森林土壤有效磷測定過程中3 種脫色劑的效果比較

張 翔，趙 瓊，魏麗漫，耿必苗，武林輝，孫慶業(yè)

(安徽大學資源與環(huán)境工程學院，合肥 230601)

有效磷指土壤中可被植物吸收利用的磷，是指示土壤中磷有效性的關(guān)鍵指標，也是評價土壤肥力和決定作物產(chǎn)量的重要指標之一[1]。經(jīng)過長期的發(fā)展，土壤有效磷的測定方法主要有 Olsen 法[2]（NaHCO3法）、Bray 1 法[3]（HCl+NH4F 法）和樹脂法[4]等。在微酸性、中性和石灰性土壤中，常用的測定有效磷的方法為Olsen 法。Olsen 法是以pH為8.5，濃度為0.5 mol 的碳酸氫鈉溶液來提取土壤中的有效磷。但Olsen 法在提取有效磷的同時，也會將土壤中的可溶性有機質(zhì)一并提取出來，浸提出的可溶性有機質(zhì)使得浸提液呈現(xiàn)黃色到褐色，干擾后期用鉬藍法或鉬銻抗法對浸提液中磷的測定和比色。Olsen 法起初用于農(nóng)業(yè)土壤中有效磷的測定，農(nóng)業(yè)土壤的有機質(zhì)含量低，對實驗結(jié)果影響較小。然而，在森林土壤中，由于凋落物分解、根系分泌物以及其他代謝產(chǎn)物等因素影響[5]，有機質(zhì)含量比農(nóng)業(yè)土壤高[6]，有效磷含量卻較低，在測定過程中，浸提液呈深黃色，有時甚至會出現(xiàn)紅褐色，嚴重影響后期比色。

目前在Olsen 法中去除浸提液中可溶性有機質(zhì)主要有兩種方法。一種方法是在浸提液中加稀硫酸，將有機質(zhì)氧化。但稀硫酸在氧化有機質(zhì)的同時會將有機磷氧化為無機磷，使測定結(jié)果偏高。另一種常用的方法是在土壤浸提過程中加入無磷活性炭等吸附劑以吸附有機質(zhì)[7]。傳統(tǒng)的吸附劑是無磷活性炭。但這在有機質(zhì)含量高的土壤中無法徹底得到透明的浸提液，且無磷活性炭加入過多時其中含有的少量磷會對結(jié)果產(chǎn)生干擾。因此，為了提高Olsen 法在有機質(zhì)含量高的土壤中測定有效磷的準確性，迫切需要尋找吸附能力強、對后期比色干擾小的有機質(zhì)吸附劑。近年來，有研究者嘗試用聚丙烯酰胺和大孔樹脂等材料來吸附碳酸氫鈉浸提液中的有機質(zhì)，但吸附效果很不穩(wěn)定。Banderis 等[8]對比了無磷活性炭和聚丙烯酰胺對有機質(zhì)的去除效果，結(jié)果表明，聚丙烯酰胺可以有效地取代無磷活性炭。但也有研究表明，用聚丙烯酰胺替代無磷活性炭未能吸收有機質(zhì)[9]。有學者利用大孔樹脂來吸附去除有機質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對有機質(zhì)的脫除率高于活性炭，可達到50%以上[10]。

有機質(zhì)的主要成分為腐殖質(zhì)，占土壤有機質(zhì)總量的85%～90%左右，是一類高分子化合物[11]。腐殖質(zhì)的主體是各種腐殖酸以及與金屬離子相結(jié)合的鹽類，腐殖酸分子中大部分為含氧的酸性官能團（羧基是最重要的官能團），腐殖質(zhì)的總酸度為羧基和酚羥基的總和，酸度決定了腐殖質(zhì)具有一定的陽離子交換能力[12]。腐殖質(zhì)并無準確的分子式，只能根據(jù)其基本分子式[13]來判斷其為極性物質(zhì)。據(jù)此來對聚丙烯酰胺和大孔樹脂的種類進行選擇。

