乙二胺四乙酸-乙酸銨鹽交換法測定陽離子交換量方法優化

王卓，郭全恩，曹詩瑜，展宗冰

（1.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，蘭州 730070； 2.甘肅省農業科學院，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，其數值以每千克土壤中含有各種陽離子的物質的量來表示，即mmol/kg。陽離子交換量是土壤緩沖性能的重要指標，可作為改良土壤和指導施肥的重要參考依據。陽離子交換量測定值的高低，直接體現了土壤保肥能力，該測定值越大，則土壤保肥力越強[1-2]，因而，土壤陽離子交換量測定具有重大意義。

土壤陽離子交換量測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定》)、乙酸鈣交換法(NY/T 1121.5—2006《土壤檢測 第5 部分：石灰性土壤陽離子交換量的測定》)、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定三氯化六氨合鈷浸提—分光光度法》)[10-12]、旋轉混合-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 計指示電位滴定法[15]等。其中EDTA-乙酸銨交換法在我國農化實驗室中石灰性土壤的測定中應用比較廣泛，其測定結果準確、重現性好。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入橡皮頭縫隙，造成土壤樣品損失，離子交換耗時長，蒸餾時間過長。筆者對EDTA-乙酸銨交換法進行優化，通過改變攪拌方式、確定攪拌時間和蒸餾時間以提高交換速度，優化后方法具有良好的準確度、精密度。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

EDTA-乙酸銨鹽交換法測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，與土壤吸收性復合體的Ca2+、Mg2+、Al3+等交換，形成高穩定性的絡合物，用NH4+交換H+、K+、Na+形成銨質土。用95%乙醇洗去過剩銨鹽，用蒸餾法蒸餾，用標準酸溶液滴定氨量，即可計算出土壤陽離子交換量。

1.2 主要儀器和試劑

電動離心機：TDZ-WS 型，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

磁力攪拌器：85-2型，數顯控溫磁力攪拌器，常州市金壇大地自動化儀器廠。

定氮儀：KDY-9820型，北京市通潤源機電技術有限責任公司。

EDTA：分析純，含量(質量分數)不小于99.5%，國藥集團化學試劑有限公司。

乙酸銨：分析純，含量(質量分數)不小于98.0%，國藥集團化學試劑有限公司。

乙醇：分析純，含量(質量分數)不小于95%，國藥集團化學試劑有限公司。

硼酸：分析純，含量(質量分數)不小于99.5%，國藥集團化學試劑有限公司。

氧化鎂：分析純，含量(質量分數)不小于98.5%，國藥集團化學試劑有限公司。

鹽酸：分析純，純度(質量分數)為36%～38%，國藥集團化學試劑有限公司。

酸性鉻藍K、萘酚綠B、氯化鈉、溴甲酚綠、甲基紅、碘化鉀、氯化汞：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

土壤有效態成分分析標準物質：標準物質編號分別為GBW 07493 (HTSB-1)、GBW 07498 (HTSB-6 )，陜西省地質礦產實驗研究所有限公司。

土壤有效態成分分析標準物質：標準物質編號分別為GBW 07ASA-17、GBW 07ASA-20，津標(天津)計量檢測有限公司。

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的氨水和稀乙酸調節pH至8.5，轉移至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節pH至4.5，轉移至1 000 mL容量瓶中定容。

氧化鎂：使用前在高溫電爐中經600 ℃灼燒0.5 h。

鹽酸標準溶液：0.05 mol/L，吸取4.17 mL 濃鹽酸，稀釋至1 L，用無水碳酸鈉進行標定。

鈣鎂指示劑：稱取0.5 g 酸性鉻藍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紅色沉淀為止，靜置8小時，傾出清液。

實驗用水為GB/T 6682中規定的二級水。

1.3 實驗步驟

1.3.1 EDTA-乙酸銨混合液交換

稱取過2 mm孔徑篩的土壤風干樣品2.00 g，放入100 mL離心管中，在離心管中加入轉子，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離心管，將離心管放置在磁力攪拌器上將轉速調至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中，以3 500 r/min 離心4 min，棄去離心管中清液，如此反復3～4次(個別樣品需離心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試是否還有Ca2+存在(液體呈藍色則無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。

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%(體積分數，下同)的乙醇溶液，于托盤天平上用95%乙醇溶液平衡兩側離心管，將離心管放置在磁力攪拌器上，將轉速調至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 次將離心機轉速調至4 000 r/min 離心6 min，第3 次將離心機轉速調至4 500 r/min 離心10 min，3 次后用納氏試劑檢測NH4+，一般3 次即可洗凈NH4+，個別樣品出現渾濁可增加離心機轉速和時間，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，取出轉子，用水沖洗干凈轉子，清洗液收入離心管中，將離心管中溶液轉入消化管，體積控制在60 mL 左右，蒸餾前向消化管內加入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內加入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準溶液滴定，記錄滴定體積數，并做空白試驗。

