分光光度法测定土壤阳离子交换量的方法优化

王丽敏,吴慧，申立，尚余风，王炳航

(1.山东省威海生态环境监测中心，山东 威海 264200；2.威海市生态环境事务服务中心，山东 威海264200；3.潍坊学院，化学与化工学院，山东 潍坊 261000；4.威海市生态环境监控中心，山东 威海 264200)

土壤阳离子交换量(CEC)是指土壤胶体所吸附的各种阳离子的总量，是影响土壤缓冲能力高低、评价土壤保肥能力的重要指标[1-2]，是改良土壤和合理施肥的重要依据[3-6]。因此寻找一种快速高效测定土壤CEC的方法具有重要意义[7]。土壤CEC的测定方法包括乙酸铵交换法、乙酸铵-氯化铵交换法、氯化钡-硫酸快速测定法等[7-8]，以上方法均有操作复杂、费力耗时等问题[9-10]。经比较分析，《土壤 阳离子交换量的测定 三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》(HJ 889—2017)具有操作简单、分析效率高等优点。但分析组分较复杂的酸性土壤样品时，会出现测试结果偏低，样品振荡离心后浸提液中存在细小颗粒物杂质而导致吸光值不稳定，样品吸光值比空白吸光值高等现象。杨黎[11]提出了利用超声浸提代替振荡浸提的方式，缩短了前处理时间，提高了分析效率。张艳丽[12]优化了浸提量，调节土壤的pH值，解决了酸性土壤测试值偏低的问题。现更加全面地探究了有机质、pH值、浸提时间、离心时间、浸提液过滤等对土壤CEC测试结果的影响，并优化了实验条件，进一步提高了《HJ 889—2017》方法的适用性。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

仪器：DD6台式离心机(常州市金坛高科仪器厂)；UV-2700紫外可见分光光度计(日本岛津公司)；100.00 mL离心管、50.00 mL移液管、JH 202电子分析天平(上海精科天美科学仪器有限公司)；ZD-88型大容量全温振荡器(常州华冠仪器制造有限公司)；聚丙烯针头过滤器(天津津腾有限公司)。

试剂：三氯化六氨合钴{[Co(NH3)6]Cl3，优级纯，北京百灵威科技有限公司}；土壤有效态成分分析标准物质[ASA-1a酸性土(辽宁棕壤土)，ASA-5a中性土(江西红壤土),ASA-9碱性土(陕西黄绵土),HTSB-2碱性土(陕西黑垆土)]；去离子水(电导率<0.5 μS/cm)；二氧化硅(优级纯，北京国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 实验步骤

称取3.50 g土壤有效态成分分析标准物质于100.00 mL离心管中，用移液管移取50.00 mL浓度为1.66 cmol/L的[Co(NH3)6]Cl3溶液，置于振荡器中回旋振荡，控制温度在(20±2)℃，浸提 60 min，离心10 min，取上清液，以水做参比，在475 nm 处测其吸光度[13]。

称取3.50 g二氧化硅代替土壤样品，在相同的实验条件下振荡，离心，测其在475 nm处的吸光度，此吸光度为空白吸光度。

CEC值计算公式见式(1)。

(1)

式中：CEC——土壤阳离子交换量，cmol+/kg；A0——空白试样吸光度；A——试样吸光度；V——浸提液体积，mL；3——[Co(NH3)6]3+的电荷数；b——标准曲线斜率；m——取样量，g；wdm——土壤干物质含量，%。

1.3 标准曲线

称取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个10 mL的容量瓶中，分别用水稀释至标线，浓度分别为0，0.166，0.498，0.830，1.16和1.49 cmol/L，以水为参比，在475 nm 处分别测量吸光度。以标准系列中的[Co(NH3)6]Cl3溶液浓度为横坐标，以其对应的吸光度为纵坐标，建立标准曲线[13]，斜率b为 0.584 1,截距a为0.001 4。

2 结果与讨论

2.1 有机质对测定结果的影响

[Co(NH3)6]Cl3溶液在475和380 nm处都有吸收，且在475 nm 处有最大吸收，通过测得[Co(NH3)6]Cl3溶液在475 nm处的吸光度，计算土壤CEC值。而有机质在475 nm处也有吸收，当其质量分数较高时，会导致CEC测量结果偏低。选择山东省有机质较多的代表性土壤样品，实验测得土壤样品和实验室空白在475 和380 nm处的吸光度，结果见表1。

表1 有机质与阳离子交换量测试结果

由表1可见，实验室空白的吸光度在475 nm处为 0.918，在380 nm 处为0.122。实验室空白本身在380 nm处就有吸光度。当有机质质量分数较高时，有机质质量分数与土壤CEC无相关性。样品2在380 nm处吸光度为0.158，比实验室空白吸光度(0.122)要高，说明有机质对380 nm处吸光度有影响。而样品4在380 nm处吸光度为0.096，比实验室空白吸光度要低，说明有机质对380 nm处吸光度影响很小。因此，只有在有机质质量分数高，且有机质对样品在380 nm处的吸光度有影响时，才有必要通过校正方程计算CEC。