活性炭的吸附主要是物理吸附，它的比表面積大、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，當環(huán)境中的分子被捕捉到其內(nèi)部孔隙后，由于分子之間的相互吸引，導(dǎo)致更多的分子不斷進入其孔隙，從而達到去除污染物的作用。聚丙烯酰胺分為陽離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺，陽離子聚丙烯酰胺含帶正電的陽離子基團，可與帶負電的物質(zhì)產(chǎn)生靜電吸引力，如帶有羥基的腐殖酸等；另外，聚丙烯酰胺含-CONH2強吸附基團，其氧原子與氮原子上的氫原子可形成強作用力的氫鍵，因此還具有吸附架橋的作用[14-15]。大孔樹脂對污染物的吸附主要依據(jù)“相似相溶”的原則，即一般非極性吸附劑適用于從極性溶液（如水）中吸附非極性有機物；而高極性吸附劑適用于從非極性溶液中吸附極性溶質(zhì)；中等極性吸附劑，不但能夠從非水介質(zhì)中吸附極性物質(zhì)，同時它們具有一定的疏水性，所以也能從極性溶液中吸附非極性物質(zhì)。

本研究選用無磷活性炭、陽離子聚丙烯酰胺和DM301中等極性大孔樹脂3種材料對碳酸氫鈉浸提液中的有機質(zhì)進行吸附分離，對其效果進行分析，以期比較出吸附能力強、對測定結(jié)果干擾小的有機質(zhì)去除方法。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗選用5 種不同的土壤，分別取自黑龍江大興安嶺東部林區(qū)南甕河國家自然保護區(qū)；遼寧省撫順市清原滿族自治縣（清原縣）；內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科左后旗的中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所大青溝沙地生態(tài)實驗站；浙江省杭州市臨安區(qū)塢里頭。采樣選取0～20 cm 的表層土，5 種土壤的基本性質(zhì)見表1。

表1 5 種土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the five soils

1.2 主要材料的選擇

（1）無磷活性炭：選用鄭州市國家大學科技園的無磷活性炭粉；

（2）聚丙烯酰胺：本研究選用陽離子聚丙烯酰胺，且分子量為1 200 萬；

（3）大孔樹脂：本研究選用DM301 大孔樹脂，此樹脂為中等極性樹脂，用以分離弱極性和極性化合物。

1.3 試驗設(shè)計和試驗方法

試驗分為兩部分，第一部分是測定3 種吸附材料自身的含磷量、對浸提液中磷的吸附量以及對腐殖酸的吸附能力，第二部分是測定吸附材料對土壤碳酸氫鈉浸提液中有機質(zhì)的去除效果和對磷含量的影響。實驗中吸附材料的添加量分為3 個梯度，梯度設(shè)計見表2。

表2 有機質(zhì)吸附試驗中不同材料的添加梯度Table 2 The gradient of different materials added in the organic matter adsorption experiment

1.3.1 吸附材料自身含磷量、對磷的吸附量以及對腐殖酸吸附能力的測定 吸附材料含磷量的測定：將定量的3 種材料分別加到30 mL 的0.5 mol（pH =8.5）碳酸氫鈉溶液中，振蕩40 min 后用無磷濾紙過濾，吸取10 mL 濾液測定濾液的磷濃度，根據(jù)濾液的磷濃度來確定材料的含磷量。磷濃度的測定采用鉬銻抗比色法[16]，每組做3 個重復(fù)。

吸附材料對磷的吸附量的測定：用磷酸二氫鉀（優(yōu)級純）加入到0.5 mol 碳酸氫鈉溶液（pH = 8.5）中配制成0.3 mg·L-1左右濃度的磷溶液，再分別加入1.0 g 無磷活性炭、0.015 g 聚丙烯酰胺、2.0 g 大孔樹脂，振蕩40 min 后過濾，用鉬銻抗比色法測定過濾液的磷濃度，比較3 種材料對磷的吸附能力，每組做3 個重復(fù)。

吸附材料對腐殖酸的吸附能力的測定：參考一般的土壤可溶性有機質(zhì)濃度[17]，在每升0.5 mol 碳酸氫鈉溶液（pH = 8.5）中加入30 mg 的腐殖酸，配制成30 mg·L-1的溶液，再分別加入表2 所述梯度的3 種材料，振蕩40 min 以吸附腐殖酸，再根據(jù)吸附完成后濾液的顏色以及腐殖酸含量來比較3 種材料對腐殖酸的吸附能力。常規(guī)的腐殖酸濃度測定方法為重鉻酸鉀容量法[16]，該方法耗時長且步驟復(fù)雜。因此，使用紫外分光光度計在420 nm 波長處直接比色測定來計算腐殖酸的含量[18]，每組做3 個重復(fù)。

