磁力攪拌法改進土壤陽離子交換量測定的研究*

陳 勇，鄒獻中，盧 瑛?，黃偉濠，賈重建，李 博，陳麗君，陽 洋

磁力攪拌法改進土壤陽離子交換量測定的研究*

陳 勇1，2，鄒獻中2，盧 瑛1?，黃偉濠1，賈重建1，李 博1，陳麗君2，陽 洋1

（1. 華南農業大學資源環境學院，廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣州 510642；2. 廣東省農業科學院農業資源與環境研究所，農業農村部南方植物營養與肥料重點實驗室，廣東省農業資源循環利用與耕地保育重點實驗室，廣州 510640）

針對傳統土壤陽離子交換量測定方法中的玻璃棒攪拌所存在的分析效率低的問題，開展了運用磁力攪拌替代玻璃棒攪拌的探索性研究。通過平行性實驗、條件實驗、實驗室間對比和不同黏粒含量土壤的CEC測定結果檢驗，分析了磁力攪拌法的精準度、可操作性、穩定性和適用性。結果表明，磁力攪拌法測定土壤CEC的準確度、精密度均不低于甚至高于玻璃棒攪拌方法，土壤CEC測定值與土壤標準物質認定值吻合。當攪拌時間在1 min、攪拌速度850 r·min–1以上時，延長攪拌時間和提高攪拌速度對分析結果無影響。不同實驗室間測定結果相關性好、沒有顯著性差異。相比傳統的玻璃攪拌法，磁力攪拌法具有操作簡單、高效，測定結果穩定性好、精準度高等優點，非常適用于大批量土壤CEC的測定。

土壤陽離子交換量；磁力攪拌；攪拌條件；精準度；黏質土壤

土壤陽離子交換量（CEC）是度量土壤所帶負電荷的容量指標，可反映土壤保肥性、緩沖性能和環境容量，是表征土壤肥力質量和環境質量的重要指標之一[1-2]，在耕地質量調查與評價和土壤污染調查中是必測項目。因此，準確、快速高效地測定土壤陽離子交換量是非常重要的。

此外，針對國家行業標準[3，5-6]中，沒有提及測定土壤CEC過程中的攪拌速度、攪拌時間和上述方法在處理冗余銨離子中的不足，本研究對土壤陽離子吸附交換攪拌操作方法進行了改進，采用磁力攪拌器加攪拌子的方式替換現行的行業標準中玻璃棒攪拌，分別研究了攪拌速度、攪拌時間和黏粒含量對土壤CEC測定結果的影響，并展開了不同實驗室對比驗證實驗，籍以提出一種高效、精準的土壤CEC測定方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取4個土壤有效態成分分析標準物質GBW07412、GBW07416a、GBW07417、GBW07458和8個黏粒含量不同的土壤，供試土壤基本情況如表1。

1.2 儀器材料

凱氏定氮儀（Foss Kjeltec 8200）；數字滴定器（普蘭德 BRAND Titrette-25 mL）；磁力攪拌器（JOANLAB SH-4C型）；100 mL離心管；托盤天平；天平（精確至0.0001g）；離心機（嘉文JW-1032低速離心機）；梭形攪拌子（2 cm）；100 mL燒杯（內鑲海綿）；磁鐵；消化管；250 mL三角瓶。

1.3 試劑溶液

所用試劑參考NY/T 295-1995[6]。

1.4 操作步驟

陽離子交換過程：稱取過0.25 mm篩的風干土壤2.00 g于100 mL塑料離心管中，同時放入2 cm長梭形磁力攪拌子。往離心管中加入約30 mL 1.0 mol·L–1乙酸銨溶液，將離心管放入內鑲硬海綿的100 mL高腳燒杯中固定，再將燒杯放置于磁力攪拌器上（圖1），以轉速950 r·min–1（調節轉速使離心管內液面形成大約1 cm深漩渦，轉速大小適中，不宜太大，以防溶液濺出），進行攪拌1 min。取出離心管放置托盤天平平衡之后放入離心機中，轉速為4 000 r·min–1，離心5 min。離心后上清液倒入200 mL容量瓶（用于測定交換性鹽基離子）。再加入30 mL乙酸銨，重復上述操作步驟3次，對于質地黏重土壤則需在重復交換前用強性磁鐵松動攪拌子，手拿離心管在磁力攪拌器上成45°角慢慢旋轉分散，使粘附在離心管上的土壤完全攪散成泥漿狀。取最后一次的上清液5 mL，加入pH=10緩沖溶液1 mL，再加少許K-B指示劑，如呈藍色，表示無鈣離子；如呈紫紅色，表示有鈣離子，需繼續重復上述攪拌離心步驟，直至上清液無鈣離子為止。

