快速检测土壤阳离子交换量的方法优化

秦 琳，仲伶俐，罗 玲，周 虹，赵 珊，黄世群，杨定清

（四川省农业科学院分析测试中心，四川成都610066）

土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，CEC）是指带负电荷的土壤胶体在静电引力作用下能够吸附溶液中各种阳离子（K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH4+，H+和Al3+等）的总量，以每千克土壤的厘摩尔数表示（cmol（+）/kg）[1-3]。土壤中阳离子交换量的测定是表征土壤性质的一项重要指标，不同土壤由于其黏土矿物和腐殖质的性质和数量不同，其阳离子交换量的差异很大。CEC 的大小可反映土壤的缓冲性能，在实际生产中，可用于评价土壤的保肥能力，是指导施肥时重要的参考依据[4-8]。因而，对土壤阳离子交换量的测定具有重大意义。

土壤阳离子交换量的测定结果受多种因素的影响，如交换剂的性质、pH、淋洗方式等，必须对操作技术严格掌控才能获得真实可靠的结果。目前，常用的测定方法有乙酸铵交换法（适用于酸性和中性土壤）、氯化钡- 硫酸镁法（适用于高度风化酸性土壤）、氯化铵- 乙酸铵交换法（适用于石灰性土壤）、乙酸钠- 火焰光度法（适用于石灰性土壤和盐碱土）等。其中，乙酸铵交换法和氯化铵- 乙酸铵交换法在我国土壤和农化实验室采用较为广泛[9-10]。其方法原理为用1 mol/L 乙酸铵溶液反复处理土壤，使土壤成为NH4+饱和土。用乙醇洗去多余的乙酸铵后，加固体氧化镁蒸馏，用硼酸溶液吸收蒸馏出的氨，然后用盐酸标准溶液滴定，根据NH4+的量计算阳离子交换量。对于石灰性土壤的检测，土壤样品先用1 mol/L 氯化铵溶液加热处理，分解除去土壤中的碳酸钙，然后用1 mol/L 乙酸铵交换法测定阳离子交换量。乙酸铵的缓冲容量较强且交换过程pH 恒定，不会破坏土壤吸收复合体，多余的乙酸铵易于被乙醇洗除，故饱和在土壤中的NH4+可直接蒸馏测定，此方法测定结果稳定，重现性好。但是，在进行大批量土样检测时，样品要经乙酸铵和乙醇多次洗涤处理和离心分离，耗时太长且步骤繁琐[11]；传统的蒸馏装置效率低，耗费人工[12-13]；人工滴定难以保证始终稳定达到滴定终点[14]。在实际操作时，以上因素都会增加人为误差和系统误差，影响测定结果的真实可靠性。

本研究在完成大批量土样的阳离子交换量检测后，对常规的乙酸铵交换法和氯化铵- 乙酸铵交换法进行改良探讨，利用瓶口分液器、旋涡混合仪、凯氏定氮仪和自动电位滴定仪改善试验条件，在遵循实验原理的基础上对样品称样量、乙酸铵和乙醇的用量、洗涤离心次数、定氮仪的蒸馏时间和蒸汽量进行了改良探讨，并以土壤有效态成分分析标准物质来验证该方法的精密度和准确度，总结出一套准确度好、精密度和工作效率高，且实用性更佳的测定方法。

1 材料和方法

1.1 材料

所用土壤样品由农业部食品质量监督检验测试中心（成都）提供。供试土壤有效态成分分析标准物质由国家标准物质研究中心研制，分别为黑龙江黑土（GBW07458）、新疆灰钙土（GBW07459）和陕西黄绵土（GBE07460）。

1.2 试剂

1 mol/L 乙酸铵溶液（pH 值7.0）；95%乙醇溶液（工业用，必须无NH4+）；甲基红- 溴甲酚绿混合指示剂；20 g/L 硼酸指示剂溶液；0.05 mol/L 盐酸标准溶液；pH 值为10 的缓冲溶液；K-B 指示剂；固体氧化镁；1 mol/L 氯化铵溶液。

1.3 仪器

电动离心机（型号为TG-1850，最高转速为18 500 r/min）；旋涡混合仪（型号为WH-3）；凯氏自动定氮仪（型号为FOSS8200）；自动电位滴定仪（型号为877 Titrino plus）。

1.4 试验设计

本研究采用12 个土壤样品对常规的乙酸铵交换法和氯化铵- 乙酸铵交换法中试剂用量和定氮仪蒸馏参数进行改良探讨，其中，酸性与中性土壤6 份，碱性土壤6 份；采用428 个酸性与中性土壤样品和112 个碱性土壤样品进行洗涤离心次数的改良；选择1 个酸性和2 个石灰性土壤有效态成分分析标准物质进行CEC 测定，验证改良后方法的精密度和准确度。

对乙酸铵交换法的改良，设计试剂用量为40，50 mL，蒸馏时间3.5，4 min 2 因素2 水平正交试验；氯化铵- 乙酸铵交换法则设计蒸馏时间3.0，3.5 min单因素2 水平试验，将乙酸铵和乙醇用量分别设定为40，50 mL，每个处理设3 个重复。

