三氯化六氨合钴浸提–分光光度法测定土壤中阳离子交换量

2022-04-25岳中慧岳启建龙寿坤周俊骅范鹏飞桂婷婷

化学分析计量 2022年4期

岳中慧，岳启建，龙寿坤，周俊骅，范鹏飞，桂婷婷

（1.核工业二三0 研究所分析测试中心，长沙 410000； 2.涟水县疾病预防控制中心，江苏淮安 223400）

阳离子交换量（CEC）是土壤保肥性和“生理平衡”的重要指标，影响作物对肥料的需求［1–2］。土壤阳离子交换量在土壤生态系统物质循环﹑能量流动﹑土壤质量及生产的维持和保育以及土地资源持续利用方面具有重要作用［3］。在国家土壤环境质量加密调查和地方农用地土壤保肥能力调查等项目中，土壤阳离子交换量都是必测指标，其特点是样品量大，要求测定速度快（3 个月需完成约1 万多个土壤样品检测）。因此建立简单﹑快速﹑经济有效的实验方法相当重要。

测定阳离子交换量的方法很多，比较常用的有NY/T 295–1995 《中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定》和LY/T 1243–1999 《森林土壤阳离子交换量的测定》的乙酸铵交换法，这也是如今大多实验室的主流方法。有些分析工作者在乙酸铵交换过程中，用酒精淋洗去除多余的乙酸铵以及最后蒸馏出氨气进行滴定的实验过程中或多或少的用改良方法提高了实验效率以及准确度，例如旋转混合–气相分子吸收光谱法［4］﹑振荡抽滤–pH 计指示电位滴定法快速测定法［5］﹑振荡交换—蒸馏滴定法［6］﹑乙酸铵交换–全自动凯氏定氮法［7–8］等。其它方法还有用亚甲基蓝法［9］﹑重铬酸钾–氯化钾法［10］﹑氯化钡交换–电感耦合等离子体发射光谱法［11–12］，国外还研究了可见–近红外光谱–便携式X 射线荧光和X 射线衍射技术预测土壤中阳离子交换量［13–14］，但实验步骤普遍比较繁琐，有的实验仪器设备价格高。

三氯化六氨合钴交换的方法改变了以往乙酸铵交换的原理，改用三氯化六氨合钴作为浸提液浸提土壤，分光光度法进行测定。相比乙酸铵交换法，样品测定结果受浸提pH 环境影响［15］。但三氯化六氨合钴浸提法过程更加简便快速，所用试剂单一，所用仪器也更加简单［16］。笔者对三氯化六氨合钴测定土壤阳离子交换量的方法和流程进行了优化，可以测定各类土壤阳离子交换含量，实验方法更加快速﹑稳定可靠。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

紫外可见分光光度计：721 型，上海菁华科技仪器有限公司。

酸度计：PHS–3CpH 型，长沙市精科仪器设备有限公司。

台式高速离心机：TG16–WS 型，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

双层恒温摇床：ZWY–2102 型，常州金坛良友仪器有限公司。

电子天平：JA502 型，上海浦春计量仪器有限公司。

三氯化六氨合钴［Co(NH3)6］Cl3：优级纯，纯度（质量分数）为99.0%，梯希爱（上海）化成工业发展有限公司。

NaOH：分析纯，含量（质量分数）不小于96%，天津科密欧化学试剂有限公司。

土壤有效态成分分析标准物质：编号分别为GBW 07414a﹑GBW 07415a﹑GBW 07416a﹑GBW 07458，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制。

土壤有效态成分分析标准物质：编号分别为HTSB–1﹑HTSB–2﹑HTSB–5，国土资源部西安矿产资源监督检测中心。

三氯化六氨合钴溶液：16.67 mmol/L，准确称取4.458 g 三氯化六氨合钴溶于水中，定容至1 000 mL。

实验用水为去离子水。

1.2 实验方法

称取3.5 g 土壤样品于100 mL 离心管中，准确称取0.002 1～0.005 0 g NaOH 试剂加入到离心管中，加入50 mL 三氯化六氨合钴溶液，盖好盖子，在室温下进行震荡，适当调节震荡速度使土壤浸提液混合物在震荡过程中处于悬浮状态。震荡后离心提取上清液于比色管中，如果悬浮液有杂质，可以使用过滤的方法去除［17］。用10 mm 比色皿，在475 nm波长处，以水做参比，用分光光度法测定吸光度，计算阳离子交换量。若测定结果大于250 mmol/kg，则减少称样量重新测定。实验空白样品用水代替土壤，称取3.5 g 实验用水，按照与实验方法相同的步骤进行空白试样的制备。

1.3 实验原理与结果计算

土壤胶体中可交换的阳离子被一定浓度的三氯化六氨合钴溶液交换下来，用分光光度计直接比色，测定浸提前后溶液中六氨基合钴离子的浓度差值，从而可计算得出土壤有效态阳离子交换含量。