表1 供試土壤的顆粒組成和質地類別

圖1 磁力攪拌法實驗裝置圖

95%乙醇清洗過程：沿著離心管內壁加入約40 mL 95%乙醇，清洗內壁上銨離子，放在磁力攪拌器上攪拌分散1 min，取出離心，棄去酒精溶液。如此反復用酒精清洗3～5次，直至乙醇溶液中無銨離子為止（用納氏試劑檢驗）。徹底清除冗余銨離子，對獲得準確的分析結果非常關鍵。對于質地黏重土壤需充分分散，切不可有小土團存在，否則會使測定結果偏高。

1.5 數據處理

使用Excel 2010、Origin2018進行數據處理和圖表制作，采用SPSS19.0軟件對實驗室間測定數據進行配對樣本檢驗。

2 結果與討論

2.1 磁力攪拌法的準確度

鑒于準確度對于測定方法的重要性，運用磁力攪拌法處理4種土壤有效態成分分析標準物質，測定CEC的同時，也對交換性鈣、鎂離子進行測定，每種標準物質進行了5次平行實驗，測定結果和相對標準偏差（RSD%）分別列于表2、表3和表4。

測定結果顯示，磁力攪拌法對4種土壤有效態成分分析標準物質的CEC和交換性鈣、鎂測定結果均與認定值吻合，RSD<5%，表明磁力攪拌法使土壤中的交換性陽離子被充分交換出來，而且不損失，準確度與精密度均佳。

表2 磁力攪拌法測定CEC的準確度

表3 磁力攪拌法測定交換性鈣的準確度

表4 磁力攪拌法測定交換性鎂的準確度

2.2 攪拌時間對測定結果的影響

使用磁力攪拌法，攪拌時間是非常重要的，時間不夠，可能導致離子交換不徹底；時間過長，會導致測定效率的不必要降低。分別選擇了4種土壤有效態成分分析標準物質，設定了1 min、3 min、5 min三個攪拌時間處理，各3次重復，以了解攪拌時間對測定結果的影響。

圖2結果表明，攪拌1 min、3 min和5 min，CEC結果均在認定值范圍內，當攪拌時間在1 min以上時，延長攪拌時間并不會導致測定結果的偏離，這表明磁力攪拌法應用于質地黏重的土壤時，即使延長攪拌分散時間，對結果也無影響。

圖2 不同攪拌時間對CEC測定結果的影響

2.3 攪拌速度對測定結果的影響

鑒于磁力攪拌法涉及攪拌速度的問題，而攪拌速度可能間接影響陽離子交換強度，因此針對攪拌速度進行相關對比實驗。由于對不同黏粒含量的土壤，設定相同的轉速也可能會導致攪拌子的實際轉速不一致，因此在本研究中以液面邊緣與中心的液面差值作為攪拌速度的判斷依據。預備試驗結果顯示，當攪拌土壤產生0.5～1.5 cm液面差時，對應的攪拌速度在850～1050 r·min–1之間，故分別設置了攪拌速度為850 r·min–1、950 r·min–1和1050 r·min–1的3次重復實驗，明確攪拌速度對CEC測定結果的影響。

圖3結果顯示，只要磁力攪拌出現液面差，即只要在攪拌時有一定的攪拌漩渦存在，CEC測定值均在標準物質認定值范圍之內，間接證明攪拌強度增加或減少對CEC測定結果沒有明顯的影響。國家行業標準中的玻璃棒攪拌法也從某種程度上證明，不同人攪拌強度可能有所不同，但對結果無實際影響。

2.4 黏粒含量對測定結果的影響

土壤黏粒含量與黏附力呈正相關性，質地黏重土壤較砂壤土黏附力大幾倍甚至幾十倍[12]，黏粒不僅能吸附陽離子，而且由于黏粒膠結和粘附會影響CEC的精密度。針對上述情況，以不同黏粒含量土壤為對象，進行了評價磁力攪拌法與玻璃棒攪拌法精密度的對比試驗。

圖3 不同攪拌轉速對CEC測定結果的影響

圖4 兩種攪拌方法測定的不同黏粒含量土壤CEC值與RSD比較

圖4結果表明，除黏粒含量為82.6%的土壤外，磁力攪拌法測定土壤CEC結果RSD值均<5%。對于玻璃棒攪拌法，只有黏粒含量<43.4%的土壤RSD<5%，而黏粒含量>43.4%的土壤RSD>5%，且測定結果不穩定，說明玻璃棒攪拌法處理黏粒含量高的土壤時，CEC的測定結果精密度不如磁力攪拌法。圖4結果同時顯示，相比磁力攪拌法，玻璃攪拌法CEC測定結果和RSD均普遍偏高。相同測定條件下，玻璃攪拌法RSD變幅范圍為1.40%～14.3%，而磁力攪拌法為0.81%～5.66%，特別當土壤黏粒含量>43.4%時，兩者的RSD值差異更為明顯。這表明相比磁力攪拌法，玻璃攪拌法精密度偏低，因為土壤黏粒含量越高，土壤的黏附力越大[12]，土壤容易膠結，使得玻璃棒攪拌分散土壤困難，導致溶液中冗余銨離子不易被95%乙醇洗凈，從而引起測定結果偏高。磁力攪拌法CEC測定結果RSD值相對較小，精密度高，主要因為攪拌均勻且高效、快速地分散離心后土壤，使乙醇能充分洗凈土壤溶液中冗余的銨離子，結果精準。

