分光光度法測定土壤陽離子交換量的方法優化

王麗敏,吳慧，申立，尚余風，王炳航

(1.山東省威海生態環境監測中心，山東 威海 264200；2.威海市生態環境事務服務中心，山東 威海264200；3.濰坊學院，化學與化工學院，山東 濰坊 261000；4.威海市生態環境監控中心，山東 威海 264200)

土壤陽離子交換量(CEC)是指土壤膠體所吸附的各種陽離子的總量，是影響土壤緩沖能力高低、評價土壤保肥能力的重要指標[1-2]，是改良土壤和合理施肥的重要依據[3-6]。因此尋找一種快速高效測定土壤CEC的方法具有重要意義[7]。土壤CEC的測定方法包括乙酸銨交換法、乙酸銨-氯化銨交換法、氯化鋇-硫酸快速測定法等[7-8]，以上方法均有操作復雜、費力耗時等問題[9-10]。經比較分析，《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》(HJ 889—2017)具有操作簡單、分析效率高等優點。但分析組分較復雜的酸性土壤樣品時，會出現測試結果偏低，樣品振蕩離心后浸提液中存在細小顆粒物雜質而導致吸光值不穩定，樣品吸光值比空白吸光值高等現象。楊黎[11]提出了利用超聲浸提代替振蕩浸提的方式，縮短了前處理時間，提高了分析效率。張艷麗[12]優化了浸提量，調節土壤的pH值，解決了酸性土壤測試值偏低的問題?，F更加全面地探究了有機質、pH值、浸提時間、離心時間、浸提液過濾等對土壤CEC測試結果的影響，并優化了實驗條件，進一步提高了《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臺式離心機(常州市金壇高科儀器廠)；UV-2700紫外可見分光光度計(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)；聚丙烯針頭過濾器(天津津騰有限公司)。

試劑：三氯化六氨合鈷{[Co(NH3)6]Cl3，優級純，北京百靈威科技有限公司}；土壤有效態成分分析標準物質[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(電導率<0.5 μS/cm)；二氧化硅(優級純，北京國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 實驗步驟

稱取3.50 g土壤有效態成分分析標準物質于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 處測其吸光度[13]。

稱取3.50 g二氧化硅代替土壤樣品，在相同的實驗條件下振蕩，離心，測其在475 nm處的吸光度，此吸光度為空白吸光度。

CEC值計算公式見式(1)。

(1)

式中：CEC——土壤陽離子交換量，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；b——標準曲線斜率；m——取樣量，g；wdm——土壤干物質含量，%。

1.3 標準曲線

稱取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10 mL的容量瓶中，分別用水稀釋至標線，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 處分別測量吸光度。以標準系列中的[Co(NH3)6]Cl3溶液濃度為橫坐標，以其對應的吸光度為縱坐標，建立標準曲線[13]，斜率b為 0.584 1,截距a為0.001 4。

2 結果與討論

2.1 有機質對測定結果的影響

[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，通過測得[Co(NH3)6]Cl3溶液在475 nm處的吸光度，計算土壤CEC值。而有機質在475 nm處也有吸收，當其質量分數較高時，會導致CEC測量結果偏低。選擇山東省有機質較多的代表性土壤樣品，實驗測得土壤樣品和實驗室空白在475 和380 nm處的吸光度，結果見表1。

表1 有機質與陽離子交換量測試結果

由表1可見，實驗室空白的吸光度在475 nm處為 0.918，在380 nm 處為0.122。實驗室空白本身在380 nm處就有吸光度。當有機質質量分數較高時，有機質質量分數與土壤CEC無相關性。樣品2在380 nm處吸光度為0.158，比實驗室空白吸光度(0.122)要高，說明有機質對380 nm處吸光度有影響。而樣品4在380 nm處吸光度為0.096，比實驗室空白吸光度要低，說明有機質對380 nm處吸光度影響很小。因此，只有在有機質質量分數高，且有機質對樣品在380 nm處的吸光度有影響時，才有必要通過校正方程計算CEC。

2.2 pH值對測定結果的影響

稱取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2標準土壤樣品各3.50 g于100 mL離心管中，按照實驗方法要求，每個樣品平行測試2次。標準樣品的pH值和CEC測試結果見表2。

表2 土壤有效態成分分析標準物質認定值及不確定度① cmol+/kg

由表2可見，對于中性或堿性標準土壤，測試值接近真值，而對于酸性標準土壤，測試值偏小很多?？赡苁且驗樗嵝酝寥乐蠬+濃度較高，影響[Co(NH3)6]3+的交換，使結果產生偏差。