交换过程可用下式表示：

Wdm——土壤样品干物质的含量，%；

3——［Co(NH3)6］3+的电荷数；

m2——称取NaOH 样品的质量，g；

40——NaOH 的相对分子质量；

b——标准工作曲线斜率。

2 结果与讨论

2.1 土壤pH 的影响

2.1.1 pH 对实验结果的影响

对6 种不同的国家标准物质进行测定，若按照国标方法，GBW 07416a ﹑ GBW 07415a ﹑GBW07458 测定结果偏低。这是因为土壤pH 值越低，土壤中盐基离子的交换量就越低［18］。随着pH值增大，土壤胶体中可变负电荷量增加，CEC（阳离子交换量）测定顶结果增大。实验证明，浸提溶液的pH 对测定结果有影响，当溶液呈中性和碱性时，测定结果均在标准值范围内，当溶液pH 值大于8时，测定结果与标准值误差小。

表1 标准方法与改良后方法CEC 测定结果对比

2.1.2 土壤pH 值的确定

实验调取2020 年各地土壤pH 值结果，共8 126 个，其中pH 最小值为3.8。为了确定实验加入多少NaOH 可使酸性土壤变碱性，实验称取3.5 g pH 3.8 的酸性土壤，加入50 mL 三氯化六氨合钴溶液，每加入50 μL 1.8 mol/L 的NaOH 记录pH 值，结果如图1 所示。

图1 NaOH 加入量与pH 结果图

由图1可知，加入300 μL以上浓度为1.8 mol/L的NaOH 溶液pH 可达到9 以上，溶液呈碱性。因为加入NaOH 新引入了Na+，300 μL 1.8 mol/L 的NaOH 为0.54 mmol，0.54 mmol 的NaOH 换算成NaOH 的质量为0.002 1 g。因此，在称量完样品后加入超过0.002 1 g 的NaOH 即可保证溶液为碱性，但在计算最后结果时应减去加入NaOH 所带来的阳离子量。

2.2 称样质量的确定

表2 高含量样品减少称样量后结果对比

2020 年各地土壤阳离子交换量结果（共8 126个）均为乙酸铵法（LY/T 1243–1999 《森林土壤阳离子交换量的测定》）测定所得，8 126 个阳离子交换量最高448 mmol/kg，最低43 mmol/kg。其中有99 个样品结果超过250 mmol/kg，占总样品数的1.22%，可见高含量结果并不常见。因此笔者采用三氯化六氨合钴方法测定阳离子交换量，当取样量为3.5 g，结果超过250 mmol/kg 时应减少称样量进行复测，确保得到准确的实验结果。

2.3 标准工作曲线

分别移取三氯化六氨合钴标准溶液0.00﹑1.00﹑3.00﹑5.00﹑7.00﹑9.00 mL 于6 只10 mL 比色管中，加水稀释至标线，配制成三氯化六氨合钴浓度分别为0.000﹑1.66﹑4.98﹑8.30﹑11.6﹑14.9 mmol/L的系列标准工作溶液。在波长475 nm 处，以水为参比，分别测定其吸光度，以三氯化六氨合钴的浓度x（mmol/L）为横坐标，对应吸光度Y为纵坐标绘制标准曲线，计算得线性方程为Y=0.586 7x+0.008 8，线性相关系数r=0.999 8，线性范围为0～14.9 mmol/L。

2.4 方法检出限

依据HJ 168—2020 《分析方法标准制修订技术导则》，按照附录A.1.2 分光光度法进行方法检出限的测定：检出限MDL=0.01/b（b为回归直线斜率），MDL=0.01/0.058 67=1.7 mmol/L，当取样量为3.5 g，浸提液为50 mL 时，该方法检出限为8 mmol/kg，测定下限为32 mmol/kg。

2.5 精密度与准确度试验

实验选取7 个不同地区pH 不同CEC 含量不同的阳离子交换量土壤标准样品进行测定，测定结果如表3 所示。由表3 可知，测定结果的相对标准偏差为2.7%～4.9%（n=5），表明该方法精密度较高，满足分析要求。该方法测定结果均在标准样品不确定度范围内，说明该方法准确度较高。

表3 准确度与精密度试验结果

2.6 比对试验

2.6.1 测定结果对比

选取不同区域不同pH 值的土壤样品，分别按本方法与乙酸铵法LY/T 1243–1999 《森林土壤阳离子交换量的测定》进行测定，测定结果如表4所示。由表4 可知，两种方法测定结果的相对偏差在0.7%～2.6%之间。对2 种方法的测定结果进行t检验，计算得t=0.067，查表得当α=0.05 时，t0.05(10)=2.228，t＜t0.05(10)，表明两种方法的测定结果无显著性差异。

表4 比对试验结果

2.6.2 实验流程对比

笔者在操作步骤﹑所用试剂﹑安全性和时间效率4 个方面对三氯化六氨合钴分光光度法与乙酸铵交换法进行比较，三氯化六氨合钴法与乙酸铵方法实验流程对比见表5。由表5 可知，三氯化六氨合钴分光光度法实验步骤简单，操作者所用试剂单一，无刺激性气味；而乙酸铵法所用乙酸铵气味大，对实验人员不太友好，且较多试剂的配制需要更多实验前准备。其次，三氯化六氨合钴所用方法安全性高，无安全隐患，实验效率更高。