離比耳定律，增加誤差。羊毛鉻花青R比色法的適宜線性范圍選擇為0～0.32 mg/L，保證吸光值小于0.8[14-15]。鋁濃度在0～0.8 mg/L，鋁試劑法的標(biāo)準(zhǔn)曲線R2為0.9944，鋁濃度大于1 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)曲線彎曲，R2小于0.99，影響檢測準(zhǔn)確性。故鋁試劑法適宜線性范圍選擇為0～ 0.8 mg/L?？梢姡蛎t花青R比色法的標(biāo)準(zhǔn)曲線質(zhì)量優(yōu)于鋁試劑法。

2.4 ?3種方法的適用性比較

由表5可見，鋁試劑法、氯化鉀交換-中和滴定法、羊毛鉻花青R比色法檢測20個(gè)土壤交換性鋁含量的總用時(shí)分別為200、140、85 min，每個(gè)土壤的平均檢測用時(shí)分別為10、7、4.2 min。上述3種方法的檢測用時(shí)依次減少，檢測效率依次升高。氯化鉀交換-中和滴定法檢測步驟多，待測液加熱煮沸及滴定工作繁雜，工作量較大;鋁試劑法與羊毛鉻花青R比色法檢測步驟相似，但其適宜吸光值范圍較小，待測液的適宜稀釋比選擇常需要多次摸索，增加工作量，而羊毛鉻花青R比色法最為簡捷。說明羊毛鉻花青R比色法的適用性較強(qiáng)。

3 ?討論

光度法所用顯色劑與鋁離子絡(luò)合生成的顯色化合物濃度與吸光值符合朗伯-比爾定律，故在特定條件下比色檢測可獲得交換性鋁含量，與氯化鉀交換-中和滴定法的檢測原理不同[4， 12， 16]。本研究選擇的2種光度法與氯化鉀交換-中和滴定法所測交換性鋁含量無顯著性差異，但3種方法的精密度、準(zhǔn)確性及適用性有一定差異，選擇適宜的方法對準(zhǔn)確、高效地測定土壤交換性鋁具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究結(jié)果表明，氯化鉀交換-中和滴定法的精密度高于鋁試劑法，低于羊毛鉻花青R比色法;其準(zhǔn)確性低于另外2種方法，說明此方法檢測效果并不理想。這是因?yàn)槁然浗粨Q-中和滴定法檢測步驟多，易因滴定操作、終點(diǎn)判斷等偏差而造成一定測定誤差。其次，孔曉玲等提出交換性氫滴定時(shí)加入的氟化鈉使待測液pH上升，以氫氧化鈉滴定交換性氫易產(chǎn)生誤差。在測定過程所加入氟化鈉與鋁離子絡(luò)合，防止鋁離子水解生成氫離子的同時(shí)還絡(luò)合了部分羥基鋁，絡(luò)合過程釋放出的羥基會消耗了部分交換性氫，從而增加了交換性鋁的測定誤差[4， 17-19]。氯化鉀交換-中和滴定法的操作誤差可采取人員檢測技能提高等措施降低到較低水平，但交換性氫的測定干擾因素較為復(fù)雜，難以避免，故影響此方法的精密度與準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。

