分光光度法測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量的方法優(yōu)化

王麗敏,吳慧，申立，尚余風(fēng)，王炳航

(1.山東省威海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 威海 264200；2.威海市生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心，山東 威海264200；3.濰坊學(xué)院，化學(xué)與化工學(xué)院，山東 濰坊 261000；4.威海市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 威海 264200)

土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)是指土壤膠體所吸附的各種陽(yáng)離子的總量，是影響土壤緩沖能力高低、評(píng)價(jià)土壤保肥能力的重要指標(biāo)[1-2]，是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[3-6]。因此尋找一種快速高效測(cè)定土壤CEC的方法具有重要意義[7]。土壤CEC的測(cè)定方法包括乙酸銨交換法、乙酸銨-氯化銨交換法、氯化鋇-硫酸快速測(cè)定法等[7-8]，以上方法均有操作復(fù)雜、費(fèi)力耗時(shí)等問(wèn)題[9-10]。經(jīng)比較分析，《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》(HJ 889—2017)具有操作簡(jiǎn)單、分析效率高等優(yōu)點(diǎn)。但分析組分較復(fù)雜的酸性土壤樣品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果偏低，樣品振蕩離心后浸提液中存在細(xì)小顆粒物雜質(zhì)而導(dǎo)致吸光值不穩(wěn)定，樣品吸光值比空白吸光值高等現(xiàn)象。楊黎[11]提出了利用超聲浸提代替振蕩浸提的方式，縮短了前處理時(shí)間，提高了分析效率。張艷麗[12]優(yōu)化了浸提量，調(diào)節(jié)土壤的pH值，解決了酸性土壤測(cè)試值偏低的問(wèn)題。現(xiàn)更加全面地探究了有機(jī)質(zhì)、pH值、浸提時(shí)間、離心時(shí)間、浸提液過(guò)濾等對(duì)土壤CEC測(cè)試結(jié)果的影響，并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)一步提高了《HJ 889—2017》方法的適用性。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：DD6臺(tái)式離心機(jī)(常州市金壇高科儀器廠)；UV-2700紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津公司)；100.00 mL離心管、50.00 mL移液管、JH 202電子分析天平(上海精科天美科學(xué)儀器有限公司)；ZD-88型大容量全溫振蕩器(常州華冠儀器制造有限公司)；聚丙烯針頭過(guò)濾器(天津津騰有限公司)。

試劑：三氯化六氨合鈷{[Co(NH3)6]Cl3，優(yōu)級(jí)純，北京百靈威科技有限公司}；土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[ASA-1a酸性土(遼寧棕壤土)，ASA-5a中性土(江西紅壤土),ASA-9堿性土(陜西黃綿土),HTSB-2堿性土(陜西黑壚土)]；去離子水(電導(dǎo)率<0.5 μS/cm)；二氧化硅(優(yōu)級(jí)純，北京國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

稱(chēng)取3.50 g土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)于100.00 mL離心管中，用移液管移取50.00 mL濃度為1.66 cmol/L的[Co(NH3)6]Cl3溶液，置于振蕩器中回旋振蕩，控制溫度在(20±2)℃，浸提 60 min，離心10 min，取上清液，以水做參比，在475 nm 處測(cè)其吸光度[13]。

稱(chēng)取3.50 g二氧化硅代替土壤樣品，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下振蕩，離心，測(cè)其在475 nm處的吸光度，此吸光度為空白吸光度。

CEC值計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：CEC——土壤陽(yáng)離子交換量，cmol+/kg；A0——空白試樣吸光度；A——試樣吸光度；V——浸提液體積，mL；3——[Co(NH3)6]3+的電荷數(shù)；b——標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率；m——取樣量，g；wdm——土壤干物質(zhì)含量，%。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

稱(chēng)取4.458 g[Co(NH3)6]Cl3定容至1 000 mL，配制成1.66 cmol/L的溶液，量取0.00，1.00，3.00，5.00，7.00和9.00 mL的[Co(NH3)6]Cl3溶液于6個(gè)10 mL的容量瓶中，分別用水稀釋至標(biāo)線，濃度分別為0，0.166，0.498，0.830，1.16和1.49 cmol/L，以水為參比，在475 nm 處分別測(cè)量吸光度。以標(biāo)準(zhǔn)系列中的[Co(NH3)6]Cl3溶液濃度為橫坐標(biāo)，以其對(duì)應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線[13]，斜率b為 0.584 1,截距a為0.001 4。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)質(zhì)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