通過以上3 個試驗，比較3 種材料對磷測定的干擾（材料自身不含磷并且不會吸附磷）以及對腐殖酸的吸附能力，以此來作為吸附劑選擇的依據(jù)。

1.3.2 吸附材料對土壤碳酸氫鈉浸提液中有機質(zhì)的去除效果和對磷含量的影響 分別取5.0 g 試驗所用的5 種風干土樣、不同梯度的3 種材料，加入離心管中，并加入30 mL 0.5 mol 碳酸氫鈉溶液（pH =8.5），振蕩40 min 后，對濾液的顏色、有機質(zhì)的含量以及有效磷含量進行對比。浸提液中有機質(zhì)使用紫外分光光度計在420 nm 波長處直接比色測定來計算有機質(zhì)的含量，有機質(zhì)含量越高，濾液顏色越深，有效磷采用鉬銻抗比色法測定，每組做3 個重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 處理后，利用SPSS 25.0 軟件對5 種土壤有機質(zhì)去除結(jié)果以及有效磷測定結(jié)果進行單因素方差分析（one-way ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附材料的含磷量、吸磷量和對有機質(zhì)的吸附能力

從表3 可以看出，3 種吸附材料中，無磷活性炭和大孔樹脂含磷量和吸磷量均很低，對實驗結(jié)果不會產(chǎn)生影響，而聚丙烯酰胺雖然含磷量和吸磷量較高，但其用量很低（用量高時會和溶液結(jié)合形成膠狀物質(zhì)，不可過濾），對實驗結(jié)果的影響也很低。

表3 吸附材料自身含磷量和吸磷量Table 3 Phosphorus concentration of adsorbent materials and amount of phosphorus absorbed by them

圖1 不同梯度的3 種吸附材料吸附后的腐殖酸濃度變化Figure 1 Changes in humic acid concentrations upon addition of the three adsorbent materials with different gradients

圖2 添加不同梯度的3 種吸附材料后土壤碳酸氫鈉浸提液中有機質(zhì)濃度的變化Figure 2 Changes in the organic matter concentration of the soil sodium bicarbonate extract after adding three adsorbent materials with different gradients

圖3 添加不同梯度的3 種吸附材料后土壤碳酸氫鈉浸提液中有效磷濃度的變化Figure 3 Change in available phosphorus concentrations in the soil sodium bicarbonate extracts after addition of three adsorbent materials with different gradients

利用方差分析比較了添加不同梯度的吸附材料處理后的腐殖酸濃度與原溶液中腐殖酸濃度的差異（圖1）?？擅黠@看出，3 種材料對腐殖酸去除效果均十分顯著（P＜0.01），聚合丙烯酰胺對腐殖質(zhì)的去除效果最佳，0.012 g、0.015 g 和0.018 g 的聚丙烯酰胺分別去除了78.2%、83.2%和76.5%的腐殖酸。無磷活性炭的效果次之，0.5 g、1.0 g 和1.5 g 活性炭分別去除了45.2%、47.76%和48.86%的腐殖酸。大孔樹脂吸附效果最差，1.0 g、2.0 g 和3.0 g 大孔樹脂分別去除了11.86%、13.26%和14.75%的腐殖酸。從實際顏色來看，聚丙烯酰胺吸附后的溶液為清澈透明狀，活性炭吸附后的溶液略顯黃色，大孔樹脂吸附后的顏色與原溶液顏色相近。

2.2 3 種吸附材料對土壤中可溶性有機質(zhì)吸附能力

由圖2 可看出，3 種材料對5 種土壤有機質(zhì)去除效果均十分顯著（P＜0.01），但從數(shù)值上看，無磷活性炭對土壤碳酸氫鈉浸提液中對有機質(zhì)的去除效果最好。在5 種土壤中，有機質(zhì)去除率最低為64.6%，最高為85.9%，平均去除率為76.4%。與無土實驗相比，聚丙烯酰胺對土壤有機質(zhì)的吸附效果比在配制的腐殖酸溶液中要差，在5 種土壤中，有機質(zhì)去除率最低為17.8%，最高為63.9%，平均去除率為33.5%。大孔樹脂在無土試驗和有土試驗中的吸附效果相近，均很難吸附去除有機質(zhì)，在5 種土壤中，有機質(zhì)去除率最低為9.7%，最高為25.9%，平均去除率為17.1%。

2.3 不同吸附材料對土壤中有效磷濃度測定影響

添加3 種材料后測定的有效磷濃度無顯著差異（P＞0.05，圖3）。

3 討論與結(jié)論

在利用Olsen 法測定森林土壤有效磷的同時，也會將土壤中的可溶性有機質(zhì)一并提取出來，從而對后期浸提液的比色產(chǎn)生干擾。傳統(tǒng)的方法是在測定Olsen-P 的同時加入無磷活性炭來吸附去除有機質(zhì)，近年來聚丙烯酰胺和大孔樹脂等吸附材料也被用來去除磷測定過程中的有機質(zhì)。

