土壤中交换性钙和镁的测定ICP-OES法

吕亮，马盼，巩少岩

（1济南市农产品质量检测中心，济南 250316；2济南市农业科学研究院，济南 250316；3济南护理职业学院，济南 250002）

0 引言

钙和镁是植物生长发育必不可少的2 种元素，钙对于植物细胞的稳定和生长以及信号传递具有重要作用，镁在光合作用的3个主要阶段即原初反应、电子传递和光合磷酸化、碳同化中都起着重要的作用[1]。植物缺钙就会生长受阻，节间较短，组织柔软；植物缺镁会出现失绿症，储藏组织淀粉含量降低[2-3]，所以及时合理的补充钙、镁元素可防治蔬菜因缺钙、镁所引起的一系列植株坏死症状，提高土壤钙镁含量能改善植物的营养品质[4]。测定土壤交换性钙镁含量对研究合理施肥、提高作物产量和品质有重要意义[5]。

目前，土壤中交换性钙镁的测定通常采用乙酸铵-离心机浸提-EDTA 络合滴定法或原子吸收光谱法。该离心浸提法浸提次数3～4次，过程繁杂，且每批浸提的样品数受离心机孔数的限制（一般4～8 孔），定容所需试剂量大(250 mL)，而且在用原子吸收分光光度计检测过程中需加入氯化锶溶液以消除铝、磷和硅对钙测定的干扰，所以该浸提方法制备浸提液过程繁杂，速度慢，每批制备的样品数量少，消耗试剂量大，成本高。

笔者采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICPOES)作为检测手段，以乙酸铵为土壤交换剂，用振荡提取的方法提取出土壤中的交换性钙、镁，过程简单，定容所需试剂量小(50 mL)，且可以大批量浸提，大大缩短浸提时间及流程。而且由于使用ICP-OES检测，无需加入氯化锶溶液以消除铝、磷和硅对钙测定的干扰，节约试剂，减少成本。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

本试验于2019年5—10月在济南市农产品质量检测中心实验室内进行。

1.2 试验材料

试验中标准所用玻璃器具均应达到《化工部化学工业计量器具分级管理办法》规定的A级计量器具要求。

ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱仪）；分析天平：感量0.01 g；水浴振荡器：满足(180±20)r/min 的振荡频率或达到相同效果；塑料瓶：200、100 mL，具有内盖。

钙标准溶液[ρ(Ca2+)=1000 mg/L，水为基体]。

镁标准溶液[ρ(Mg2+)=1000 mg/L，水为基体]。

镁标准使用液：准确移取镁标准溶液10.00 mL于100 mL 容量瓶中，用水定容至刻度，此溶液中镁浓度为ρ(Mg2+)=100.00 mg/L。

乙酸铵溶液[c(CH3COONH4)=1 mol/L，pH 7.0]：称取乙酸铵(CH3COONH4)77.09 g 溶于950 mL 水中，用(1+1)氨水溶液和稀乙酸调节至pH 7.0，加水稀释到1 L，摇匀。

所有玻璃器皿使用前均需依次用5%的硝酸和去离子水分别浸泡4 h，然后用去离子水冲洗3～5 次，晾干备用。

1.3 试验方法

1.3.1 仪器设备及条件电感耦合等离子体发射光谱仪；功率(KW)：(P)1.00；等离子气流量(L/min)：15.0；辅助气流量(L/min)：1.50；雾化器压力(N)(kPa)：1。

1.3.2 样品处理称取通过2 mm 筛孔的风干土样2.00 g（质地轻的土壤称5.00 g）于200 mL 塑料瓶中，加入50.0 mL 乙酸铵溶液，塞紧瓶塞，摇匀，在水浴振荡器上于(25±2)℃振荡30 min[振荡频率：(180±20) r/min]后，立即过滤。

若上述滤液较混浊，可取上述滤液于离心管中以3000～4000 r/min 离心5 min，离心液直接用ICP-OES测定。若上述滤液较澄清，能满足实验要求，可省略此步骤。

1.3.3 测定钙、镁混合系列标准溶液：准确移取钙标准使用液0.00、0.25、0.5、1.00、2.00、2.50 mL于6个50 mL容量瓶中；另分别吸取：0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL 的镁标准使用液于上述50 mL 容量瓶中，用乙酸铵溶液稀释至刻度，摇匀。即为含钙(Ca) 0.00、5.00、10.00、20.00、40.00、50.00 mg/L和含镁(Mg)0.00、4.00、8.00、12.00、16.00、20.00 mg/L的钙镁混合标准系列溶液。

在ICP-OES 上，相同工作条件下分别测定空白和试样溶液，从仪器上直接读取浓度值。

1.3.4 结果计算交换性钙、镁的质量分数按式(1)～(2)计算。

式中：ρ为从标准曲线上查得测定液的钙（或镁）浓度，单位为毫克每升(mg/L)；V为测定液体积，单位为毫升(mL)；D为分取倍数，D=浸出液总体积/吸取浸出液体积；20.04为钙(Ca2+)离子的摩尔质量，单位为克每摩尔(g/mol)；12.15 为镁(Mg2+)离子的摩尔质量，单位为克每摩尔(g/mol)；1000为将毫升换算成升的系数；m为风干试样质量，单位为克(g)。

