乙二胺四乙酸-乙酸銨鹽交換法測(cè)定陽離子交換量方法優(yōu)化

王卓，郭全恩，曹詩瑜，展宗冰

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070）

土壤吸附陽離子的能力用吸附的陽離子總量表示，稱為陽離子交換量，其數(shù)值以每千克土壤中含有各種陽離子的物質(zhì)的量來表示，即mmol/kg。陽離子交換量是土壤緩沖性能的重要指標(biāo)，可作為改良土壤和指導(dǎo)施肥的重要參考依據(jù)。陽離子交換量測(cè)定值的高低，直接體現(xiàn)了土壤保肥能力，該測(cè)定值越大，則土壤保肥力越強(qiáng)[1-2]，因而，土壤陽離子交換量測(cè)定具有重大意義。

土壤陽離子交換量測(cè)定的分析方法目前有乙酸鈉-火焰光度法[1]、乙二胺四乙酸(EDTA)-乙酸銨交換法[3]、氯化銨-乙酸銨交換法(LY/T 1243—1999《森林土壤陽離子交換量的測(cè)定》)、乙酸鈣交換法(NY/T 1121.5—2006《土壤檢測(cè) 第5 部分：石灰性土壤陽離子交換量的測(cè)定》)、凱氏定氮法[4-6]、乙酸銨交換法(NY/T 295—1995《中性土壤陽離子交換量和交換性鹽基的測(cè)定》)[7-9]、三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法(HJ 889—2017 《土壤陽離子交換量的測(cè)定三氯化六氨合鈷浸提—分光光度法》)[10-12]、旋轉(zhuǎn)混合-氣相分子吸收光譜法[13]、超聲浸提-分光光度法[14]、振蕩抽濾-pH 計(jì)指示電位滴定法[15]等。其中EDTA-乙酸銨交換法在我國農(nóng)化實(shí)驗(yàn)室中石灰性土壤的測(cè)定中應(yīng)用比較廣泛，其測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、重現(xiàn)性好。但是該方法中的離子交換和清洗過程需要更換交換液且用橡皮頭玻璃棒攪拌樣品，攪拌過程中土壤樣品容易進(jìn)入橡皮頭縫隙，造成土壤樣品損失，離子交換耗時(shí)長(zhǎng)，蒸餾時(shí)間過長(zhǎng)。筆者對(duì)EDTA-乙酸銨交換法進(jìn)行優(yōu)化，通過改變攪拌方式、確定攪拌時(shí)間和蒸餾時(shí)間以提高交換速度，優(yōu)化后方法具有良好的準(zhǔn)確度、精密度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

EDTA-乙酸銨鹽交換法測(cè)定石灰性土壤陽離子交換量是用pH 值為8.5 的0.005 mol/L EDTA 與1 mol/L乙酸銨的混合液作為交換提取劑，與土壤吸收性復(fù)合體的Ca2+、Mg2+、Al3+等交換，形成高穩(wěn)定性的絡(luò)合物，用NH4+交換H+、K+、Na+形成銨質(zhì)土。用95%乙醇洗去過剩銨鹽，用蒸餾法蒸餾，用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定氨量，即可計(jì)算出土壤陽離子交換量。

1.2 主要儀器和試劑

電動(dòng)離心機(jī)：TDZ-WS 型，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

磁力攪拌器：85-2型，數(shù)顯控溫磁力攪拌器，常州市金壇大地自動(dòng)化儀器廠。

定氮儀：KDY-9820型，北京市通潤源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司。

EDTA：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

乙酸銨：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于98.0%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

乙醇：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于95%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

硼酸：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

氧化鎂：分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于98.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

鹽酸：分析純，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為36%～38%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

酸性鉻藍(lán)K、萘酚綠B、氯化鈉、溴甲酚綠、甲基紅、碘化鉀、氯化汞：分析純，國藥集團(tuán)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)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)分別為GBW 07493 (HTSB-1)、GBW 07498 (HTSB-6 )，陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所有限公司。

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)分別為GBW 07ASA-17、GBW 07ASA-20，津標(biāo)(天津)計(jì)量檢測(cè)有限公司。

EDTA-乙酸銨混合液：稱取77.09 g EDTA，1.461 g 乙酸銨，用水溶解至900 mL，以體積比為1∶1的氨水和稀乙酸調(diào)節(jié)pH至8.5，轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中，定容。

硼酸溶液：20 g/L，稱取20.00 g硼酸，溶于近1 L水中，用稀鹽酸和稀氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至4.5，轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中定容。

氧化鎂：使用前在高溫電爐中經(jīng)600 ℃灼燒0.5 h。

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.05 mol/L，吸取4.17 mL 濃鹽酸，稀釋至1 L，用無水碳酸鈉進(jìn)行標(biāo)定。

鈣鎂指示劑：稱取0.5 g 酸性鉻藍(lán)K、0.1 g 萘酚綠B，加入100 g 氯化鈉，在瑪瑙研缽中充分研磨混勻。

甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑：稱取0.5 g 溴甲酚綠和0.1 g甲基紅在瑪瑙研缽中，加入少量95%乙醇，研磨指示劑溶解，加95%乙醇至100 mL。

