超聲浸提ICP-OES法同時(shí)測(cè)定土壤中交換性鈣、鎂和速效鉀

王榮慧， 白冬， 章路， 鞏佳第， 余程鳳， 孫玉梅， 段曉婷， 潘璐

(綠城農(nóng)科檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

一般土壤中交換性鹽基以Ca2+為主，Mg2+次之，K+較少，Na+可忽略不計(jì)。土壤中交換性Ca2+、Mg2+、K+含量直接影響著其鹽基飽和度，是評(píng)價(jià)土壤保肥供肥能力的一個(gè)重要指標(biāo)[1-4]。因此，明確土壤中交換性Ca2+、Mg2+、K+含量可為合理施肥、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)、改良土壤提供重要依據(jù)。

針對(duì)土壤中交換性Ca2+、Mg2+、K+含量的測(cè)定應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)方法是原子吸收光譜法[5]，但相較于電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)，原子吸收光譜法線性范圍較窄，只能進(jìn)行單元素測(cè)定，檢測(cè)效率低、人力成本高。ICP-OES的檢出限更低，具有準(zhǔn)確度和精密度更高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、化工等眾多領(lǐng)域[6]。

現(xiàn)已有大量關(guān)于ICP-OES測(cè)定土壤中交換性Ca2+、Mg2+、K+的報(bào)道，楊樂(lè)蘇[7]采用乙酸銨振蕩提取法，使用ICP-OES直接測(cè)定土壤中多種交換性陽(yáng)離子，獲得較好效果，土壤標(biāo)物中(GBW07416)交換性Ca2+、Mg2+、K+的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)誤差分別為-1.94%、6.61%和-2.50%。邢雁等[8]采用EDTA-乙酸銨浸提ICP-OES法直接測(cè)定土壤中的交換性鉀、鈉、鈣、鎂、錳，該方法的準(zhǔn)確度可滿足土壤樣品中交換性陽(yáng)離子的分析要求。裘希雅等[9]采用不同的振蕩提取方式，對(duì)土壤中交換性鈣鎂的提取效果進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明振蕩30 min的交換性鈣鎂數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。

盡管已有大量關(guān)于測(cè)定土壤中交換性Ca2+、Mg2+、K+的報(bào)道[10-13]，但針對(duì)超聲波提取法的研究較少。本研究旨在建立更簡(jiǎn)便的乙酸銨提取方式，結(jié)合ICP-OES同時(shí)檢測(cè)土壤中交換性Ca2+、Mg2+、K+含量，以期能應(yīng)用于合理施肥、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液及試劑

Ca、Mg、K單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 mg·L-1，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心)；土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(江西紅壤)GBW07416a(ASA-5a)，土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(湖北黃梅水稻土)GBW07415(ASA-4)，農(nóng)業(yè)土壤有效態(tài)成分分析參比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(廣州韶關(guān))NSA-6；乙酸銨(CH3COONH4，優(yōu)級(jí)純)；高純氬氣(純度99.999%以上)。

1.1.2 主要儀器和設(shè)備

2 mm篩孔尼龍篩；容量瓶；超純水制備裝置(Millipore，美國(guó))；KQ5200E超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司，中國(guó))；5100 ICP-OES(Agilent，美國(guó))。

1.2 方法

1.2.1 試劑配制

1 mol·L-1乙酸銨溶液(pH 7.0)。

標(biāo)準(zhǔn)溶液：用1 mol·L-1乙酸銨溶液將鈣、鎂、鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋，鈣、鎂配制濃度分別為0、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0、16.0、20.0 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，鉀標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制濃度分別為0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、20.0、30.0、50.0 mg·L-1。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取影響超聲浸提法的3個(gè)因素分別為樣品質(zhì)量(A)、浸提液體積(B)和超聲時(shí)間(C)，每個(gè)因素3個(gè)水平。1～3水平：A分別為0.5、1.0、2.0 g；B分別為10、25、50 mL；C分別為10、20、30 min。對(duì)2個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)選用正交表L9(34)安排試驗(yàn)，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各元素的標(biāo)準(zhǔn)值為指標(biāo)，尋求提取土壤中交換性鈣、交換性鎂與速效鉀的最優(yōu)方案。

1.2.3 ICP-OES儀器參數(shù)

本次研究使用的ICP-OES在檢測(cè)過(guò)程中的儀器參數(shù)為：射頻功率(RF)1.2 kW；霧化氣流量0.7 L·min-1；輔助氣流量1.0 L·min-1；等離子體氣體流量12.0 L·min-1；蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速12 r·min-1；Ca、Mg觀測(cè)方式為橫向；K觀測(cè)方式為縱向。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲浸提法最優(yōu)方案

2.1.1 NSA-6正交試驗(yàn)

對(duì)交換性鈣的提取影響最大的是浸提液體積，其次是樣品質(zhì)量，超聲時(shí)間影響最小，最優(yōu)提取條件為稱樣量0.5 g、浸提液體積50 mL、超聲30 min，即A1B3C3(表1)。影響交換性鎂提取因素的主次關(guān)系為B>A>C，其中最優(yōu)條件為A1B3C3，即稱樣量為0.5 g、浸提液體積50 mL、超聲30 min。速效鉀影響因素的主次關(guān)系、最優(yōu)條件均與交換性鈣、鎂一致。