重复试验测定结果以算术平均值表示，保留小数点后一位数字。

2 结果与分析

2.1 方法检出限和测定下限

方法编制单位按照样品分析的全步骤，重复7 次空白试验，计算7次平行测定的标准偏差，按照式(3)计算方法检出限。

式中：MDL为检出限；n为样品的平行测定次数；t为自由度为n-1，置信度为99%时的t值（n=7时，t=3.143）；S为n次平行测定的标准偏差。

测定下限为4倍方法检出限。方法检出限和测定下限结果见表1。由表1可见，使用本方法测定土壤中交换性钙和镁的方法检出限分别为0.0120、0.0084 mg/kg，测定下限分别为0.1898，0.2338 mg/kg。

2.2 方法准确度

一般用测得值与真实值的相对误差来表示测得值的准确度，结果见表2。由表2可见，4种土壤标准物质(GBW07412、GBW07416、ASA-1a、ASA-4a)交换性钙和镁的测定值与标准值的相对误差分别为1.41%和0.28%、0.00%和0.83%、1.12%和4.65%、0.77%和0.25%，它们的数值均小于5.00%，均在有效范围之内，方法准确度有保证。

2.3 精密度

精密度系指在规定的测试条件下，同一（或多个）均匀供试品，经多次取样测定所得结果之间的接近程度。精密度一般用偏差、标准偏差或相对标准偏差表示。精密度分为：在相同条件下，由一个分析人员测定所得结果的精密度称为重复性；在不同实验室由不同分析人员测定结果之间的精密度称为重现性。这里，笔者分别使用相对标准偏差、方法重复性以及重现性来说明本试验方法的精密度。

相对标准偏差（亦称为变异系数），因为它能更好地表征多次分析测定结果的离散度，对偏差的平方进行统计平均，因而它对一组分析测定中的极值反应比较灵敏，也就是说能使大的偏差比小的偏差对标准偏差和相对标准偏差的贡献更大些。这样能使标准偏差和相对标准偏差要比平均偏差和相对偏差能更明显地反映定量分析结果的波动情况，所以在此对4 种标准物质土壤中的钙、镁含量进行对比测定，并用钙、镁元素各自的相对标准偏差来说明本方法的精密度情况，见表3。

由同一操作者使用同一设备，按照ICP-OES法，对用4种土壤有效态成分分析标准物质进行土壤交换性钙和镁的含量测定，验证其重复性，测定结果见表4。

《土壤分析技术规范》（第二版）规定平行测定结果允许相对相差如表5所示。

由不同操作者使用相同的设备，按照ICP-OES法，对用4 种土壤有效态成分分析标准物质进行土壤交换性钙和镁的含量测定，验证其再现性，测定结果见表6。

由表3 可见，测定所得4 种土壤标准物质(GBW07412、GBW07416、ASA-1a、ASA-4a)交换性钙和镁的相对标准偏差分别为2.29%和2.24%、4.31%和3.97%、2.16%和1.28%、1.62%和1.35%，它们的数值均小于5.00%。由表4 和表5 可见，4 种土壤标准物质(GBW07412、GBW07416、ASA-1a、ASA-4a)交换性钙和镁的最大相对相差符合《土壤分析技术规范（第二版）》规定平行测定结果允许的相对相差，本方法重复性良好。由表6可见，不同实验人员使用本方法对4种土壤标准物质(GBW07412、GBW07416、ASA-1a、ASA-4a)所测得交换性钙和镁的结果均在标准值及不确定度的范围之内，本方法的再现性也很好。

表2 4种土壤标准物质中钙、镁测得值与真实值的相对误差结果 cmol/kg

表3 4种不同含量标准物质中钙、镁元素的相对标准偏差结果 cmol/kg

表4 ICP-OES法测定4种土壤标准物质中交换性钙和镁的含量重复性实验结果 cmol/kg

表5 平行测定结果允许相对相差

3 结果与讨论

本方法采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中交换性钙、镁含量，以乙酸铵为土壤交换剂，用振荡提取的方法提取出土壤中的交换性钙、镁，过程简单，定容所需试剂量小(50 mL)，且可以大批量浸提，大大缩短浸提时间及流程。而且由于使用ICP-OES 检测，无需加入氯化锶溶液以消除铝、磷和硅对钙测定的干扰，节约试剂，减少成本。

本方法的推广有利于及时了解土壤交换性钙、镁的含量和分布状况，为政府制定切实可行的农业生产管理措施，保证农作物的产量和品质，促进农民增收提供科学依据，同时对保护、改进土壤墒情具有重要意义。

表6 ICP-OES法测定4种土壤标准物质中钙、镁的含量再现性实验结果 cmol/kg