三氯化六氨合鈷浸提–分光光度法測(cè)定土壤中陽(yáng)離子交換量

岳中慧，岳啟建，龍壽坤，周俊驊，范鵬飛，桂婷婷

（1.核工業(yè)二三0 研究所分析測(cè)試中心，長(zhǎng)沙 410000； 2.漣水縣疾病預(yù)防控制中心，江蘇淮安 223400）

陽(yáng)離子交換量（CEC）是土壤保肥性和“生理平衡”的重要指標(biāo)，影響作物對(duì)肥料的需求［1–2］。土壤陽(yáng)離子交換量在土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)﹑能量流動(dòng)﹑土壤質(zhì)量及生產(chǎn)的維持和保育以及土地資源持續(xù)利用方面具有重要作用［3］。在國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量加密調(diào)查和地方農(nóng)用地土壤保肥能力調(diào)查等項(xiàng)目中，土壤陽(yáng)離子交換量都是必測(cè)指標(biāo)，其特點(diǎn)是樣品量大，要求測(cè)定速度快（3 個(gè)月需完成約1 萬(wàn)多個(gè)土壤樣品檢測(cè)）。因此建立簡(jiǎn)單﹑快速﹑經(jīng)濟(jì)有效的實(shí)驗(yàn)方法相當(dāng)重要。

測(cè)定陽(yáng)離子交換量的方法很多，比較常用的有NY/T 295–1995 《中性土壤陽(yáng)離子交換量和交換性鹽基的測(cè)定》和LY/T 1243–1999 《森林土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定》的乙酸銨交換法，這也是如今大多實(shí)驗(yàn)室的主流方法。有些分析工作者在乙酸銨交換過程中，用酒精淋洗去除多余的乙酸銨以及最后蒸餾出氨氣進(jìn)行滴定的實(shí)驗(yàn)過程中或多或少的用改良方法提高了實(shí)驗(yàn)效率以及準(zhǔn)確度，例如旋轉(zhuǎn)混合–氣相分子吸收光譜法［4］﹑振蕩抽濾–pH 計(jì)指示電位滴定法快速測(cè)定法［5］﹑振蕩交換—蒸餾滴定法［6］﹑乙酸銨交換–全自動(dòng)凱氏定氮法［7–8］等。其它方法還有用亞甲基藍(lán)法［9］﹑重鉻酸鉀–氯化鉀法［10］﹑氯化鋇交換–電感耦合等離子體發(fā)射光譜法［11–12］，國(guó)外還研究了可見–近紅外光譜–便攜式X 射線熒光和X 射線衍射技術(shù)預(yù)測(cè)土壤中陽(yáng)離子交換量［13–14］，但實(shí)驗(yàn)步驟普遍比較繁瑣，有的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備價(jià)格高。

三氯化六氨合鈷交換的方法改變了以往乙酸銨交換的原理，改用三氯化六氨合鈷作為浸提液浸提土壤，分光光度法進(jìn)行測(cè)定。相比乙酸銨交換法，樣品測(cè)定結(jié)果受浸提pH 環(huán)境影響［15］。但三氯化六氨合鈷浸提法過程更加簡(jiǎn)便快速，所用試劑單一，所用儀器也更加簡(jiǎn)單［16］。筆者對(duì)三氯化六氨合鈷測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量的方法和流程進(jìn)行了優(yōu)化，可以測(cè)定各類土壤陽(yáng)離子交換含量，實(shí)驗(yàn)方法更加快速﹑穩(wěn)定可靠。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

紫外可見分光光度計(jì)：721 型，上海菁華科技儀器有限公司。

酸度計(jì)：PHS–3CpH 型，長(zhǎng)沙市精科儀器設(shè)備有限公司。

臺(tái)式高速離心機(jī)：TG16–WS 型，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

雙層恒溫?fù)u床：ZWY–2102 型，常州金壇良友儀器有限公司。

電子天平：JA502 型，上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司。

三氯化六氨合鈷［Co(NH3)6］Cl3：優(yōu)級(jí)純，純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為99.0%，梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司。

NaOH：分析純，含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不小于96%，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號(hào)分別為GBW 07414a﹑GBW 07415a﹑GBW 07416a﹑GBW 07458，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研制。