表1 NSA-6正交試驗(yàn)處理組合對(duì)交換性鈣、鎂與速效鉀的影響

NSA-6交換性鈣標(biāo)準(zhǔn)值為(13±2)cmol·kg-1，交換性鎂標(biāo)準(zhǔn)值為(0.85±0.11)cmol·kg-1，速效鉀標(biāo)準(zhǔn)值為(178±15)mg·kg-1。試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各待測(cè)元素的最優(yōu)水平結(jié)果均在參考值的不確定范圍內(nèi)。

2.1.2 ASA-4正交試驗(yàn)

ASA-4交換性鈣標(biāo)準(zhǔn)值為(13.1±2.2)cmol·kg-1，交換性鎂標(biāo)準(zhǔn)值為(2.76±0.19)cmol·kg-1，速效鉀標(biāo)準(zhǔn)值為(171±16)mg·kg-1。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ASA-4進(jìn)行正交試驗(yàn)得出，樣品質(zhì)量對(duì)交換性鈣影響最大，超聲時(shí)間影響最小，其中均值A(chǔ)1為12.07 cmol·kg-1，均值B2為12.17 cmol·kg-1，均值C3為12.00 cmol·kg-1，為最優(yōu)結(jié)果，因此，最優(yōu)條件為A1B3C3，即稱樣量為0.5 g、浸提液體積50 mL、超聲30 min；速效鉀正交試驗(yàn)所得最優(yōu)條件與交換性鈣一致，其中均值A(chǔ)1為160.87 mg·kg-1，均值B2為156.67 mg·kg-1，均值C3為161.70 mg·kg-1，均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)范圍內(nèi)；交換性鎂均值范圍是2.73～2.84 cmol·kg-1，全部在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定范圍內(nèi)(表2)。綜合2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各元素的正交試驗(yàn)結(jié)果得出，超聲浸提法的最優(yōu)方案為稱樣量0.5 g、浸提液體積50 mL、超聲30 min。

表2 ASA-4正交試驗(yàn)處理組合對(duì)交換性鈣、鎂與速效鉀的影響

2.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證

選取土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ASA-5a、ASA-4與NSA-6作為質(zhì)控樣品，按照最優(yōu)方案樣品質(zhì)量0.5 g、浸提液體積50 mL、超聲30 min進(jìn)行試驗(yàn)，以此驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。所測(cè)元素的檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考值相符，建立的方法準(zhǔn)確可靠(表3)。

表3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的檢測(cè)

2.3 方法學(xué)驗(yàn)證

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

在最優(yōu)儀器工作條件下測(cè)定鈣、鎂、鉀元素的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，得到各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。所測(cè)元素線性回歸方程相關(guān)系數(shù)均>0.999，可知線性關(guān)系良好(表4)。檢出限計(jì)算公式：LOD=3s，式中s為11次測(cè)得空白值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、相關(guān)系數(shù)以及檢出限

2.3.2 精密度與準(zhǔn)確度

采用選定的處理方法對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)同一樣品分別連續(xù)測(cè)定6次；各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)3次平行試驗(yàn)取平均值，與各元素參考值的中位值作比較，檢驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度。各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)待測(cè)元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均<5%，其中各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)交換性鈣的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為0.21%～0.34%，交換性鎂為0.13%～0.28%，速效鉀為1.12%～1.26%。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NSA-6所測(cè)定的速效鉀相對(duì)相差最大，為6.09%；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ASA-4所測(cè)定的交換性鎂的相對(duì)相差最大，為4.64%；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ASA-5a所測(cè)定的交換性鈣的相對(duì)相差最大，為7.09%；各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)待測(cè)元素的相對(duì)相差值均<10%。方法的準(zhǔn)確度與精密度均滿足檢測(cè)要求(表5、表6)。

表5 方法精密度檢驗(yàn)(n=6)結(jié)果

表6 方法準(zhǔn)確度檢驗(yàn)(n=3)結(jié)果

2.4 方法應(yīng)用

對(duì)富陽(yáng)市與文成縣兩地共16份土壤樣品按選定的方法進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)按照國(guó)標(biāo)法試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比(表7)。國(guó)標(biāo)法下16份土壤樣品交換性鈣的含量是0.5～12.0 cmol·kg-1，交換性鎂含量是0.1～0.9 cmol·kg-1，速效鉀含量是32～373 mg·kg-1。與國(guó)標(biāo)法相比，超聲法相對(duì)誤差分別為0～4.54%、0～4.54%和0.17%～3.48%，均<5%。

表7 2種方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 小結(jié)

本文建立了超聲法結(jié)合電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)同步測(cè)定交換性鈣、鎂與速效鉀的分析方法。與傳統(tǒng)的振蕩提取與原子吸收光譜法相比，本方法具有操作簡(jiǎn)便快捷、節(jié)時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)大批量樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，效率顯著提高，節(jié)省人力成本，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，適用于土壤中交換性鈣、鎂與速效鉀分析檢測(cè)。