1.3.4 結果計算

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，用鹽酸標準溶液滴定氨量，按照式(1)計算陽離子交換量：

式中：CEC——土壤陽離子交換量，mmol/kg；

c——鹽酸標準溶液濃度，mol/L；

V——滴定樣品待測液所耗鹽酸標準溶液量，mL；

V0——空白滴定耗鹽酸標準溶液量，mL；

m——風干試樣質量，g；

1 000——換算成每千克中的陽離子交換量。

2 結果與討論

2.1 攪拌時間選擇

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

表1為不同攪拌時間對應樣品陽離子交換量測定值。由表1可見，攪拌時間90 s時，所得檢測數據與標準物質所給標準值吻合，表明90 s 可使土壤中陽離子交換完全，形成穩定絡合物，故選擇90 s作為EDTA-乙酸銨鹽交換土壤中陽離子的交換時間。

2.2 蒸餾時間選擇

選取2個不同地區陽離子交換量不同的土壤標準 物 質GBW 07ASA-20 (黃 綿 土)、GBW 07493(HTSB-1)(樓土)測定不同蒸餾時間的陽離子交換量，通過所測得標準物質結果，確定最優蒸餾時間。由表2可知，當蒸餾時間超過5 min時樣品中的NH4+基本被完全蒸餾出來并被硼酸吸收，因此可將蒸餾時間設置為6 min，當蒸餾時間為6 min 時所得數據與清洗后做空白所得數據相符，因此確定蒸餾時間為6 min，可以不用清洗直接做下一個樣品。

表2 不同蒸餾時間對應樣品陽離子交換量測定值Tab.2 Determination value of cation exchange capacity of the sample under different distillation time mmol/kg

2.3 方法準確度和精密度

選擇4個不同地區陽離子交換量不同的土壤標準物質按改變攪拌方式、攪拌時間90 s、蒸餾時間6 min的優化后方法分別測定7次，同時做空白試驗結果見表3。由表3可知，優化后方法測定土壤標準物質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)，所得結果平均值分別為98、109、131、57 mmol/kg，其相對標準偏差分別為1.53%、1.39%、3.22%、5.32%?？梢?，優化后的方法滿足分析要求，測定結果均在標準物質不確定度范圍內，說明該方法具有較好的準確度和精密度，適用于石灰性土壤的測定。

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

2.4 實際樣品數據比對試驗

用優化后的檢測方法和未優化檢測方法對28份實際樣品進行檢測，結果見圖1。優化前方法測定值為11～110 mmol/kg，平均值為60 mmol/kg；優化后方法測定值為11～109 mmol/kg，平均值為59 mmol/kg。

圖1 方法優化前、后測定陽離子交換量數據比較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，進行成對二樣本均值分析(見表4)，優化前、后測定的土壤陽離子交換量均值分別為60、59 mmol/kg，t檢驗的雙尾P值為0.07 (P＞0.05)，兩種方法的測定結果無顯著性差異。

表4 優化前、后測定的土壤陽離子交換量測定值及t檢驗結果Tab.4 Test results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

將優化前、后28個土壤樣品陽離子交換量測定結果進行相關性分析（見圖2），優化前、后土壤樣品陽離子交換量測定結果線性相關顯著，r=0.998 (n=28，P＜0.01)，Y=0.992 1X+0.003 8。

圖2 優化前、后測定土壤陽離子交換量結果相關性分析Fig.2 Correlation lines between the results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

2.5 優化前后檢測時間比較

對EDTA-乙酸銨鹽交換法測定石灰性土壤陽離子交換量方法優化前后測定8份土壤樣品用時進行比較，見表5。

表5 方法優化前后用時統計表Tab.5 time spent before and after method optimization

由表5 可見，優化后土壤陽離子交換量檢測時間130 min 比優化前檢測時間280 min 縮短超過一半，勞動強度顯著降低，工作效率顯著提高。

3 結語

通過改變離子交換時的攪拌方式，減少離子交換不完全情況和攪拌時樣品損耗；選擇最優攪拌時間提升離子交換效率，減少離子交換次數；選擇合適的定氮儀蒸餾時間，減少樣品蒸餾不完全和定氮儀管道中NH4+殘存的可能。用優化后方法測定土壤標準物質陽離子交換量，相對標準偏差為1.53%～5.32%，方法優化后準確度和精密度均符合檢測要求。通過實際樣品比對實驗測定結果的比較，t檢驗的雙尾P值為0.07 (P＞0.05)，方法優化前、后測定結果無顯著差異；線性關系Y=0.992 1X+0.003 8，相關系數r=0.998 (n=28，P＜0.01)，方法優化前、后土壤樣品陽離子交換量測定結果線性相關顯著。優化后的方法檢測時間從280 min 縮短到130 min，較之前縮短超過一半。方法優化后降低了檢測的勞動強度，提升了土壤陽離子交換量檢測效率，適用于批量石灰性土壤陽離子交換量的測定。