[Co(NH3)6]Cl3溶液在475和380 nm處都有吸收，且在475 nm 處有最大吸收，通過(guò)測(cè)得[Co(NH3)6]Cl3溶液在475 nm處的吸光度，計(jì)算土壤CEC值。而有機(jī)質(zhì)在475 nm處也有吸收，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CEC測(cè)量結(jié)果偏低。選擇山東省有機(jī)質(zhì)較多的代表性土壤樣品，實(shí)驗(yàn)測(cè)得土壤樣品和實(shí)驗(yàn)室空白在475 和380 nm處的吸光度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 有機(jī)質(zhì)與陽(yáng)離子交換量測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)室空白的吸光度在475 nm處為 0.918，在380 nm 處為0.122。實(shí)驗(yàn)室空白本身在380 nm處就有吸光度。當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤CEC無(wú)相關(guān)性。樣品2在380 nm處吸光度為0.158，比實(shí)驗(yàn)室空白吸光度(0.122)要高，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)380 nm處吸光度有影響。而樣品4在380 nm處吸光度為0.096，比實(shí)驗(yàn)室空白吸光度要低，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)380 nm處吸光度影響很小。因此，只有在有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，且有機(jī)質(zhì)對(duì)樣品在380 nm處的吸光度有影響時(shí)，才有必要通過(guò)校正方程計(jì)算CEC。

2.2 pH值對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

稱(chēng)取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品各3.50 g于100 mL離心管中，按照實(shí)驗(yàn)方法要求，每個(gè)樣品平行測(cè)試2次。標(biāo)準(zhǔn)樣品的pH值和CEC測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值及不確定度① cmol+/kg

由表2可見(jiàn)，對(duì)于中性或堿性標(biāo)準(zhǔn)土壤，測(cè)試值接近真值，而對(duì)于酸性標(biāo)準(zhǔn)土壤，測(cè)試值偏小很多?？赡苁且?yàn)樗嵝酝寥乐蠬+濃度較高，影響[Co(NH3)6]3+的交換，使結(jié)果產(chǎn)生偏差。

分別稱(chēng)取3.50 g酸性標(biāo)準(zhǔn)土壤(ASA-5a)于100 mL離心管中，加入50.00 mL[Co(NH3)6]Cl3溶液，調(diào)節(jié)pH值為6.0～8.0，平行測(cè)定6次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.4%。CEC和準(zhǔn)確度結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 ASA-5a 的CEC測(cè)試結(jié)果

由表3可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)酸性土壤樣品的pH值,可以提高方法的準(zhǔn)確度和精密度。

2.3 浸提時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

稱(chēng)取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2標(biāo)準(zhǔn)土壤各3.50 g于100 mL離心管中，分別振蕩1，1.5，2，3，4 和5 h。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 浸提時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

由圖1可見(jiàn)，對(duì)于中性或堿性土壤樣品(ASA-1a,ASA-9,HTSB-2)，浸提時(shí)間>3 h時(shí)，測(cè)試結(jié)果超過(guò)真值上限，浸提時(shí)間為1～1.5 h時(shí)，測(cè)試結(jié)果接近真值。對(duì)于酸性土壤樣品(ASA-5a),浸提時(shí)間為1～2 h時(shí)，測(cè)試結(jié)果低于真值下限，浸提時(shí)間>3 h時(shí)，測(cè)試結(jié)果超過(guò)真值上限，浸提時(shí)間為 2～3 h時(shí)，測(cè)試結(jié)果接近真值。可能因?yàn)樗嵝酝寥廊芤豪颒+濃度較高，不利于[Co(NH3)6]3+交換，通過(guò)延長(zhǎng)浸提時(shí)間，可使土壤溶液中的陽(yáng)離子和[Co(NH3)6]3+有充分的交換時(shí)間。因此，測(cè)定中性或堿性土壤時(shí)，浸提1～1.5 h即可；測(cè)定酸性土壤時(shí)，可通過(guò)增加浸提時(shí)間(2～3 h)來(lái)解決測(cè)試結(jié)果偏低的問(wèn)題。

