快速檢測土壤陽離子交換量的方法優化

秦 琳，仲伶俐，羅 玲，周 虹，趙 珊，黃世群，楊定清

（四川省農業科學院分析測試中心，四川成都610066）

土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）是指帶負電荷的土壤膠體在靜電引力作用下能夠吸附溶液中各種陽離子（K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH4+，H+和Al3+等）的總量，以每千克土壤的厘摩爾數表示（cmol（+）/kg）[1-3]。土壤中陽離子交換量的測定是表征土壤性質的一項重要指標，不同土壤由于其黏土礦物和腐殖質的性質和數量不同，其陽離子交換量的差異很大。CEC 的大小可反映土壤的緩沖性能，在實際生產中，可用于評價土壤的保肥能力，是指導施肥時重要的參考依據[4-8]。因而，對土壤陽離子交換量的測定具有重大意義。

土壤陽離子交換量的測定結果受多種因素的影響，如交換劑的性質、pH、淋洗方式等，必須對操作技術嚴格掌控才能獲得真實可靠的結果。目前，常用的測定方法有乙酸銨交換法（適用于酸性和中性土壤）、氯化鋇- 硫酸鎂法（適用于高度風化酸性土壤）、氯化銨- 乙酸銨交換法（適用于石灰性土壤）、乙酸鈉- 火焰光度法（適用于石灰性土壤和鹽堿土）等。其中，乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法在我國土壤和農化實驗室采用較為廣泛[9-10]。其方法原理為用1 mol/L 乙酸銨溶液反復處理土壤，使土壤成為NH4+飽和土。用乙醇洗去多余的乙酸銨后，加固體氧化鎂蒸餾，用硼酸溶液吸收蒸餾出的氨，然后用鹽酸標準溶液滴定，根據NH4+的量計算陽離子交換量。對于石灰性土壤的檢測，土壤樣品先用1 mol/L 氯化銨溶液加熱處理，分解除去土壤中的碳酸鈣，然后用1 mol/L 乙酸銨交換法測定陽離子交換量。乙酸銨的緩沖容量較強且交換過程pH 恒定，不會破壞土壤吸收復合體，多余的乙酸銨易于被乙醇洗除，故飽和在土壤中的NH4+可直接蒸餾測定，此方法測定結果穩定，重現性好。但是，在進行大批量土樣檢測時，樣品要經乙酸銨和乙醇多次洗滌處理和離心分離，耗時太長且步驟繁瑣[11]；傳統的蒸餾裝置效率低，耗費人工[12-13]；人工滴定難以保證始終穩定達到滴定終點[14]。在實際操作時，以上因素都會增加人為誤差和系統誤差，影響測定結果的真實可靠性。

本研究在完成大批量土樣的陽離子交換量檢測后，對常規的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法進行改良探討，利用瓶口分液器、旋渦混合儀、凱氏定氮儀和自動電位滴定儀改善試驗條件，在遵循實驗原理的基礎上對樣品稱樣量、乙酸銨和乙醇的用量、洗滌離心次數、定氮儀的蒸餾時間和蒸汽量進行了改良探討，并以土壤有效態成分分析標準物質來驗證該方法的精密度和準確度，總結出一套準確度好、精密度和工作效率高，且實用性更佳的測定方法。

1 材料和方法

1.1 材料

所用土壤樣品由農業部食品質量監督檢驗測試中心（成都）提供。供試土壤有效態成分分析標準物質由國家標準物質研究中心研制，分別為黑龍江黑土（GBW07458）、新疆灰鈣土（GBW07459）和陜西黃綿土（GBE07460）。

1.2 試劑

1 mol/L 乙酸銨溶液（pH 值7.0）；95%乙醇溶液（工業用，必須無NH4+）；甲基紅- 溴甲酚綠混合指示劑；20 g/L 硼酸指示劑溶液；0.05 mol/L 鹽酸標準溶液；pH 值為10 的緩沖溶液；K-B 指示劑；固體氧化鎂；1 mol/L 氯化銨溶液。

1.3 儀器

電動離心機（型號為TG-1850，最高轉速為18 500 r/min）；旋渦混合儀（型號為WH-3）；凱氏自動定氮儀（型號為FOSS8200）；自動電位滴定儀（型號為877 Titrino plus）。

1.4 試驗設計

本研究采用12 個土壤樣品對常規的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法中試劑用量和定氮儀蒸餾參數進行改良探討，其中，酸性與中性土壤6 份，堿性土壤6 份；采用428 個酸性與中性土壤樣品和112 個堿性土壤樣品進行洗滌離心次數的改良；選擇1 個酸性和2 個石灰性土壤有效態成分分析標準物質進行CEC 測定，驗證改良后方法的精密度和準確度。

對乙酸銨交換法的改良，設計試劑用量為40，50 mL，蒸餾時間3.5，4 min 2 因素2 水平正交試驗；氯化銨- 乙酸銨交換法則設計蒸餾時間3.0，3.5 min單因素2 水平試驗，將乙酸銨和乙醇用量分別設定為40，50 mL，每個處理設3 個重復。