分別稱取3.50 g酸性標準土壤(ASA-5a)于100 mL離心管中，加入50.00 mL[Co(NH3)6]Cl3溶液，調節pH值為6.0～8.0，平行測定6次，相對標準偏差為2.4%。CEC和準確度結果見表3。

表3 ASA-5a 的CEC測試結果

由表3可見，通過調節酸性土壤樣品的pH值,可以提高方法的準確度和精密度。

2.3 浸提時間對測定結果的影響

稱取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2標準土壤各3.50 g于100 mL離心管中，分別振蕩1，1.5，2，3，4 和5 h。測定結果見圖1。

圖1 浸提時間對測定結果的影響

由圖1可見，對于中性或堿性土壤樣品(ASA-1a,ASA-9,HTSB-2)，浸提時間>3 h時，測試結果超過真值上限，浸提時間為1～1.5 h時，測試結果接近真值。對于酸性土壤樣品(ASA-5a),浸提時間為1～2 h時，測試結果低于真值下限，浸提時間>3 h時，測試結果超過真值上限，浸提時間為 2～3 h時，測試結果接近真值?？赡芤驗樗嵝酝寥廊芤豪颒+濃度較高，不利于[Co(NH3)6]3+交換，通過延長浸提時間，可使土壤溶液中的陽離子和[Co(NH3)6]3+有充分的交換時間。因此，測定中性或堿性土壤時，浸提1～1.5 h即可；測定酸性土壤時，可通過增加浸提時間(2～3 h)來解決測試結果偏低的問題。

2.4 離心時間及過濾對測定結果的影響

稱取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2標準土壤樣品各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。測定結果見圖2。

圖2 離心時間對測定結果的影響

由圖2可見，離心10 min時，各土壤樣品測定結果均接近真值。隨著離心時間的增加，測定結果略有增加，幾乎都接近真值。一般情況下離心10 min 就能達到要求，但實際土壤樣品比標準樣品的基質復雜得多，離心10 min時溶液還很渾濁，分離后的懸浮液含有雜質，會使樣品在475 nm處吸光度增加，從而導致測試結果偏低，因此需要延長離心時間。對山東省124個土壤樣品進行測定，其中一些樣品離心10 min后，上清液還很渾濁，有很多細碎的草葉，使樣品吸光度增加，因此增加離心時間，并用針頭過濾器過濾后上機測試，測試結果見表4。

表4 實際土壤樣品未過濾與過濾后的測試結果

由表4可見，通過針頭過濾器過濾后，樣品在475 和380 nm處的吸光度都有所降低，測試結果更加可靠。

2.5 精密度和準確度實驗

在上述研究條件下，對ASA-5a(酸性)和HTSB-2(堿性)標準土壤樣品各平行測定7次。其中酸性土壤在浸提前，調節pH 值為6.0～8.0，浸提1 h,離心10 min，測試結果見表5。由表5可見，2種土壤樣品的測定值與真值均基本一致，相對標準偏差為1.5%和1.0%，相對誤差均<0.5%，符合方法要求。

表5 方法精密度和準確度

2.6 檢出限

對空白試樣進行7次重復測定，根據《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2020)[14]中檢出限計算公式計算方法檢出限，MDL=t(n-1,0.99)×S，結果為MDL=0.78 cmol+/kg,測定下限為4倍檢出限，為3.12 cmol+/kg，低于標準檢出限(0.8 cmol+/kg)，滿足方法要求。

3 結語

采用三氯化六氨合鈷-浸提分光光度法測定CEC，對有機質、pH值、浸提時間、離心時間、浸提液過濾等條件進行優化。指出，當有機質質量分數較高，且在380 nm處吸光度很大時，才需要通過475 nm 處進行校正。對于中性或堿性土壤，一般浸提時間為1 h,離心時間為10 min，即可達到良好的效果；而對于酸性土壤，可以通過調節pH值或增加浸提時間，達到良好的效果，從而解決酸性土壤CEC測定結果偏低的問題，有效地補充了《HJ 889—2017》標準的不足。對于含有復雜基質的土壤樣品，可以在測定前，用針頭過濾器過濾細碎的草葉、懸浮物等雜質，使結果更接近真值。采用上述優化后的條件，該方法適用于各種類型土壤陽離子交換量的大批量監測。