本研究中，無磷活性炭、聚丙烯酰胺以及大孔樹脂這3 種材料含磷量都極少，并且不會吸附提取液中的磷，對磷測定的干擾小。在對腐殖酸溶液的吸附實驗中，聚丙烯酰胺對腐殖酸的吸附去除效果最佳，濾液呈無色透明狀，且吸附完成后，腐殖酸被分離成懸浮物，易于過濾。聚丙烯酰胺對腐殖酸的吸附主要為吸附架橋作用。聚丙烯酰胺是一種高分子絮凝劑，當它與腐殖酸接觸時，聚丙烯酰胺基團能與腐殖酸膠粒表面產(chǎn)生特殊反應(yīng)而相互吸附，而高分子物質(zhì)的其余部分則與另一個表面有空位的膠粒吸附，形成架橋連接的作用，從而使腐殖酸分離出來形成懸浮物。而在對土壤碳酸氫鈉浸提液的吸附實驗中，聚丙烯酰胺的吸附效果顯著下降，可能是由于實驗土壤對該材料的吸附架橋作用產(chǎn)生了影響（土壤提取液中的細小懸浮物阻礙了膠粒吸附），從而導(dǎo)致吸附能力減弱。也可能是由于土壤提取液中的其他基團與腐殖酸離子化的羧基之間形成了離子絡(luò)合物[19]，或者是提取液中的化合物與聚丙烯酰胺形成氫橋[20]，導(dǎo)致一部分腐殖酸分子無法與聚丙烯酰胺結(jié)合，仍保留在土壤提取液中。

本實驗中的大孔樹脂對可溶性有機質(zhì)的吸附能力較差，與相關(guān)研究的結(jié)果不同[21]。本實驗選用的大孔樹脂為中等極性樹脂，根據(jù)“相似相溶”的原則，有機質(zhì)和碳酸氫鈉溶液為極性物質(zhì)，因此，大孔樹脂可能難以在極性溶液中分離極性有機質(zhì)。另外，不同的極性樹脂對土壤浸提液中溶解性有機質(zhì)的吸附特性可能也有所差異。大孔樹脂的孔徑影響其吸附性能，本實驗采用的DM301 大孔樹脂平均孔徑為14～17 nm，而實驗采用的腐殖酸以及土壤樣品中的有機質(zhì)均為高分子化合物，可能是由于大孔樹脂的孔徑小于腐殖酸的直徑，導(dǎo)致吸附效果受到影響[22]。另外，溶液的pH 也會影響大孔樹脂的吸附效果，有研究表明，當pH 較低時有利于大孔樹脂對有機酸的吸附[23-24]，當溶液的pH 為7 時，吸附效果接近于0。因此，本實驗中pH 為8.5 的碳酸氫鈉溶液以及pH 值較高的土壤可能會造成大孔樹脂的吸附效果差。方差分析表明，添加3 種材料后土壤碳酸氫鈉浸提液中有機質(zhì)的吸附效果有顯著差異，有效磷的濃度無顯著差異。從對有機質(zhì)的吸附效果來看，無磷活性炭是最佳的選擇。

綜上所述，本研究結(jié)果表明，無磷活性炭粉、聚丙烯酰胺和大孔樹脂自身磷含量和對磷的吸附量都很低，不會對土壤中Olsen-P 的測定產(chǎn)生干擾。但無磷活性炭對土壤碳酸氫鈉浸提液中有機質(zhì)的吸附效果最佳，仍是Olsen-P 測定過程中最佳的吸附材料。因此，在日常測定有機質(zhì)含量較低土壤中的Olsen-P 時，可稱取1.0 g 左右無磷活性炭至30 mL土壤浸提液中進行有機質(zhì)的吸附。而對于有機質(zhì)含量非常高的土壤，可嘗試利用氧化性較弱的酸，如稀鹽酸（目的是為了避免有機磷被氧化成無機磷）將30 mL 過濾后的土壤浸提液的pH 調(diào)至2.0 左右[23]，再加入2.0 g 左右的大孔樹脂進行吸附。在本研究基礎(chǔ)上，從聚丙烯酰胺和大孔樹脂的吸附原理出發(fā)，可對更多的材料進行探究，選出吸附效果更好的材料。