分光光度法测定石灰性土壤阳离子交换量的相关探讨

庞春燕，蔡伊莎，夏 亮，陈 巧，林 波

(四川省南充生态环境监测中心站，四川 南充 637000)

1 引言

土壤是生态环境的重要组成部分，是国家经济发展不可或缺的宝贵自然资源，加快土壤环境保护是推进生态文明建设的重要内容，开展土壤环境质量监测工作是土壤环境保护最根本的环节。2016年5月28日，《土壤污染防治行动计划》[1](简称“土十条”)的颁布明确提出要深入开展土壤环境质量调查工作，建设土壤环境质量监测网络，提升土壤环境信息化管理水平，掌握土壤环境质量状况。2017年，《全国土壤污染状况详查土壤样品分析测试方法技术规定》和《全国农用地土壤污染状况详查质量保证与质量控制工作方案》等针对土壤详查分析测试技术和质量控制工作的系列文件印发，较大程度提升了我国土壤环境监测业务能力。2018年，生态环境部与农业农村部联合印发了《国家土壤环境监测网农产品产地土壤环境监测工作方案(试行)》[2]，对我国农产品产地土壤环境监测工作进行了详细部署，要求开展土壤与农产品协同监测，客观评价农产品产地土壤环境状况，并明确了土壤监测对象和监测指标，阳离子交换量就是监测指标之一。2019年，国家颁布《土壤污染防治法》[3]，要求生态环境部门制定监测规范，会同农业农村等多部门建立国家土壤监测网，每10年至少组织开展一次全国土壤污染状况普查。

土壤是环境污染物迁移、转换的重要场所，因土壤胶粒带负电荷能与金属离子作用，而使土壤具有吸附性。通常将土壤胶体所能吸附的各种阳离子的总量称为土壤阳离子交换量(CEC)，以cmol+/kg表示。阳离子交换量的大小常被用于评价土壤保肥、供肥和缓冲能力，也是土壤改良及污染治理情况等的重要参考依据[4]。石灰性土壤又称碱性土壤，盐基高度饱和，呈中性至碱性反应，是土壤剖面中含有碳酸钙或碳酸氢钙等石灰性物质的土壤的总称。乙酸铵交换法[5,6]常用于中性土壤、酸性土壤和森林土壤阳离子交换量的测定，氯化钡-硫酸强迫交换法[7]等方法也可用于阳离子交换量的测定，石灰性土壤则常选用乙酸钙交换法[8]测定，但这几种方法适用范围具有一定的局限性，且实验过程繁杂，不确定度较大，致使分析准确度不高，分析效率偏低。2017年，我国环境保护部颁布了三氯化六氨合钴浸提-分光光度法(HJ 889-2017)[9]，此方法不仅适用于所有土壤中阳离子交换量的测定，且实验步骤简单，可操作性强。陈亚慧[10]、陈桂华[11]等对该方法从标准曲线线性相关性、检出限、准确度、精密度等方面进行了方法验证。王丽敏等[12]从有机质、pH值、浸提时间、离心时间、浸提液过滤等多种实验要素考虑，对该方法进行了优化。本文以石灰性土壤为基础，对三氯化六氨合钴浸提-分光光度法(HJ 889-2017)和乙酸钙交换法(NY/T 1121.5-2006)两种测定方法进行对比，并对三氯化六氨合钴浸提法的相关浸提条件进行了相关探讨。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 仪器

723S可见分光光度计，上海奥谱勒；EYEL4分液漏斗振荡器，上海爱朗；HY-5A数显调速多用振荡器，常州普天；TDZ5-WS离心机，湖南湘仪；电子天平(十万分之一)，梅特勒；PHSJ-6L型实验室pH计，上海仪电科学；NJ101-0S电热鼓风烘箱，南京万能；100 mL圆底离心管；10 mL具塞比色管；尼龙筛；滴定管；称量瓶；容量瓶；移液管等。

2.1.2 试剂

三氯化六氨合钴(Co(NH3)6Cl3)：生产厂家分别为西亚试剂、阿拉丁、默克试剂，优级纯(纯度》99%)；乙酸钙：天津市光复精细化工研究所，分析纯；无水乙醇：天津市登峰化学试剂厂，分析纯；氢氧化钠：天津市化学试剂研究所有限公司，优级纯；盐酸：成都市科隆化学品有限公司，优级纯；酚酞指示剂：天津市鼎盛鑫化工有限公司，分析纯；pH缓冲溶液：上海仪电科学仪器股份有限公司；实验室用水为去离子水。

黄土土壤有效成分分析标准物质：编号GBW07493(HTSB-1)，陕西省地质矿物实验研究所有限公司；GBW07498(HTSB-6)，陕西省地质矿物实验研究所有限公司；土壤有效成分分析标准物质：GBW07414a(ASA-3a)，地球物理地球化学勘察研究所。

