宋娟娟,于聪灵*,韩雪,孙连伟,李龙飞,宋凡

(1.河北省地质实验测试中心,河北 保定 071051;2 河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室,河北 保定 071051)

钙对植物体胞间层的形成和稳定性具有重要意义,缺钙会使细胞分裂不能正常进行。同时,钙能中和作物体内代谢产生的有机酸,调节细胞pH值。钙也是一些重要酶类的激活剂,缺钙会引起许多营养失调症。镁是植物体内多种重要成分的组成元素。缺镁时,叶片褪绿,光合能力降低。交换态钙和镁是吸附于土壤胶体表面的钙离子和镁离子,是作物可以利用的钙和镁。被土壤胶体吸附的交换性钙镁的绝对量和离子饱和度是影响交换性钙镁离子有效度的重要因素。因此,测定土壤交换性钙镁含量,并分析其离子饱和度对研究合理施肥、提高作物产量和品质具有重要意义[1-5]。

石灰性土壤中的钙和镁除了以水溶盐形态存在外,还有一部分被土壤胶体吸附,同时还有大量的游离碳酸钙、碳酸镁等难溶盐。抑制碳酸盐的溶解是石灰性土交换性钙镁组成测定的关键。研究表明,较低浓度的氯化铵交换液可以减低盐效应作用,较高的pH值和较高的乙醇浓度可抑制难溶碳酸盐及石膏的溶解[6]。现有的方法大多都是先采用乙醇溶液(70%)洗盐,然后以pH值为8.5的氯化铵(0.1 mol/L)-乙醇溶液(70%)为交换剂,来制备交换液,操作上的主要区别在于土壤样品与溶液混匀的方式不同。中华人民共和国农业行业标准:石灰性土壤交换性盐基及盐基总量的测定NY/T 1615—2008中,先以过滤、淋洗的方法用乙醇溶液洗去土壤中易溶的氯化物和硫酸盐,然后以过滤、淋洗的方法用氯化铵-乙醇为交换剂,交换出土壤胶体上吸附的钙、镁[7]。元艳等先以摇匀、离心的方法用乙醇溶液洗盐,然后以摇匀、离心的方法制备交换浸提液[8]。红梅等采用玻璃棒搅拌、离心的方法洗去土壤中的易溶盐,并用玻璃棒搅拌、离心的方法制备交换浸提液[9]。这些将土壤样品与溶液混匀的方式不仅耗时长,而且容易出现混匀困难等问题,致使交换不完全,结果精密度不好的情况。

本实验在借鉴前人研究的基础上,用手持电动搅拌器将土壤样品与溶液混匀,代替了传统的混匀方式,改善了混匀效果,提高了工作效率。实验中计算了方法检出限,通过检测国家标准物质计算了精密度和准确度。再通过实际样品对方法进行验证,并通过计算交换性钙、镁的离子饱和度,分析了土壤中钙、镁离子的交换性钙镁离子有效度问题。

1 实验部分

1.1 主要仪器

往复式振荡器:振荡频率满足150～180 r/min;手持电动搅拌器;离心机;原子吸收分光光度计,工作条件见表1。

表1 原子吸收分光光度计工作条件

1.2 主要试剂

钙、镁单元素标准储备液(国家有色金属及电子材料分析测试中心):10.00 mg/mL;钙、镁混合标准溶液[ρ(Ca)=500 μg/mL,ρ(Mg)=100 μg/mL]:分取5 mL钙标准储备液、1 mL镁标准储备液于100 mL容量瓶中,用水定容至刻度,摇匀。氯化铵(优级纯,科密欧试剂);无水乙醇(分析纯,富宇试剂);70%乙醇溶液:无水乙醇和蒸馏水按体积比1∶3混合,摇匀。0.1 mol/L氯化铵-乙醇溶液(pH值8.5):5.35 g氯化铵用乙醇70%溶液溶解,稀释至近1 L。如pH值不在8.5,则用1∶1氨水或稀乙酸调节至pH值8.5,然后稀释至1 L。氯化锶(分析纯,国药试剂)。盐酸(优级纯,西陇试剂)。

实验用水为电阻率大于18 MΩ·cm的蒸馏水。

1.3 标准物质

实验用土壤有效态成分分析标准物质ASA15、ASA16、ASA17、ASA19、ASA20进行试验,pH值为8.12～8.59,碳酸钙含量为57～138 g/kg。均由农业农村部环境质量监督检验测试中心(天津)、津标(天津)计量检测有限公司研制,见表2。

表2 土壤有效态成分分析标准物质

1.4 实验方法

1.4.1 工作曲线的配制

分别吸取一定量的钙、镁混合标准溶液,置于一组50 mL容量瓶中,加入3 mL氯化锶释放剂,以消除干扰元素的干扰,加入5 mL(1+1)的盐酸,用氯化铵-乙醇溶液定容至刻度,以消除基体效应,摇匀,配制标准溶液系列,如表3所示。

表3 钙、镁混合标准溶液系列

1.4.2 样品的处理

准确称取通过2 mm孔径筛的风干样5.00 g,放入120 mL离心管中,加入50 mL乙醇溶液(70%),以150～180 r/min的振荡频率振荡30 min后,静置过夜。

离心,弃去上清液,加入50 mL 70%的乙醇溶液,用手持电动搅拌器搅拌土样,使成均匀的泥汤状态,离心,重复数次,直至无氯离子和硫酸根离子反应为止(将1 mL上清液倒入小试管中,加硝酸银溶液数滴,如无白色沉淀产生,表示氯离子已洗净。再取少量清液倒入小试管中,加一滴(1+1)的盐酸溶液,和几滴氯化钡溶液,摇匀,5 min后观察,如无浑浊出现,表示已将硫酸根离子洗净)。

