超声浸提ICP-OES法同时测定土壤中交换性钙、镁和速效钾

王荣慧， 白冬， 章路， 巩佳第， 余程凤， 孙玉梅， 段晓婷， 潘璐

(绿城农科检测技术有限公司，浙江 杭州 310000)

一般土壤中交换性盐基以Ca2+为主，Mg2+次之，K+较少，Na+可忽略不计。土壤中交换性Ca2+、Mg2+、K+含量直接影响着其盐基饱和度，是评价土壤保肥供肥能力的一个重要指标[1-4]。因此，明确土壤中交换性Ca2+、Mg2+、K+含量可为合理施肥、提高作物产量和品质、改良土壤提供重要依据。

针对土壤中交换性Ca2+、Mg2+、K+含量的测定应用最为广泛的检测方法是原子吸收光谱法[5]，但相较于电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)，原子吸收光谱法线性范围较窄，只能进行单元素测定，检测效率低、人力成本高。ICP-OES的检出限更低，具有准确度和精密度更高等优点，已被广泛应用于农业、食品、化工等众多领域[6]。

现已有大量关于ICP-OES测定土壤中交换性Ca2+、Mg2+、K+的报道，杨乐苏[7]采用乙酸铵振荡提取法，使用ICP-OES直接测定土壤中多种交换性阳离子，获得较好效果，土壤标物中(GBW07416)交换性Ca2+、Mg2+、K+的测定值与标准值相对误差分别为-1.94%、6.61%和-2.50%。邢雁等[8]采用EDTA-乙酸铵浸提ICP-OES法直接测定土壤中的交换性钾、钠、钙、镁、锰，该方法的准确度可满足土壤样品中交换性阳离子的分析要求。裘希雅等[9]采用不同的振荡提取方式，对土壤中交换性钙镁的提取效果进行了研究，其研究结果表明振荡30 min的交换性钙镁数据标准偏差最小。

尽管已有大量关于测定土壤中交换性Ca2+、Mg2+、K+的报道[10-13]，但针对超声波提取法的研究较少。本研究旨在建立更简便的乙酸铵提取方式，结合ICP-OES同时检测土壤中交换性Ca2+、Mg2+、K+含量，以期能应用于合理施肥、提高作物产量和品质。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 标准溶液及试剂

Ca、Mg、K单元素标准溶液(1 000 mg·L-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；土壤有效态成分分析标准物质(江西红壤)GBW07416a(ASA-5a)，土壤有效态成分分析标准物质(湖北黄梅水稻土)GBW07415(ASA-4)，农业土壤有效态成分分析参比标准物质(广州韶关)NSA-6；乙酸铵(CH3COONH4，优级纯)；高纯氩气(纯度99.999%以上)。

1.1.2 主要仪器和设备

2 mm筛孔尼龙筛；容量瓶；超纯水制备装置(Millipore，美国)；KQ5200E超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司，中国)；5100 ICP-OES(Agilent，美国)。

1.2 方法

1.2.1 试剂配制

1 mol·L-1乙酸铵溶液(pH 7.0)。

标准溶液：用1 mol·L-1乙酸铵溶液将钙、镁、钾标准储备液逐级稀释，钙、镁配制浓度分别为0、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0、16.0、20.0 mg·L-1的标准系列溶液，钾标准系列溶液配制浓度分别为0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、20.0、30.0、50.0 mg·L-1。

1.2.2 正交试验设计

选取影响超声浸提法的3个因素分别为样品质量(A)、浸提液体积(B)和超声时间(C)，每个因素3个水平。1～3水平：A分别为0.5、1.0、2.0 g；B分别为10、25、50 mL；C分别为10、20、30 min。对2个土壤标准物质选用正交表L9(34)安排试验，以标准物质各元素的标准值为指标，寻求提取土壤中交换性钙、交换性镁与速效钾的最优方案。

1.2.3 ICP-OES仪器参数

本次研究使用的ICP-OES在检测过程中的仪器参数为：射频功率(RF)1.2 kW；雾化气流量0.7 L·min-1；辅助气流量1.0 L·min-1；等离子体气体流量12.0 L·min-1；蠕动泵转速12 r·min-1；Ca、Mg观测方式为横向；K观测方式为纵向。