2.2 试验方法

2.2.1 pH值和干物质含量的测定

土壤CEC值测定前，分别依据土壤 pH 值的测定 电位法(HJ 962-2018)[13]和土壤 干物质和水分的测定 重量法(HJ 613-2011)[14]对有证标准物质和实际土壤样品的pH值和干物质含量进行测定。

2.2.2 CEC值的测定

2.2.2.1 三氯化六氨合钴浸提-分光光度法

(1)原理。三氯化六氨合钴溶液在475 nm处有特征吸收，其吸光度与溶液浓度成正比。在(20±2)℃条件下，用三氯化六氨合钴溶液作为浸提液对土壤中的阳离子进行浸提交换，根据浸提前后浸提液吸光度差值，计算土壤阳离子交换量。

(2)操作步骤。按照土壤 阳离子交换量的测定 三氯化六铵合钴浸提-分光光度法(HJ 889-2017)[9]，将通过2 mm尼龙筛的土壤样品充分混匀，称取3.5 g样品置于100 mL离心管中，加入浓度为1.66 cmol/L的三氯化六氨合钴溶液50.0 mL。旋紧离心管密封盖后置于振荡器上，控制室温(20±2)℃，振荡1 h，振荡过程中调节振荡频率，使土壤浸提液混合物始终保持悬浮状态。以4000 r/min转速离心10 min，收集上清液于比色管中，24 h内测定其吸光度。

(3)计算公式。土壤阳离子交换量利用式(1)来进行计算：

(1)

式(1)中：Ao为空白试样的吸光度；A为试样吸光度或者是校正吸光度；V为浸提液体积；3为[Co(NH3)6]3+的电荷数；b为标准曲线斜率；m为取样量，g；wdm为土壤样品干物质含量，%。

2.2.2.2 乙酸钙交换法

(1)原理。用0.25 mol/L盐酸溶液破坏土壤中碳酸盐，随后以0.05 mol/L盐酸将土壤中交换性盐基完全置换出，并形成氢饱和土壤，多余盐酸用40%乙醇洗净，再加入1 mol/L乙酸钙溶液将H+交换出来生成乙酸，用氢氧化钠溶液滴定生成的乙酸对土壤阳离子交换量进行计算。

(2)操作步骤。按照土壤检测 第5部分：石灰性土壤阳离子交换量的测定(NY/T 1121.5-2006)[8]，称取通过2 mm筛孔的风干土样5 g倒入100 mL的离心管中，用0.05 mol/L盐酸溶液对土壤中交换性盐基进行置换至无Ca2+为止，再用40%乙醇清洗试样3～4次，直至无氯离子检出。最后，用0.5 mol/L乙酸钙溶液置换、离心4次，将离心液小心移入250 mL容量瓶中，最后以0.5 mol/L乙酸钙溶液稀释至刻度线，待测。吸取待测液100 mL于250 mL三角瓶中，以酚酞为指示剂，用0.02 mol/L氢氧化钠标准溶液滴定溶液至浅红色。

(3)计算公式。土壤阳离子交换量利用式(2)来进行计算：

(2)

式(2)中，C为氢氧化钠标准溶液浓度；V为滴定土壤样品消耗的氢氧化钠标准溶液体积；V0为空白实验消耗的氢氧化钠标准溶液体积；m为风干土样的质量，g；D为分取倍数，250/100=2.5；10为将mmoL转换为cmoL的倍数；1000为换算成1 kg中的cmoL。

3 结果和讨论

3.1 两种方法的对比分析

分别按乙酸钙交换法(NY/T 1121.5-2006)[8]和分光光度法(HJ 889-2017)[9]对编号为GBW07493(HTSB-1)、GBW07498(HTSB-6)和GBW07414a(ASA-3a)的3种有证标准物质和4个实际土壤样品的CEC值进行了6次重复测定，测定结果如表1所示。

表1 三氯化六铵合钴浸提-分光光度法和乙酸钙交换法测定比对结果

如表1所见，使用2种方法测定的有证标准物质CEC值均在其保证值的不确定度范围内，准确度满足分析要求；对有证标准物质和土壤实际样品的CEC值测定结果的相对标准偏差范围在1.0%～4.4%，精密度较高，但乙酸钙交换法因配置的溶液较多，操作步骤繁琐，实验过程不确定度较高，样品转移次数过多致使损耗大，其有证标准物质测定结果的相对误差较三氯化六铵合钴-浸提分光光度法稍大。三氯化六铵合钴-浸提分光光度法只需要配置三氯化六氨合钴溶液，无须进行交换、淋洗、转移、离心等反复操作，样品损失较小，准确度、精密度和分析效率都要比乙酸钙交换法更加优越，能够有效地提升工作效率。