1.5 试验方法

1.5.1 乙酸铵洗涤离心 酸性与中性土样称取通过1 mm 筛孔的风干样2.0 g，放入100 mL 离心管中，用瓶口分液器沿离心管壁加入20 mL 1 mol/L 乙酸铵溶液，拧紧盖子，置于旋涡混合仪上混合15 s，使其成为均匀的泥浆状态。再加20 mL 1 mol/L 乙酸铵溶液至总体积40 mL，混合15 s。

碱性土样称取通过2 mm 筛孔的风干土样2.5 g，放入200 mL 烧杯中，加入1 mol/L 氯化铵溶液约25 mL，盖上表面皿，放在电炉上低温煮沸，大约需20 min 便无氨味。烧杯内的土样用1 mol/L 氯化铵溶液洗入100 mL 离心管中，平衡好离心管，离心4 min，转速4 000 r/min，弃去离心管中的清液。以下操作同酸性与中性土壤。

将离心管对称地放入离心机中，离心4 min，转速4 000 r/min，如此用1 mol/L 乙酸铵溶液处理3～5 次，直到最后浸出液中无钙离子反应为止（取最后一次离心后上清液5 mL，加1 mL pH 值为10 的缓冲液，少许K-B 指示剂，若检出液无紫红色，表示钙离子已除尽）。

1.5.2 乙醇洗涤离心 用瓶口分液器向载土的离心管中加入20 mL 95%乙醇，拧紧盖子，置于旋涡混合仪上混合15 s，再加20 mL 至总体积40 mL 后，混合15 s。将离心管对称放入离心机中，离心4 min，转速4 000 r/min，弃去乙醇溶液。如此反复用乙醇洗3～4 次，直至最后一次乙醇溶液中无铵离子为止（取最后一次离心后上清液5 mL，加2 滴甲基红- 溴甲酚绿混合指示剂，若检出液无绿色，表明铵离子已除尽）。

1.5.3 蒸馏滴定 用水将全部土样转入蒸馏管内，洗入水的体积应控制在50～80 mL，蒸馏前加1 g氧化镁，设置硼酸吸收液为30 mL，立即把蒸馏管装在凯氏自动定氮仪上蒸馏。待蒸馏结束后，取下烧杯，放在自动电位滴定仪上，用盐酸标准溶液滴定，记录滴定体积数，同时做空白试验。

式中，CEC 为阳离子交换量（cmol（+）/kg）；c 为盐酸标准溶液的浓度（mol/L）；V 为盐酸标准溶液的用量（mL）；V0为空白试验盐酸标准溶液的用量（mL）；m1为风干土样质量（g）；k2为将风干土换算成烘干土的水分换算系数；10 为将mmol 换算成cmol 的倍数。

2 结果与分析

2.1 试剂用量分析

按试验方法，随机选取6 份酸性与中性土壤和6 份碱性土壤进行了乙酸铵和乙醇用量对比，检测结果列于表1 和表2。用乙酸铵交换法测定的6 份酸性与中性土壤样品，在控制蒸馏时间和蒸汽量不变的情况下，乙酸铵和乙醇用量都设定为40 mL 或50 mL 时，对测定结果的影响差异不显著，表明试剂量40 mL 时已达到实际要求；用氯化铵- 乙酸铵交换法测定6 个碱性土壤样品，将乙酸铵和乙醇用量分别设定为40，50 mL，蒸汽量为100%，蒸馏时间设定为3 min 或3.5 min 时，对测定结果的影响差异不显著。因而，从节约试剂成本、降低废液排放污染的角度出发，将乙酸铵交换法的试剂用量设定为40 mL，氯化铵- 乙酸铵交换法的乙酸铵和乙醇用量分别定为40，50 mL 是完全合理的，且使用瓶口分液器，可严格控制加入试剂含量，免去离心前粗天平配平这一步骤。在蒸馏前，向蒸馏管中加固体氧化镁后，立即将蒸馏管连接在蒸馏仪上，这样可省去加2 mL 液体石蜡这一步骤，节约了试剂成本，减少了工作时间，有效减少石蜡对蒸馏仪流路和自动电位滴定仪电极的污染。