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號(hào)分別為HTSB–1﹑HTSB–2﹑HTSB–5，國(guó)土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心。

三氯化六氨合鈷溶液：16.67 mmol/L，準(zhǔn)確稱取4.458 g 三氯化六氨合鈷溶于水中，定容至1 000 mL。

實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取3.5 g 土壤樣品于100 mL 離心管中，準(zhǔn)確稱取0.002 1～0.005 0 g NaOH 試劑加入到離心管中，加入50 mL 三氯化六氨合鈷溶液，蓋好蓋子，在室溫下進(jìn)行震蕩，適當(dāng)調(diào)節(jié)震蕩速度使土壤浸提液混合物在震蕩過程中處于懸浮狀態(tài)。震蕩后離心提取上清液于比色管中，如果懸浮液有雜質(zhì)，可以使用過濾的方法去除［17］。用10 mm 比色皿，在475 nm波長(zhǎng)處，以水做參比，用分光光度法測(cè)定吸光度，計(jì)算陽(yáng)離子交換量。若測(cè)定結(jié)果大于250 mmol/kg，則減少稱樣量重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)空白樣品用水代替土壤，稱取3.5 g 實(shí)驗(yàn)用水，按照與實(shí)驗(yàn)方法相同的步驟進(jìn)行空白試樣的制備。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理與結(jié)果計(jì)算

土壤膠體中可交換的陽(yáng)離子被一定濃度的三氯化六氨合鈷溶液交換下來(lái)，用分光光度計(jì)直接比色，測(cè)定浸提前后溶液中六氨基合鈷離子的濃度差值，從而可計(jì)算得出土壤有效態(tài)陽(yáng)離子交換含量。

交換過程可用下式表示：

Wdm——土壤樣品干物質(zhì)的含量，%；

3——［Co(NH3)6］3+的電荷數(shù)；

m2——稱取NaOH 樣品的質(zhì)量，g；

40——NaOH 的相對(duì)分子質(zhì)量；

b——標(biāo)準(zhǔn)工作曲線斜率。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH 的影響

2.1.1 pH 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

對(duì)6 種不同的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，若按照國(guó)標(biāo)方法，GBW 07416a ﹑ GBW 07415a ﹑GBW07458 測(cè)定結(jié)果偏低。這是因?yàn)橥寥纏H 值越低，土壤中鹽基離子的交換量就越低［18］。隨著pH值增大，土壤膠體中可變負(fù)電荷量增加，CEC（陽(yáng)離子交換量）測(cè)定頂結(jié)果增大。實(shí)驗(yàn)證明，浸提溶液的pH 對(duì)測(cè)定結(jié)果有影響，當(dāng)溶液呈中性和堿性時(shí)，測(cè)定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，當(dāng)溶液pH 值大于8時(shí)，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值誤差小。

表1 標(biāo)準(zhǔn)方法與改良后方法CEC 測(cè)定結(jié)果對(duì)比

2.1.2 土壤pH 值的確定

實(shí)驗(yàn)調(diào)取2020 年各地土壤pH 值結(jié)果，共8 126 個(gè)，其中pH 最小值為3.8。為了確定實(shí)驗(yàn)加入多少NaOH 可使酸性土壤變堿性，實(shí)驗(yàn)稱取3.5 g pH 3.8 的酸性土壤，加入50 mL 三氯化六氨合鈷溶液，每加入50 μL 1.8 mol/L 的NaOH 記錄pH 值，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 NaOH 加入量與pH 結(jié)果圖

由圖1可知，加入300 μL以上濃度為1.8 mol/L的NaOH 溶液pH 可達(dá)到9 以上，溶液呈堿性。因?yàn)榧尤隢aOH 新引入了Na+，300 μL 1.8 mol/L 的NaOH 為0.54 mmol，0.54 mmol 的NaOH 換算成NaOH 的質(zhì)量為0.002 1 g。因此，在稱量完樣品后加入超過0.002 1 g 的NaOH 即可保證溶液為堿性，但在計(jì)算最后結(jié)果時(shí)應(yīng)減去加入NaOH 所帶來(lái)的陽(yáng)離子量。