3.2 浸提实验的相关探讨

3.2.1 试剂的影响

分别选用西亚试剂、阿拉丁化学试剂和默克试剂所产三氯化六氨合钴(优级纯，纯度99%)，配制浓度为1.66 cmol/L的三氯化六铵合钴标准溶液，用刻度移液管依次量取不同体积的三氯化六氨合钴标准溶液于6个10 mL比色管中，用去离子水定容至刻度线，摇匀，得到三氯化六氨合钴浓度分别为0、0.166、0.498、0.830、1.16、1.49 cmol/L的标准曲线系列。以去离子水为参比，采用10 cm比色皿，在475 nm处测量标准曲线吸光度，以三氯化六氨合钴浓度为横坐标，溶液吸光度为纵坐标绘制曲线，所得吸光度值及曲线结果如表2所示。

如表2所见，当三氯化六铵合钴溶液在0～1.49 cmol/L浓度范围内时，使用三家公司所产试剂配置的溶液浓度与吸光度值都呈现较好的线性相关性，曲线线性相关系数均达到0.999以上，满足标准方法中质量控制所要求线性相关系数不得低于0.999。西亚试剂和阿拉丁试剂所配置的标准曲线斜率(0.559和0.560)略低于默克试剂所配置的标准曲线斜率(0.576)，根据标准方法中CEC值的计算公式(式1)，不难得出，以西亚试剂和阿拉丁试剂所产三氯化六铵合钴配置的标准曲线计算实际土壤样品CEC值的结果会稍高于以默克试剂所配置的标准曲线计算出的实际土壤样品CEC值。因此，实际样品分析过程中，对三氯化六铵合钴试剂的选择也应作为重要考虑因素。

表2 三氯化六铵合钴与吸光度的线性测量结果

3.2.2 温度的影响

将浸提温度分别控制为20 ℃、25 ℃、28 ℃，以编号为GBW07493(HTSB-1)、GBW07498(HTSB-6)和GBW07414a(ASA-3a)的3种有证标准物质为基础，探讨了温度对浸提效果的影响，结果如表3所示。

表3 不同温度(℃)下的CEC值测量结果

从表3结果可知，虽然随着温度的不断升高，GBW07493(HTSB-1)和GBW07498(HTSB-6)的CEC测定值均在其保证值的不确定范围内，但相对误差逐渐增大。而GBW07414a(ASA-3a)当温度为25 ℃和28 ℃时，其测定值已超出其保证值的不确定范围内，且温度偏离越高，相对误差越大。温度对浸提效果的影响有着较明显的影响，为保证分析结果的准确性和重复性，浸提实验应严格控制温度。

3.2.3 振荡方式的影响

在(20±2)℃下，选用HY-5A数显调速多用振荡器和EYEL4分液漏斗振荡器，振荡频率180次/min，振荡1 h，对编号为GBW07493(HTSB-1)、GBW07498(HTSB-6)和GBW07414a(ASA-3a)的3种有证标准物质进行浸提，测定CEC值，探讨不同振荡方式对浸提效果的影响，结果如表4所示。

表4 不同振荡方式下的CEC值测量结果

如表4所见，使用HY-5A数显调速多用振荡器进行振荡浸提时，3种有证标准物质的CEC测定值均在其保证值的不确定范围内。离心管水平放置且不漏液的情况下，土壤样品与三氯化六铵合钴溶液接触更充分，浸提更完全，3种有证标准物质CEC测定值的相对误差相对小于离心管垂直放置时的相对误差。而使用EYEL4分液漏斗振荡器因振荡频率不高，土壤浸提液混合物较难成悬浮状，3种有证标准物质CEC测定值均在不同程度上偏离其保证值。

4 结论

(1)对比三氯化六铵合钴-浸提分光光度法和乙酸钙交换法对石灰性土壤中的阳离子交换量的测定，两种方法在标准曲线线性相关性、精密度、准确度等方面均能满足阳离子交换量的测定要求和质控要求。但三氯化六铵合钴浸提法比乙酸钙交换法分析过程更简捷，准确度更高，能有效提高工作效率和分析质量，适用于大批量土壤样品的分析测试。

(2)不同产家所产三氯化六铵合钴绘制出的标准曲线存在差异，是实验所需考虑的重要影响因素之一。三氯化六铵合钴浸提法的浸提温度以20 ℃最佳，温度越高、对有证标准物质分析产生的相对误差越大。不同振荡方式对浸提效果的影响较大，在保证离心管不漏液的前提下，离心管水平放置时振荡更充分，土壤样品能与三氯化六铵合钴浸提液更有效的接触，浸提效果更好，对有证标准物质的分析准确度更高。