1.5 試驗方法

1.5.1 乙酸銨洗滌離心 酸性與中性土樣稱取通過1 mm 篩孔的風干樣2.0 g，放入100 mL 離心管中，用瓶口分液器沿離心管壁加入20 mL 1 mol/L 乙酸銨溶液，擰緊蓋子，置于旋渦混合儀上混合15 s，使其成為均勻的泥漿狀態。再加20 mL 1 mol/L 乙酸銨溶液至總體積40 mL，混合15 s。

堿性土樣稱取通過2 mm 篩孔的風干土樣2.5 g，放入200 mL 燒杯中，加入1 mol/L 氯化銨溶液約25 mL，蓋上表面皿，放在電爐上低溫煮沸，大約需20 min 便無氨味。燒杯內的土樣用1 mol/L 氯化銨溶液洗入100 mL 離心管中，平衡好離心管，離心4 min，轉速4 000 r/min，棄去離心管中的清液。以下操作同酸性與中性土壤。

將離心管對稱地放入離心機中，離心4 min，轉速4 000 r/min，如此用1 mol/L 乙酸銨溶液處理3～5 次，直到最后浸出液中無鈣離子反應為止（取最后一次離心后上清液5 mL，加1 mL pH 值為10 的緩沖液，少許K-B 指示劑，若檢出液無紫紅色，表示鈣離子已除盡）。

1.5.2 乙醇洗滌離心 用瓶口分液器向載土的離心管中加入20 mL 95%乙醇，擰緊蓋子，置于旋渦混合儀上混合15 s，再加20 mL 至總體積40 mL 后，混合15 s。將離心管對稱放入離心機中，離心4 min，轉速4 000 r/min，棄去乙醇溶液。如此反復用乙醇洗3～4 次，直至最后一次乙醇溶液中無銨離子為止（取最后一次離心后上清液5 mL，加2 滴甲基紅- 溴甲酚綠混合指示劑，若檢出液無綠色，表明銨離子已除盡）。

1.5.3 蒸餾滴定 用水將全部土樣轉入蒸餾管內，洗入水的體積應控制在50～80 mL，蒸餾前加1 g氧化鎂，設置硼酸吸收液為30 mL，立即把蒸餾管裝在凱氏自動定氮儀上蒸餾。待蒸餾結束后，取下燒杯，放在自動電位滴定儀上，用鹽酸標準溶液滴定，記錄滴定體積數，同時做空白試驗。

式中，CEC 為陽離子交換量（cmol（+）/kg）；c 為鹽酸標準溶液的濃度（mol/L）；V 為鹽酸標準溶液的用量（mL）；V0為空白試驗鹽酸標準溶液的用量（mL）；m1為風干土樣質量（g）；k2為將風干土換算成烘干土的水分換算系數；10 為將mmol 換算成cmol 的倍數。

2 結果與分析

2.1 試劑用量分析

按試驗方法，隨機選取6 份酸性與中性土壤和6 份堿性土壤進行了乙酸銨和乙醇用量對比，檢測結果列于表1 和表2。用乙酸銨交換法測定的6 份酸性與中性土壤樣品，在控制蒸餾時間和蒸汽量不變的情況下，乙酸銨和乙醇用量都設定為40 mL 或50 mL 時，對測定結果的影響差異不顯著，表明試劑量40 mL 時已達到實際要求；用氯化銨- 乙酸銨交換法測定6 個堿性土壤樣品，將乙酸銨和乙醇用量分別設定為40，50 mL，蒸汽量為100%，蒸餾時間設定為3 min 或3.5 min 時，對測定結果的影響差異不顯著。因而，從節約試劑成本、降低廢液排放污染的角度出發，將乙酸銨交換法的試劑用量設定為40 mL，氯化銨- 乙酸銨交換法的乙酸銨和乙醇用量分別定為40，50 mL 是完全合理的，且使用瓶口分液器，可嚴格控制加入試劑含量，免去離心前粗天平配平這一步驟。在蒸餾前，向蒸餾管中加固體氧化鎂后，立即將蒸餾管連接在蒸餾儀上，這樣可省去加2 mL 液體石蠟這一步驟，節約了試劑成本，減少了工作時間，有效減少石蠟對蒸餾儀流路和自動電位滴定儀電極的污染。