2 结果与分析

2.1 超声浸提法最优方案

2.1.1 NSA-6正交试验

对交换性钙的提取影响最大的是浸提液体积，其次是样品质量，超声时间影响最小，最优提取条件为称样量0.5 g、浸提液体积50 mL、超声30 min，即A1B3C3(表1)。影响交换性镁提取因素的主次关系为B>A>C，其中最优条件为A1B3C3，即称样量为0.5 g、浸提液体积50 mL、超声30 min。速效钾影响因素的主次关系、最优条件均与交换性钙、镁一致。

表1 NSA-6正交试验处理组合对交换性钙、镁与速效钾的影响

NSA-6交换性钙标准值为(13±2)cmol·kg-1，交换性镁标准值为(0.85±0.11)cmol·kg-1，速效钾标准值为(178±15)mg·kg-1。试验中标准物质各待测元素的最优水平结果均在参考值的不确定范围内。

2.1.2 ASA-4正交试验

ASA-4交换性钙标准值为(13.1±2.2)cmol·kg-1，交换性镁标准值为(2.76±0.19)cmol·kg-1，速效钾标准值为(171±16)mg·kg-1。通过对标准物质ASA-4进行正交试验得出，样品质量对交换性钙影响最大，超声时间影响最小，其中均值A1为12.07 cmol·kg-1，均值B2为12.17 cmol·kg-1，均值C3为12.00 cmol·kg-1，为最优结果，因此，最优条件为A1B3C3，即称样量为0.5 g、浸提液体积50 mL、超声30 min；速效钾正交试验所得最优条件与交换性钙一致，其中均值A1为160.87 mg·kg-1，均值B2为156.67 mg·kg-1，均值C3为161.70 mg·kg-1，均在标准物质范围内；交换性镁均值范围是2.73～2.84 cmol·kg-1，全部在标准物质的不确定范围内(表2)。综合2个标准物质各元素的正交试验结果得出，超声浸提法的最优方案为称样量0.5 g、浸提液体积50 mL、超声30 min。

表2 ASA-4正交试验处理组合对交换性钙、镁与速效钾的影响

2.2 标准物质验证

选取土壤有效态成分分析标准物质ASA-5a、ASA-4与NSA-6作为质控样品，按照最优方案样品质量0.5 g、浸提液体积50 mL、超声30 min进行试验，以此验证方法的准确性。所测元素的检测结果与标准参考值相符，建立的方法准确可靠(表3)。

表3 标准物质的检测

2.3 方法学验证

2.3.1 标准曲线与检出限

在最优仪器工作条件下测定钙、镁、钾元素的标准系列溶液，得到各元素的标准曲线方程。所测元素线性回归方程相关系数均>0.999，可知线性关系良好(表4)。检出限计算公式：LOD=3s，式中s为11次测得空白值的标准偏差。

表4 标准曲线、相关系数以及检出限

2.3.2 精密度与准确度

采用选定的处理方法对3种标准物质进行试验，对同一样品分别连续测定6次；各标准物质3次平行试验取平均值，与各元素参考值的中位值作比较，检验方法的准确度。各标准物质待测元素的相对标准差均<5%，其中各标准物质交换性钙的相对标准差为0.21%～0.34%，交换性镁为0.13%～0.28%，速效钾为1.12%～1.26%。标准物质NSA-6所测定的速效钾相对相差最大，为6.09%；标准物质ASA-4所测定的交换性镁的相对相差最大，为4.64%；标准物质ASA-5a所测定的交换性钙的相对相差最大，为7.09%；各标准物质待测元素的相对相差值均<10%。方法的准确度与精密度均满足检测要求(表5、表6)。

表5 方法精密度检验(n=6)结果

表6 方法准确度检验(n=3)结果

2.4 方法应用

对富阳市与文成县两地共16份土壤样品按选定的方法进行试验，同时按照国标法试验进行对比(表7)。国标法下16份土壤样品交换性钙的含量是0.5～12.0 cmol·kg-1，交换性镁含量是0.1～0.9 cmol·kg-1，速效钾含量是32～373 mg·kg-1。与国标法相比，超声法相对误差分别为0～4.54%、0～4.54%和0.17%～3.48%，均<5%。

表7 2种方法试验结果对比

3 小结

本文建立了超声法结合电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)同步测定交换性钙、镁与速效钾的分析方法。与传统的振荡提取与原子吸收光谱法相比，本方法具有操作简便快捷、节时省力等优点，在对大批量样品进行检测时，效率显著提高，节省人力成本，同时检测结果准确可靠，适用于土壤中交换性钙、镁与速效钾分析检测。