2.2 稱樣質(zhì)量的確定

表2 高含量樣品減少稱樣量后結(jié)果對(duì)比

2020 年各地土壤陽(yáng)離子交換量結(jié)果（共8 126個(gè)）均為乙酸銨法（LY/T 1243–1999 《森林土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定》）測(cè)定所得，8 126 個(gè)陽(yáng)離子交換量最高448 mmol/kg，最低43 mmol/kg。其中有99 個(gè)樣品結(jié)果超過250 mmol/kg，占總樣品數(shù)的1.22%，可見高含量結(jié)果并不常見。因此筆者采用三氯化六氨合鈷方法測(cè)定陽(yáng)離子交換量，當(dāng)取樣量為3.5 g，結(jié)果超過250 mmol/kg 時(shí)應(yīng)減少稱樣量進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

分別移取三氯化六氨合鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液0.00﹑1.00﹑3.00﹑5.00﹑7.00﹑9.00 mL 于6 只10 mL 比色管中，加水稀釋至標(biāo)線，配制成三氯化六氨合鈷濃度分別為0.000﹑1.66﹑4.98﹑8.30﹑11.6﹑14.9 mmol/L的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。在波長(zhǎng)475 nm 處，以水為參比，分別測(cè)定其吸光度，以三氯化六氨合鈷的濃度x（mmol/L）為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)吸光度Y為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算得線性方程為Y=0.586 7x+0.008 8，線性相關(guān)系數(shù)r=0.999 8，線性范圍為0～14.9 mmol/L。

2.4 方法檢出限

依據(jù)HJ 168—2020 《分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》，按照附錄A.1.2 分光光度法進(jìn)行方法檢出限的測(cè)定：檢出限MDL=0.01/b（b為回歸直線斜率），MDL=0.01/0.058 67=1.7 mmol/L，當(dāng)取樣量為3.5 g，浸提液為50 mL 時(shí)，該方法檢出限為8 mmol/kg，測(cè)定下限為32 mmol/kg。

2.5 精密度與準(zhǔn)確度試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取7 個(gè)不同地區(qū)pH 不同CEC 含量不同的陽(yáng)離子交換量土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.7%～4.9%（n=5），表明該方法精密度較高，滿足分析要求。該方法測(cè)定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)樣品不確定度范圍內(nèi)，說明該方法準(zhǔn)確度較高。

表3 準(zhǔn)確度與精密度試驗(yàn)結(jié)果

2.6 比對(duì)試驗(yàn)

2.6.1 測(cè)定結(jié)果對(duì)比

選取不同區(qū)域不同pH 值的土壤樣品，分別按本方法與乙酸銨法LY/T 1243–1999 《森林土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表4所示。由表4 可知，兩種方法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)偏差在0.7%～2.6%之間。對(duì)2 種方法的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，計(jì)算得t=0.067，查表得當(dāng)α=0.05 時(shí)，t0.05(10)=2.228，t＜t0.05(10)，表明兩種方法的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著性差異。

表4 比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

2.6.2 實(shí)驗(yàn)流程對(duì)比

筆者在操作步驟﹑所用試劑﹑安全性和時(shí)間效率4 個(gè)方面對(duì)三氯化六氨合鈷分光光度法與乙酸銨交換法進(jìn)行比較，三氯化六氨合鈷法與乙酸銨方法實(shí)驗(yàn)流程對(duì)比見表5。由表5 可知，三氯化六氨合鈷分光光度法實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單，操作者所用試劑單一，無(wú)刺激性氣味；而乙酸銨法所用乙酸銨氣味大，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員不太友好，且較多試劑的配制需要更多實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。其次，三氯化六氨合鈷所用方法安全性高，無(wú)安全隱患，實(shí)驗(yàn)效率更高。

表5 三氯化六氨合鈷法與乙酸銨方法實(shí)驗(yàn)流程對(duì)比表

3 結(jié)論

（1）確定了pH 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采用加入固體氫氧化鈉的方式調(diào)節(jié)浸提pH；對(duì)于陽(yáng)離子交換量高的樣品選擇減少稱樣量的方法進(jìn)行復(fù)查。

（2）三氯化六氨合鈷浸提–分光光度法相比乙酸銨方法在陽(yáng)離子交換量分析流程上更簡(jiǎn)便，效率更高，且精密度準(zhǔn)確度均滿足實(shí)驗(yàn)室陽(yáng)離子交換量檢測(cè)的要求。