表1 乙酸銨法試劑用量和定氮儀設置參數的確定 cmol（+）/kg

表2 氯化銨-乙酸銨法試劑用量和定氮儀設置參數的確定 cmol（+）/kg

2.2 定氮儀蒸餾參數分析

按試驗方法，選擇不同蒸餾時間和蒸汽量組合，對隨機選取的6 份酸性與中性土壤和6 份堿性土壤樣品CEC 含量進行了測定，結果列于表1 和表2。由表1 可看出，用乙酸銨交換法測定的6 份酸性與中性土壤樣品，在確定試劑用量都為40 mL時，蒸汽量保持100%，CEC 的測定值隨蒸餾時間增加而增加，即蒸餾時間設定為4 min，較蒸餾時間為3.5 min 時CEC 的測定值高，這表明在保證土壤中陽離子被銨離子完全置換，并除去Ca2+和多余的銨離子后，蒸餾時間定為4 min 時，土壤中交換的銨離子才能被更大程度的蒸餾出來，被硼酸充分的吸收，測定出較準確的結果。由表2 可知，用氯化銨-乙酸銨交換法測定的6 個堿性土壤樣品，在將乙酸銨和乙醇用量分別定為40，50 mL，蒸汽量保持100%時，蒸餾時間為3 min或3.5 min，其CEC 測定值差異不顯著，為節約工作時間，可將蒸餾時間縮短為3 min。因此，蒸汽量定為100%，將乙酸銨交換法蒸餾時間定為4 min，將氯化銨- 乙酸銨交換法蒸餾時間定為3 min，能得到較為理想的測定結果。

2.3 洗滌離心次數分析

表3 乙酸銨和乙醇洗滌離心次數的確定

按試驗方法，對以往檢測的428 個酸性與中性土壤樣品和112 個堿性土壤樣品在洗滌離心后，上清液中殘留離子及檢出情況進行統計的結果如表3所示。由表3 可知，用乙酸銨交換法測定的428 個酸性與中性土壤樣品，乙酸銨洗滌離心3 次后，上清液未檢出Ca2+，表示Ca2+已被完全除盡，土壤已被銨離子飽和；乙醇洗滌離心3 次后，上清液銨離子的未檢出率達98.6%，在進行大批量樣品檢測時，可認為銨離子已被除盡，因為增加乙醇的洗滌次數或洗滌離心次數，都會促使乙醇對土壤的分散，使得離心后上清液變渾濁，造成土壤樣品損失，導致最終測定結果偏低。用氯化銨- 乙酸銨交換法測定的112 個堿性土壤樣品，乙酸銨洗滌離心3 次后，上清液中Ca2+的未檢出率僅為59.8%，這是由于石灰性土壤被氯化銨加熱處理后，分解的碳酸鈣導致土壤中Ca2+含量增加，因而，增加洗滌次數為5 次后，上清液中Ca2+才被除盡；相比酸性與中性土壤，堿性土壤在處理時，由于氯化銨的加熱處理和乙酸銨的洗滌次數增加，都使得土壤中銨離子含量較高，用乙醇洗滌離心4 次后，銨離子的未檢出率可達97.3%。因而，在對大批樣進行CEC 測定時，統一規定酸性與中性土壤樣品乙酸銨和乙醇分別洗滌3 次，堿性土壤乙酸銨洗滌3 次后檢查Ca2+，若檢出，可增加乙酸銨洗滌至5 次，乙醇洗滌4 次。在實際檢測堿性土壤CEC 時，乙酸銨洗3 次后，檢查Ca2+，使用瓶口分液器加試劑，沒有耗費太多時間，比起將洗滌次數統一規定為5 次，這樣做不僅可減少工作時間，提高工作效率，而且也降低了試劑用量。

2.4 方法準確度和精密度驗證

按改良后的試驗方法，選擇1 個酸性和2 個石灰性土壤有效態成分分析標準物質進行CEC 測定，分別為黑龍江黑土（GBW07458，準確值及不確定度（30±1）cmol（+）/kg）、新疆灰鈣土（GBW07459，準確值及不確定度（13.8±0.7）cmol（+）/kg）和陜西黃綿土（GBW07460，準確值及不確定度（9.6±1.3）cmol（+）/kg），同時進行空白試驗，每個樣品做4 個平行試驗，測定結果列于表4。

表4 方法準確度和精密度驗證

從表4 可以看出，對常規的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法進行改良后，通過自動定氮儀和自動電位滴定儀測定的4 組標準物質CEC 值與標準值高度一致，且精密度高，完全符合要求。

3 討論

本研究對常規的乙酸銨交換法和氯化銨- 乙酸銨交換法進行了改良探討，具體就其在樣品稱樣量、乙酸銨和乙醇的合理用量、洗滌離心次數、定氮儀的蒸餾時間和蒸汽量方面進行了優化，并利用瓶口分液器、旋渦混合儀、凱氏定氮儀和自動電位滴定儀改善試驗條件，總結出了一套工作效率高且實用性更佳的快速測定方法。經土壤標準物質驗證，此方法的精密度和準確度均符合要求。在進行大批量土壤樣品CEC 檢測作業時，此方法更具優勢。對比傳統的方法，乙酸銨和乙醇的用量減少了1/6 ～1/3，不加石蠟，洗滌次數也適當減少，有效降低了樣品檢測時間和試劑成本；半自動凱氏定氮儀配合自動電位滴定儀、旋渦混合儀，大幅度減少了蒸餾和滴定所耗費的時間、人力，且有利于在一定程度上排除偶然誤差和繁瑣步驟下積累的系統誤差。因而，對于樣品數量大、效率需求高的土壤檢測，如大范圍的土壤樣品調查、土壤環境質量評估等土壤分析工作，此方法完全能滿足要求，具有較高的實用性。此外，本研究中優化的方法適用于酸性與中性土壤和石灰性土壤，實用范圍更廣。