納氏試劑：稱取10 g 碘化鉀溶于5 mL 水中，稱取3.5 g氯化汞加熱溶于20 mL水中，將氯化汞倒入碘化鉀中直至出現(xiàn)為紅色沉淀，加70 mL 氫氧化鉀溶液(300 g/L)，攪拌均勻，再滴加氯化汞至出現(xiàn)紅色沉淀為止，靜置8小時(shí)，傾出清液。

實(shí)驗(yàn)用水為GB/T 6682中規(guī)定的二級(jí)水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 EDTA-乙酸銨混合液交換

稱取過2 mm孔徑篩的土壤風(fēng)干樣品2.00 g，放入100 mL離心管中，在離心管中加入轉(zhuǎn)子，加入80 mL EDTA-乙酸銨混合液，在托盤天平上用EDTA-乙酸銨混合液平衡兩側(cè)離心管，將離心管放置在磁力攪拌器上將轉(zhuǎn)速調(diào)至2 000 r/min，可以看到液面中心有大漩渦形成，攪拌1～3 min后取下離心管放入離心機(jī)中，以3 500 r/min 離心4 min，棄去離心管中清液，如此反復(fù)3～4次(個(gè)別樣品需離心4次)，取最后一次離心清液20 mL，加入3.5 mL緩沖溶液，加入少許鈣鎂混合指示劑測(cè)試是否還有Ca2+存在(液體呈藍(lán)色則無Ca2+，液體呈紫紅色則有Ca2+存在)，如清液呈紫紅色需增加交換次數(shù)。

1.3.2 95%乙醇交換

在已洗滌干凈Ca2+的離心管中加入60 mL 95%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的乙醇溶液，于托盤天平上用95%乙醇溶液平衡兩側(cè)離心管，將離心管放置在磁力攪拌器上，將轉(zhuǎn)速調(diào)至2 000 r/min，可以看到液面中心有大漩渦形成，攪拌1～3 min 后取下放入離心機(jī)中，第1 次以3 500 r/min 離心4 min，棄去離心管中清液，第2 次將離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至4 000 r/min 離心6 min，第3 次將離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至4 500 r/min 離心10 min，3 次后用納氏試劑檢測(cè)NH4+，一般3 次即可洗凈NH4+，個(gè)別樣品出現(xiàn)渾濁可增加離心機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使其澄清。

1.3.3 蒸餾滴定

在離心管中加入少量水，在磁力攪拌器上分散土樣，取出轉(zhuǎn)子，用水沖洗干凈轉(zhuǎn)子，清洗液收入離心管中，將離心管中溶液轉(zhuǎn)入消化管，體積控制在60 mL 左右，蒸餾前向消化管內(nèi)加入1 g 氧化鎂，立即將消化管置于定氮儀上。向盛有25 mL 20 g/L硼酸吸收液的三角瓶?jī)?nèi)加入2 滴甲基紅-溴甲酚綠指示劑，將三角瓶置于冷凝管的承接管下，管口插入硼酸溶液中，開始蒸餾。蒸餾約8 min后，檢查蒸餾是否完全。取下三角瓶用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，記錄滴定體積數(shù)，并做空白試驗(yàn)。

1.3.4 結(jié)果計(jì)算

土壤樣品中的陽離子與EDTA-乙酸銨混合液中的銨離子交換，用95%的乙醇溶液洗去過剩銨鹽，蒸餾后，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定氨量，按照式(1)計(jì)算陽離子交換量：

式中：CEC——土壤陽離子交換量，mmol/kg；

c——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；

V——滴定樣品待測(cè)液所耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液量，mL；

V0——空白滴定耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液量，mL；

m——風(fēng)干試樣質(zhì)量，g；

1 000——換算成每千克中的陽離子交換量。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌時(shí)間選擇

樣品置于磁力攪拌器上，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，可在100 mL離心管中形成大漩渦，同一樣品攪拌時(shí)間分別選擇為30、60、90、120、150、180 s，測(cè)定樣品陽離子交換量，以選擇最佳攪拌時(shí)間。

表1為不同攪拌時(shí)間對(duì)應(yīng)樣品陽離子交換量測(cè)定值。由表1可見，攪拌時(shí)間90 s時(shí)，所得檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所給標(biāo)準(zhǔn)值吻合，表明90 s 可使土壤中陽離子交換完全，形成穩(wěn)定絡(luò)合物，故選擇90 s作為EDTA-乙酸銨鹽交換土壤中陽離子的交換時(shí)間。

2.2 蒸餾時(shí)間選擇

選取2個(gè)不同地區(qū)陽離子交換量不同的土壤標(biāo)準(zhǔn) 物 質(zhì)GBW 07ASA-20 (黃 綿 土)、GBW 07493(HTSB-1)(樓土)測(cè)定不同蒸餾時(shí)間的陽離子交換量，通過所測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)果，確定最優(yōu)蒸餾時(shí)間。由表2可知，當(dāng)蒸餾時(shí)間超過5 min時(shí)樣品中的NH4+基本被完全蒸餾出來并被硼酸吸收，因此可將蒸餾時(shí)間設(shè)置為6 min，當(dāng)蒸餾時(shí)間為6 min 時(shí)所得數(shù)據(jù)與清洗后做空白所得數(shù)據(jù)相符，因此確定蒸餾時(shí)間為6 min，可以不用清洗直接做下一個(gè)樣品。