2.2 pH值对测定结果的影响

称取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2标准土壤样品各3.50 g于100 mL离心管中，按照实验方法要求，每个样品平行测试2次。标准样品的pH值和CEC测试结果见表2。

表2 土壤有效态成分分析标准物质认定值及不确定度① cmol+/kg

由表2可见，对于中性或碱性标准土壤，测试值接近真值，而对于酸性标准土壤，测试值偏小很多。可能是因为酸性土壤中H+浓度较高，影响[Co(NH3)6]3+的交换，使结果产生偏差。

分别称取3.50 g酸性标准土壤(ASA-5a)于100 mL离心管中，加入50.00 mL[Co(NH3)6]Cl3溶液，调节pH值为6.0～8.0，平行测定6次，相对标准偏差为2.4%。CEC和准确度结果见表3。

表3 ASA-5a 的CEC测试结果

由表3可见，通过调节酸性土壤样品的pH值,可以提高方法的准确度和精密度。

2.3 浸提时间对测定结果的影响

称取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2标准土壤各3.50 g于100 mL离心管中，分别振荡1，1.5，2，3，4 和5 h。测定结果见图1。

图1 浸提时间对测定结果的影响

由图1可见，对于中性或碱性土壤样品(ASA-1a,ASA-9,HTSB-2)，浸提时间>3 h时，测试结果超过真值上限，浸提时间为1～1.5 h时，测试结果接近真值。对于酸性土壤样品(ASA-5a),浸提时间为1～2 h时，测试结果低于真值下限，浸提时间>3 h时，测试结果超过真值上限，浸提时间为 2～3 h时，测试结果接近真值。可能因为酸性土壤溶液里H+浓度较高，不利于[Co(NH3)6]3+交换，通过延长浸提时间，可使土壤溶液中的阳离子和[Co(NH3)6]3+有充分的交换时间。因此，测定中性或碱性土壤时，浸提1～1.5 h即可；测定酸性土壤时，可通过增加浸提时间(2～3 h)来解决测试结果偏低的问题。

2.4 离心时间及过滤对测定结果的影响

称取ASA-1a、ASA-5a、ASA-9和HTSB-2标准土壤样品各3.50 g于100 mL离心管中，ASA-1a、ASA-9和HTSB-2浸提1 h，ASA-5a浸提2 h，各土壤样品分别离心10，20，30和40 min。测定结果见图2。

图2 离心时间对测定结果的影响

由图2可见，离心10 min时，各土壤样品测定结果均接近真值。随着离心时间的增加，测定结果略有增加，几乎都接近真值。一般情况下离心10 min 就能达到要求，但实际土壤样品比标准样品的基质复杂得多，离心10 min时溶液还很浑浊，分离后的悬浮液含有杂质，会使样品在475 nm处吸光度增加，从而导致测试结果偏低，因此需要延长离心时间。对山东省124个土壤样品进行测定，其中一些样品离心10 min后，上清液还很浑浊，有很多细碎的草叶，使样品吸光度增加，因此增加离心时间，并用针头过滤器过滤后上机测试，测试结果见表4。

表4 实际土壤样品未过滤与过滤后的测试结果

由表4可见，通过针头过滤器过滤后，样品在475 和380 nm处的吸光度都有所降低，测试结果更加可靠。

2.5 精密度和准确度实验

在上述研究条件下，对ASA-5a(酸性)和HTSB-2(碱性)标准土壤样品各平行测定7次。其中酸性土壤在浸提前，调节pH 值为6.0～8.0，浸提1 h,离心10 min，测试结果见表5。由表5可见，2种土壤样品的测定值与真值均基本一致，相对标准偏差为1.5%和1.0%，相对误差均<0.5%，符合方法要求。

表5 方法精密度和准确度

2.6 检出限

对空白试样进行7次重复测定，根据《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2020)[14]中检出限计算公式计算方法检出限，MDL=t(n-1,0.99)×S，结果为MDL=0.78 cmol+/kg,测定下限为4倍检出限，为3.12 cmol+/kg，低于标准检出限(0.8 cmol+/kg)，满足方法要求。

3 结语

采用三氯化六氨合钴-浸提分光光度法测定CEC，对有机质、pH值、浸提时间、离心时间、浸提液过滤等条件进行优化。指出，当有机质质量分数较高，且在380 nm处吸光度很大时，才需要通过475 nm 处进行校正。对于中性或碱性土壤，一般浸提时间为1 h,离心时间为10 min，即可达到良好的效果；而对于酸性土壤，可以通过调节pH值或增加浸提时间，达到良好的效果，从而解决酸性土壤CEC测定结果偏低的问题，有效地补充了《HJ 889—2017》标准的不足。对于含有复杂基质的土壤样品，可以在测定前，用针头过滤器过滤细碎的草叶、悬浮物等杂质，使结果更接近真值。采用上述优化后的条件，该方法适用于各种类型土壤阳离子交换量的大批量监测。