2.4 離心時(shí)間及過(guò)濾對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

稱(chēng)取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品各3.50 g于100 mL離心管中，ASA-1a、ASA-9和HTSB-2浸提1 h，ASA-5a浸提2 h，各土壤樣品分別離心10，20，30和40 min。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 離心時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

由圖2可見(jiàn)，離心10 min時(shí)，各土壤樣品測(cè)定結(jié)果均接近真值。隨著離心時(shí)間的增加，測(cè)定結(jié)果略有增加，幾乎都接近真值。一般情況下離心10 min 就能達(dá)到要求，但實(shí)際土壤樣品比標(biāo)準(zhǔn)樣品的基質(zhì)復(fù)雜得多，離心10 min時(shí)溶液還很渾濁，分離后的懸浮液含有雜質(zhì)，會(huì)使樣品在475 nm處吸光度增加，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏低，因此需要延長(zhǎng)離心時(shí)間。對(duì)山東省124個(gè)土壤樣品進(jìn)行測(cè)定，其中一些樣品離心10 min后，上清液還很渾濁，有很多細(xì)碎的草葉，使樣品吸光度增加，因此增加離心時(shí)間，并用針頭過(guò)濾器過(guò)濾后上機(jī)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 實(shí)際土壤樣品未過(guò)濾與過(guò)濾后的測(cè)試結(jié)果

由表4可見(jiàn)，通過(guò)針頭過(guò)濾器過(guò)濾后，樣品在475 和380 nm處的吸光度都有所降低，測(cè)試結(jié)果更加可靠。

2.5 精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

在上述研究條件下，對(duì)ASA-5a(酸性)和HTSB-2(堿性)標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品各平行測(cè)定7次。其中酸性土壤在浸提前，調(diào)節(jié)pH 值為6.0～8.0，浸提1 h,離心10 min，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，2種土壤樣品的測(cè)定值與真值均基本一致，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%和1.0%，相對(duì)誤差均<0.5%，符合方法要求。

表5 方法精密度和準(zhǔn)確度

2.6 檢出限

對(duì)空白試樣進(jìn)行7次重復(fù)測(cè)定，根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2020)[14]中檢出限計(jì)算公式計(jì)算方法檢出限，MDL=t(n-1,0.99)×S，結(jié)果為MDL=0.78 cmol+/kg,測(cè)定下限為4倍檢出限，為3.12 cmol+/kg，低于標(biāo)準(zhǔn)檢出限(0.8 cmol+/kg)，滿(mǎn)足方法要求。

3 結(jié)語(yǔ)

采用三氯化六氨合鈷-浸提分光光度法測(cè)定CEC，對(duì)有機(jī)質(zhì)、pH值、浸提時(shí)間、離心時(shí)間、浸提液過(guò)濾等條件進(jìn)行優(yōu)化。指出，當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且在380 nm處吸光度很大時(shí)，才需要通過(guò)475 nm 處進(jìn)行校正。對(duì)于中性或堿性土壤，一般浸提時(shí)間為1 h,離心時(shí)間為10 min，即可達(dá)到良好的效果；而對(duì)于酸性土壤，可以通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或增加浸提時(shí)間，達(dá)到良好的效果，從而解決酸性土壤CEC測(cè)定結(jié)果偏低的問(wèn)題，有效地補(bǔ)充了《HJ 889—2017》標(biāo)準(zhǔn)的不足。對(duì)于含有復(fù)雜基質(zhì)的土壤樣品，可以在測(cè)定前，用針頭過(guò)濾器過(guò)濾細(xì)碎的草葉、懸浮物等雜質(zhì)，使結(jié)果更接近真值。采用上述優(yōu)化后的條件，該方法適用于各種類(lèi)型土壤陽(yáng)離子交換量的大批量監(jiān)測(cè)。