表1 乙酸铵法试剂用量和定氮仪设置参数的确定 cmol（+）/kg

表2 氯化铵-乙酸铵法试剂用量和定氮仪设置参数的确定 cmol（+）/kg

2.2 定氮仪蒸馏参数分析

按试验方法，选择不同蒸馏时间和蒸汽量组合，对随机选取的6 份酸性与中性土壤和6 份碱性土壤样品CEC 含量进行了测定，结果列于表1 和表2。由表1 可看出，用乙酸铵交换法测定的6 份酸性与中性土壤样品，在确定试剂用量都为40 mL时，蒸汽量保持100%，CEC 的测定值随蒸馏时间增加而增加，即蒸馏时间设定为4 min，较蒸馏时间为3.5 min 时CEC 的测定值高，这表明在保证土壤中阳离子被铵离子完全置换，并除去Ca2+和多余的铵离子后，蒸馏时间定为4 min 时，土壤中交换的铵离子才能被更大程度的蒸馏出来，被硼酸充分的吸收，测定出较准确的结果。由表2 可知，用氯化铵-乙酸铵交换法测定的6 个碱性土壤样品，在将乙酸铵和乙醇用量分别定为40，50 mL，蒸汽量保持100%时，蒸馏时间为3 min或3.5 min，其CEC 测定值差异不显著，为节约工作时间，可将蒸馏时间缩短为3 min。因此，蒸汽量定为100%，将乙酸铵交换法蒸馏时间定为4 min，将氯化铵- 乙酸铵交换法蒸馏时间定为3 min，能得到较为理想的测定结果。

2.3 洗涤离心次数分析

表3 乙酸铵和乙醇洗涤离心次数的确定

按试验方法，对以往检测的428 个酸性与中性土壤样品和112 个碱性土壤样品在洗涤离心后，上清液中残留离子及检出情况进行统计的结果如表3所示。由表3 可知，用乙酸铵交换法测定的428 个酸性与中性土壤样品，乙酸铵洗涤离心3 次后，上清液未检出Ca2+，表示Ca2+已被完全除尽，土壤已被铵离子饱和；乙醇洗涤离心3 次后，上清液铵离子的未检出率达98.6%，在进行大批量样品检测时，可认为铵离子已被除尽，因为增加乙醇的洗涤次数或洗涤离心次数，都会促使乙醇对土壤的分散，使得离心后上清液变浑浊，造成土壤样品损失，导致最终测定结果偏低。用氯化铵- 乙酸铵交换法测定的112 个碱性土壤样品，乙酸铵洗涤离心3 次后，上清液中Ca2+的未检出率仅为59.8%，这是由于石灰性土壤被氯化铵加热处理后，分解的碳酸钙导致土壤中Ca2+含量增加，因而，增加洗涤次数为5 次后，上清液中Ca2+才被除尽；相比酸性与中性土壤，碱性土壤在处理时，由于氯化铵的加热处理和乙酸铵的洗涤次数增加，都使得土壤中铵离子含量较高，用乙醇洗涤离心4 次后，铵离子的未检出率可达97.3%。因而，在对大批样进行CEC 测定时，统一规定酸性与中性土壤样品乙酸铵和乙醇分别洗涤3 次，碱性土壤乙酸铵洗涤3 次后检查Ca2+，若检出，可增加乙酸铵洗涤至5 次，乙醇洗涤4 次。在实际检测碱性土壤CEC 时，乙酸铵洗3 次后，检查Ca2+，使用瓶口分液器加试剂，没有耗费太多时间，比起将洗涤次数统一规定为5 次，这样做不仅可减少工作时间，提高工作效率，而且也降低了试剂用量。

2.4 方法准确度和精密度验证

按改良后的试验方法，选择1 个酸性和2 个石灰性土壤有效态成分分析标准物质进行CEC 测定，分别为黑龙江黑土（GBW07458，准确值及不确定度（30±1）cmol（+）/kg）、新疆灰钙土（GBW07459，准确值及不确定度（13.8±0.7）cmol（+）/kg）和陕西黄绵土（GBW07460，准确值及不确定度（9.6±1.3）cmol（+）/kg），同时进行空白试验，每个样品做4 个平行试验，测定结果列于表4。

表4 方法准确度和精密度验证

从表4 可以看出，对常规的乙酸铵交换法和氯化铵- 乙酸铵交换法进行改良后，通过自动定氮仪和自动电位滴定仪测定的4 组标准物质CEC 值与标准值高度一致，且精密度高，完全符合要求。

3 讨论

本研究对常规的乙酸铵交换法和氯化铵- 乙酸铵交换法进行了改良探讨，具体就其在样品称样量、乙酸铵和乙醇的合理用量、洗涤离心次数、定氮仪的蒸馏时间和蒸汽量方面进行了优化，并利用瓶口分液器、旋涡混合仪、凯氏定氮仪和自动电位滴定仪改善试验条件，总结出了一套工作效率高且实用性更佳的快速测定方法。经土壤标准物质验证，此方法的精密度和准确度均符合要求。在进行大批量土壤样品CEC 检测作业时，此方法更具优势。对比传统的方法，乙酸铵和乙醇的用量减少了1/6 ～1/3，不加石蜡，洗涤次数也适当减少，有效降低了样品检测时间和试剂成本；半自动凯氏定氮仪配合自动电位滴定仪、旋涡混合仪，大幅度减少了蒸馏和滴定所耗费的时间、人力，且有利于在一定程度上排除偶然误差和繁琐步骤下积累的系统误差。因而，对于样品数量大、效率需求高的土壤检测，如大范围的土壤样品调查、土壤环境质量评估等土壤分析工作，此方法完全能满足要求，具有较高的实用性。此外，本研究中优化的方法适用于酸性与中性土壤和石灰性土壤，实用范围更广。