2.5 兩種攪拌法分析效率對比

玻璃攪拌法在處理土壤樣品后，需清洗干凈玻璃棒，才能離心，對于黏質土壤，清洗難度增加，需要時間多，而且容易導致土壤顆粒損失。磁力攪拌法省去了清洗步驟，溶液平衡后，攪拌子可以留在離心管中進行離心，而且一個分析人員可以同時操作多臺磁力攪拌器，或者采用多通道磁力攪拌器，省時省工。相同土壤樣品數量采用兩種不同攪拌法，磁力攪拌法至少能節省50%時間。因此，磁力攪拌法分析效率明顯高于玻璃攪拌法，適合大批量土壤樣品分析。

2.6 不同實驗室測定結果對比

土壤陽離子交換量的測定屬于常規測定項目，進行實驗室間測定結果比較是必要的。不同實驗室間對同一批樣品均采用磁力攪拌法測定CEC的結果表明（表5），實驗室間測定結果絕對偏差小，符合國家行業標準允許絕對偏差范圍[3]。采用SPSS19.0軟件對數據進行配對樣本t檢驗的顯著性分析，不同實驗室間測定結果的相關性極顯著（= 0.993，<0.0001），相同土壤樣品測定結果沒有顯著性差異（>0.05），這表明磁力攪拌法具有穩定性好和可移植性強的特點。

表5 實驗室間磁力攪拌法CEC測定值比較

3 結 論

磁力攪拌法用于土壤CEC測定，結果的準確度高，土壤CEC測定值與土壤標準物質認定值吻合度高，相對標準偏差RSD<5%。攪拌時間為1 min和攪拌速度呈現液面差（即轉速為850 r·min–1）能滿足實驗要求，攪拌時間和轉速的增加對分析結果無顯著影響。相比傳統的玻璃攪拌法，磁力攪拌法具有操作簡單、減少人為操作誤差等優點，能高效分散質地黏重的土壤，分析結果的精密度高和穩定性好，是一種高效快速測定土壤CEC的方法，適合大批量土壤測定。

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Study on Improving Soil CEC Determination by Magnetic Stirring Method

CHEN Yong1, 2, ZOU Xianzhong2, LU Ying1?, HUANG Weihao1, JIA Chongjian1, LI Bo1, CHEN Lijun2, YANG Yang1

(1. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Land Use and Consolidation, Guangzhou 510642, China; 2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation; Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China)

In order to resolve the problem of low efficiency of the measurement of soil cation exchangeable capacity (CEC) with the traditional glass rod stirring method, an experiment was designed to stir suspensions with a magnetic stirrer instead of glass rod. Parallel tests different in controlled condition were carried out in different labs to determine CEC of soils different in clay content with the magnetic stirring method for comparison between the tests in accuracy, operability, stability and applicability of the measurements with the method.Results show that the magnetic stirring method was not lower or even magnetic stirring method higher than the glass rod stirring method in accuracy and precision of the CEC measurement. What was obtained with the former was highly in consistency with the values of the certified reference materials. When stirring of the suspension went on over 1 min at no less than 850 r·min-1, duration and speed of the stirring did not have much effect on soil CEC determination, and neither the labs where the tests were conducted. No significant difference was found between labs in CEC measurement. Compared with the traditional glass rod stirring method, the magnetic stirring method has such merits as simple in operation and high in efficiency, stability and precision, when used to measure soil CEC, and is highly suitable for use to determine soil CEC of large batches of soil samples.

Soil cation exchange capacity; Magnetic stirring; Stirring condition; Accuracy; Clayey soil

S151.9+3

A

10.11766/trxb201901140585

陳勇，鄒獻中，盧瑛，黃偉濠，賈重建，李博，陳麗君，陽洋.磁力攪拌法改進土壤陽離子交換量測定的研究[J].土壤學報，2020，57（2）：508–514.

CHEN Yong，ZOU Xianzhong，LU Ying，HUANG Weihao，JIA Chongjian，LI Bo，CHEN Lijun，YANG Yang.Study on Improving Soil CEC Determination by Magnetic Stirring Method[J].Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：508–514.

* 國家科技基礎性工作專項重點項目（2014FY110200）、國家自然科學基金項目（41877008）和廣東省自然科學基金項目（2015A030313567）資助Supported by the Special Project of National Science and Technology Basic Research（No. 2014FY110200），the National Natural Sciences Foundation of China（No. 41877008）and the Natural Science Foundation of Guangdong Province of China（No. 2015A030313567）.

，E-mail：luying@scau.edu.cn

陳 勇（1984—），男，廣東雷州市人，碩士研究生，主要從事土壤化學研究。Email：yongchen223@163.com

2019–01–14；

2019–05–21；

優先數字出版日期（www.cnki.net）：2019–06–10

（責任編輯：檀滿枝）