表2 不同蒸餾時(shí)間對(duì)應(yīng)樣品陽離子交換量測(cè)定值Tab.2 Determination value of cation exchange capacity of the sample under different distillation time mmol/kg

2.3 方法準(zhǔn)確度和精密度

選擇4個(gè)不同地區(qū)陽離子交換量不同的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)按改變攪拌方式、攪拌時(shí)間90 s、蒸餾時(shí)間6 min的優(yōu)化后方法分別測(cè)定7次，同時(shí)做空白試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，優(yōu)化后方法測(cè)定土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07ASA-20 (黃綿土)，GBW 07ASA-17 (栗鈣土)，GBW 07493 (HTSB-1)(樓土)，GBW 07498(HTSB-6)(棕漠土)，所得結(jié)果平均值分別為98、109、131、57 mmol/kg，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.53%、1.39%、3.22%、5.32%?？梢?，優(yōu)化后的方法滿足分析要求，測(cè)定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度范圍內(nèi)，說明該方法具有較好的準(zhǔn)確度和精密度，適用于石灰性土壤的測(cè)定。

表3 方法準(zhǔn)確度和精密度Tab.3 Accuracy and precision of the method

2.4 實(shí)際樣品數(shù)據(jù)比對(duì)試驗(yàn)

用優(yōu)化后的檢測(cè)方法和未優(yōu)化檢測(cè)方法對(duì)28份實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見圖1。優(yōu)化前方法測(cè)定值為11～110 mmol/kg，平均值為60 mmol/kg；優(yōu)化后方法測(cè)定值為11～109 mmol/kg，平均值為59 mmol/kg。

圖1 方法優(yōu)化前、后測(cè)定陽離子交換量數(shù)據(jù)比較Fig.1 Comparison of cationic exchange capacity data before and after method optimization

采用Excel軟件中分析工具庫t檢驗(yàn)，進(jìn)行成對(duì)二樣本均值分析(見表4)，優(yōu)化前、后測(cè)定的土壤陽離子交換量均值分別為60、59 mmol/kg，t檢驗(yàn)的雙尾P值為0.07 (P＞0.05)，兩種方法的測(cè)定結(jié)果無顯著性差異。

表4 優(yōu)化前、后測(cè)定的土壤陽離子交換量測(cè)定值及t檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

將優(yōu)化前、后28個(gè)土壤樣品陽離子交換量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析（見圖2），優(yōu)化前、后土壤樣品陽離子交換量測(cè)定結(jié)果線性相關(guān)顯著，r=0.998 (n=28，P＜0.01)，Y=0.992 1X+0.003 8。

圖2 優(yōu)化前、后測(cè)定土壤陽離子交換量結(jié)果相關(guān)性分析Fig.2 Correlation lines between the results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

2.5 優(yōu)化前后檢測(cè)時(shí)間比較

對(duì)EDTA-乙酸銨鹽交換法測(cè)定石灰性土壤陽離子交換量方法優(yōu)化前后測(cè)定8份土壤樣品用時(shí)進(jìn)行比較，見表5。

表5 方法優(yōu)化前后用時(shí)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 time spent before and after method optimization

由表5 可見，優(yōu)化后土壤陽離子交換量檢測(cè)時(shí)間130 min 比優(yōu)化前檢測(cè)時(shí)間280 min 縮短超過一半，勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低，工作效率顯著提高。

3 結(jié)語

通過改變離子交換時(shí)的攪拌方式，減少離子交換不完全情況和攪拌時(shí)樣品損耗；選擇最優(yōu)攪拌時(shí)間提升離子交換效率，減少離子交換次數(shù)；選擇合適的定氮儀蒸餾時(shí)間，減少樣品蒸餾不完全和定氮儀管道中NH4+殘存的可能。用優(yōu)化后方法測(cè)定土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)陽離子交換量，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.53%～5.32%，方法優(yōu)化后準(zhǔn)確度和精密度均符合檢測(cè)要求。通過實(shí)際樣品比對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的比較，t檢驗(yàn)的雙尾P值為0.07 (P＞0.05)，方法優(yōu)化前、后測(cè)定結(jié)果無顯著差異；線性關(guān)系Y=0.992 1X+0.003 8，相關(guān)系數(shù)r=0.998 (n=28，P＜0.01)，方法優(yōu)化前、后土壤樣品陽離子交換量測(cè)定結(jié)果線性相關(guān)顯著。優(yōu)化后的方法檢測(cè)時(shí)間從280 min 縮短到130 min，較之前縮短超過一半。方法優(yōu)化后降低了檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了土壤陽離子交換量檢測(cè)效率，適用于批量石灰性土壤陽離子交換量的測(cè)定。