由于鋁元素的光學(xué)活性和電化學(xué)活性均較低，使其分析難度增加?，F(xiàn)期光度法主要通過選擇合適的顯色劑實(shí)現(xiàn)鋁離子的檢測分析[20-22]。本試驗(yàn)選擇的2種光度法采用不同顯色劑與鋁離子絡(luò)合生成不同的顯色化合物，兩者的檢測效果有所不同。羊毛鉻花青R比色法、鋁試劑法的線性范圍分別在0～0.32 mg/L，0～0.8 mg/L，與現(xiàn)有研究成果一致[16， 23-26]。羊毛鉻花青R比色法的線性范圍小于鋁試劑法，但其對應(yīng)吸光值范圍是鋁試劑法的5倍。說明羊毛鉻花青R比色法顯色劑本身色淺，其吸收峰與顯色化合物吸收峰的間隔較遠(yuǎn)。鋁試劑法的顯色劑本身色深，其吸收峰與顯色化合物吸收峰的間隔較近，這使得鋁試劑法的測定背景干擾較大，試劑空白高，影響檢測的準(zhǔn)確性，故其標(biāo)準(zhǔn)曲線質(zhì)量差于羊毛鉻花青R比色法。由朗伯-比爾定律可知，A（吸光度）=ε（摩爾吸光系數(shù)）b（液層厚）c（吸光質(zhì)點(diǎn)濃度），ε表示光質(zhì)點(diǎn)對某波長光的吸收能力，其值越大，測定靈敏度越高。鋁試劑法的ε=0.53× 104 L/（mol·cm），羊毛鉻花青R比色法的ε=0.656× 105 L/（mol·cm）?？梢?，鋁試劑法靈敏度低于羊毛鉻花青R比色法。本試驗(yàn)以南亞熱帶赤紅壤為樣品，交換性鋁含量含概了高、中、低水平，有一定代表性。土壤溶液中成分較為復(fù)雜，磷酸根、鐵、錳等多種離子對交換性鋁測定均有干擾。研究表明，磷酸根濃度允許達(dá)到10 mg/L，遠(yuǎn)高于常規(guī)土壤的磷酸根含量。鐵、錳等離子多處于配位狀態(tài)，自由態(tài)濃度不高，但仍可能干擾測定[20， 23]。2種方法均加入抗壞血酸掩蔽干擾離子，而羊毛鉻花青R比色法的精密度和準(zhǔn)確性高于鋁試劑法。說明羊毛鉻花青R比色法不易受干擾。有研究認(rèn)為鋁試劑的顯色劑易與金屬離子形成有色物質(zhì)，干擾測定。本研究結(jié)果從側(cè)面也說明這一點(diǎn)。有研究者[23-25]提出鋁試劑法易受干擾，其準(zhǔn)確性低于羊毛鉻花青R比色法的說法與本研究結(jié)果一致。另有研究[16]提出羊毛鉻花青R比色法易受離子干擾，鋁試劑法顯色快、干擾小，與本研究結(jié)果并不相符。

本研究發(fā)現(xiàn)羊毛鉻花青R比色法精密度與準(zhǔn)確性均高于另2種方法，其中鋁試劑的精密度最低，氯化鉀交換-中和滴定法的準(zhǔn)確性最低。氯化鉀交換-中和滴定法CV與另兩種方法無顯著性差異，羊毛鉻花青R比色法CV與鋁試劑法有顯著性差異。表明鋁試劑法本身存在的吸光值范圍較窄，方法靈敏度低，顯色劑對離子選擇性欠佳等問題對方法精密度干擾明顯，方法重現(xiàn)性欠佳[23， 25]。氯化鉀交換-中和滴定法的準(zhǔn)確性因操作誤差及土壤性質(zhì)復(fù)雜等原因而受到一定干擾，方法準(zhǔn)確性低于2種光度法。此外，鋁試劑法顯色速度慢，顯色時(shí)間為120 min，是羊毛鉻花青R比色法的24倍，檢測效率低[27-30]。氯化鉀交換-中和滴定法費(fèi)時(shí)費(fèi)工，工作強(qiáng)度大，適用性差。綜合比較，羊毛鉻花青R比色法有利于準(zhǔn)確高效的檢測，具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢[23， 30-31]，故建議優(yōu)先考慮作為土壤交換性鋁的測定方法。

以往資料多是對方法存在問題提出改進(jìn)，對不同方法的檢測效果比較分析及方法評價(jià)的討論甚少[12， 16， 20]。本研究通過對3種方法檢測特征的比較分析，探討了3種方法的靈敏度、準(zhǔn)確性及適用性，為土壤交換性酸測定方法考察、評價(jià)及選擇提供了可行的參考依據(jù)。

4 ?結(jié)論

3種方法所測交換性鋁無顯著性差異。羊毛鉻花青R比色法的精密度、準(zhǔn)確性和適用性較好，鋁試劑法和氯化鉀交換-中和滴定法均存在一些不足，不利于準(zhǔn)確高效地檢測。因此，推薦采用羊毛鉻花青R比色法測定土壤交換性鋁。

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