继续向离心管中加入50 mL氯化铵-乙醇交换液,用手持电动搅拌器搅拌土样,使成均匀的泥汤状态,震荡30 min,对称放入离心机中,离心,离心液倒入250 mL容量瓶中。用交换液继续淋洗,方法同上,直至定容刻度,摇匀待测。同时做空白试验。

分取20 mL浸提液于50 mL容量瓶中,加入1.5 mL氯化锶(60 g/L),加入5 mL(1+1)的盐酸,用氯化铵-乙醇溶液定容至刻度,摇匀。

1.4.3 样品的测定

以氯化铵-乙醇交换液校正仪器零点,在原子吸收分光光度计上测定钙、镁。以浓度为横坐标,吸光度为纵坐标,分别绘制钙、镁的标准工作曲线。

2 结果与讨论

2.1 70%乙醇浸泡时间的探讨

准确称取通过2 mm筛孔的风干样5.00 g,放入120 mL离心管中,加入50 mL 70%的乙醇溶液,以150～180 r/min的振荡频率振荡30 min后,静置。以标准物质ASA19为例,对比了不同浸泡时间对交换性钙镁的结果影响。结果表明,静置15 h,对交换性钙和交换性镁的测定结果均比较好,将静置时间延长至30和60 h对测定结果并没有明显的影响,结果见表4。因此,实验将浸泡时间定为过夜15 h。

表4 乙醇浸泡时间的探讨 单位:mmol·kg-1

2.2 搅拌状态探讨

搅拌时,要注重搅拌状态,一定要搅成泥汤状态,不可有泥块存在,否则会使交换不完全,测定结果精密度和准确度不高。

2.3 交换时间的探讨

将所有的样品搅成泥汤状态后,进一步搅拌若干时间,探讨交换时间对测定结果的影响,结果见表5。由表5可以看出,将样品搅拌成泥汤状态之后,继续延长搅拌时间至5和10 min时,测定结果与0 min没有明显差别。因此,实验将所有以样品搅拌成泥汤状态、没有泥块存在的状态为搅拌结束的终点。

表5 交换时间的探讨 单位:mmol·kg-1

2.4 方法检出限、测定下限测试数据

按照实验方法测定标准系列工作液,得到各元素校准曲线的相关系数均不小于0.995。对空白样品进行7次平行测定。计算7次平行测定的标准偏差s,按公式MDL=3.143s计算方法检出限。以4倍检出限作为测定下限。得出交换性钙的检出限为0.06 mmol/kg,测定下限为0.24 mmol/kg;交换性镁的检出限为0.12 mmol/kg,测定下限为0.48 mmol/kg,结果见表6。

表6 目标物的标准偏差、检出限、测定下限和相关系数(R2)

2.5 方法精密度、准确度测试数据

按照选定的实验条件,选取土壤有效态成分分析标准物质ASA15、ASA16、ASA17、ASA19、ASA20分别平行测定7次,各成分测定值与认定值基本吻合,相对误差(Re)不大于4.98%,相对标准偏差(RSD)不大于3.79%,结果见表7。

表7 方法精密度、准确度测试数据

3 实际样品分析

3.1 实际样品检测

取两个石灰性耕地土壤样品1和样品2,两个样品的pH值分别为8.41和8.08,碳酸钙含量分别为70和200 g/kg。按照实验方法分别对两个样品的交换性钙镁进行7次平行测定,测定结果的相对相差均符合NY/T 1615—2008的规定。7次测定结果的平均值见表8。

表8 实际土壤样品中各项目的测定结果

3.2 有效度讨论

交换性阳离子的有效度不仅与该离子在土壤中的绝对量有关,更决定于该离子占交换性阳离子总量的比例,即离子饱和度。离子饱和度越高,有效度越大。

3.2.1 阳离子交换量的测定

应用NY 1121.5—2006石灰性土壤阳离子交换量的测定方法[10],用0.25 mol/L或1 mol/L盐酸破坏碳酸盐,再以0.05 mol/L盐酸处理试样,使交换性盐基完全自土壤中被置换,形成氢饱和土壤,用乙醇洗净多余盐酸,加入1 mol/L乙酸钙溶液,使Ca2+再交换出H+。所生成的乙酸用氢氧化钠标准溶液滴定,计算土壤阳离子交换量,样品1的阳离子交换量为150.6 mmol/kg,样品2的阳离子交换量为161.1 mmol/kg,结果见表8。

3.2.2 生物有效性分析

通过计算钙镁离子占交换性阳离子总量的比例,得出样品中交换性钙镁离子的饱和度。由表8可知,样品1交换性钙的饱和度为64.7%,样品2交换性钙的饱和度为46.6%,样品1交换性钙的有效度大;样品1交换性镁的饱和度为7.43%,样品2交换性镁的饱和度为15.8%,样品2的交换性镁有效度大。若种植同一作物于土壤样品1和样品2,样品2更需要施钙肥,样品1更需要施镁肥。

4 结论

在石灰性耕地土壤中交换性钙和交换性镁的测定工作中,本方法利用手持电动搅拌器使土壤样品与交换液交换,代替了传统的交换方式,改善了交换效果,提高了工作效率,其准确度和精密度均能够满足NY/T 1615—2008中交换性钙镁的测定工作需要。通过两个实际石灰性耕地土壤样品验证了方法的适用性,同时对交换性钙镁离子的饱和度进行计算,对样品土壤中钙镁离子的离子有效度问题进行了分析,对合理施肥进行了指导。