分光光度法測定石灰性土壤陽離子交換量的相關探討

龐春燕，蔡伊莎，夏 亮，陳 巧，林 波

(四川省南充生態環境監測中心站，四川 南充 637000)

1 引言

土壤是生態環境的重要組成部分，是國家經濟發展不可或缺的寶貴自然資源，加快土壤環境保護是推進生態文明建設的重要內容，開展土壤環境質量監測工作是土壤環境保護最根本的環節。2016年5月28日，《土壤污染防治行動計劃》[1](簡稱“土十條”)的頒布明確提出要深入開展土壤環境質量調查工作，建設土壤環境質量監測網絡，提升土壤環境信息化管理水平，掌握土壤環境質量狀況。2017年，《全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術規定》和《全國農用地土壤污染狀況詳查質量保證與質量控制工作方案》等針對土壤詳查分析測試技術和質量控制工作的系列文件印發，較大程度提升了我國土壤環境監測業務能力。2018年，生態環境部與農業農村部聯合印發了《國家土壤環境監測網農產品產地土壤環境監測工作方案(試行)》[2]，對我國農產品產地土壤環境監測工作進行了詳細部署，要求開展土壤與農產品協同監測，客觀評價農產品產地土壤環境狀況，并明確了土壤監測對象和監測指標，陽離子交換量就是監測指標之一。2019年，國家頒布《土壤污染防治法》[3]，要求生態環境部門制定監測規范，會同農業農村等多部門建立國家土壤監測網，每10年至少組織開展一次全國土壤污染狀況普查。

土壤是環境污染物遷移、轉換的重要場所，因土壤膠粒帶負電荷能與金屬離子作用，而使土壤具有吸附性。通常將土壤膠體所能吸附的各種陽離子的總量稱為土壤陽離子交換量(CEC)，以cmol+/kg表示。陽離子交換量的大小常被用于評價土壤保肥、供肥和緩沖能力，也是土壤改良及污染治理情況等的重要參考依據[4]。石灰性土壤又稱堿性土壤，鹽基高度飽和，呈中性至堿性反應，是土壤剖面中含有碳酸鈣或碳酸氫鈣等石灰性物質的土壤的總稱。乙酸銨交換法[5,6]常用于中性土壤、酸性土壤和森林土壤陽離子交換量的測定，氯化鋇-硫酸強迫交換法[7]等方法也可用于陽離子交換量的測定，石灰性土壤則常選用乙酸鈣交換法[8]測定，但這幾種方法適用范圍具有一定的局限性，且實驗過程繁雜，不確定度較大，致使分析準確度不高，分析效率偏低。2017年，我國環境保護部頒布了三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法(HJ 889-2017)[9]，此方法不僅適用于所有土壤中陽離子交換量的測定，且實驗步驟簡單，可操作性強。陳亞慧[10]、陳桂華[11]等對該方法從標準曲線線性相關性、檢出限、準確度、精密度等方面進行了方法驗證。王麗敏等[12]從有機質、pH值、浸提時間、離心時間、浸提液過濾等多種實驗要素考慮，對該方法進行了優化。本文以石灰性土壤為基礎，對三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法(HJ 889-2017)和乙酸鈣交換法(NY/T 1121.5-2006)兩種測定方法進行對比，并對三氯化六氨合鈷浸提法的相關浸提條件進行了相關探討。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

2.1.1 儀器

723S可見分光光度計，上海奧譜勒；EYEL4分液漏斗振蕩器，上海愛朗；HY-5A數顯調速多用振蕩器，常州普天；TDZ5-WS離心機，湖南湘儀；電子天平(十萬分之一)，梅特勒；PHSJ-6L型實驗室pH計，上海儀電科學；NJ101-0S電熱鼓風烘箱，南京萬能；100 mL圓底離心管；10 mL具塞比色管；尼龍篩；滴定管；稱量瓶；容量瓶；移液管等。

2.1.2 試劑

三氯化六氨合鈷(Co(NH3)6Cl3)：生產廠家分別為西亞試劑、阿拉丁、默克試劑，優級純(純度》99%)；乙酸鈣：天津市光復精細化工研究所，分析純；無水乙醇：天津市登峰化學試劑廠，分析純；氫氧化鈉：天津市化學試劑研究所有限公司，優級純；鹽酸：成都市科隆化學品有限公司，優級純；酚酞指示劑：天津市鼎盛鑫化工有限公司，分析純；pH緩沖溶液：上海儀電科學儀器股份有限公司；實驗室用水為去離子水。

黃土土壤有效成分分析標準物質：編號GBW07493(HTSB-1)，陜西省地質礦物實驗研究所有限公司；GBW07498(HTSB-6)，陜西省地質礦物實驗研究所有限公司；土壤有效成分分析標準物質：GBW07414a(ASA-3a)，地球物理地球化學勘察研究所。

2.2 試驗方法

2.2.1 pH值和干物質含量的測定

土壤CEC值測定前，分別依據土壤 pH 值的測定 電位法(HJ 962-2018)[13]和土壤 干物質和水分的測定 重量法(HJ 613-2011)[14]對有證標準物質和實際土壤樣品的pH值和干物質含量進行測定。

2.2.2 CEC值的測定

2.2.2.1 三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法

(1)原理。三氯化六氨合鈷溶液在475 nm處有特征吸收，其吸光度與溶液濃度成正比。在(20±2)℃條件下，用三氯化六氨合鈷溶液作為浸提液對土壤中的陽離子進行浸提交換，根據浸提前后浸提液吸光度差值，計算土壤陽離子交換量。

(2)操作步驟。按照土壤 陽離子交換量的測定 三氯化六銨合鈷浸提-分光光度法(HJ 889-2017)[9]，將通過2 mm尼龍篩的土壤樣品充分混勻，稱取3.5 g樣品置于100 mL離心管中，加入濃度為1.66 cmol/L的三氯化六氨合鈷溶液50.0 mL。旋緊離心管密封蓋后置于振蕩器上，控制室溫(20±2)℃，振蕩1 h，振蕩過程中調節振蕩頻率，使土壤浸提液混合物始終保持懸浮狀態。以4000 r/min轉速離心10 min，收集上清液于比色管中，24 h內測定其吸光度。

(3)計算公式。土壤陽離子交換量利用式(1)來進行計算：

(1)

式(1)中：Ao為空白試樣的吸光度；A為試樣吸光度或者是校正吸光度；V為浸提液體積；3為[Co(NH3)6]3+的電荷數；b為標準曲線斜率；m為取樣量，g；wdm為土壤樣品干物質含量，%。

2.2.2.2 乙酸鈣交換法

(1)原理。用0.25 mol/L鹽酸溶液破壞土壤中碳酸鹽，隨后以0.05 mol/L鹽酸將土壤中交換性鹽基完全置換出，并形成氫飽和土壤，多余鹽酸用40%乙醇洗凈，再加入1 mol/L乙酸鈣溶液將H+交換出來生成乙酸，用氫氧化鈉溶液滴定生成的乙酸對土壤陽離子交換量進行計算。

(2)操作步驟。按照土壤檢測 第5部分：石灰性土壤陽離子交換量的測定(NY/T 1121.5-2006)[8]，稱取通過2 mm篩孔的風干土樣5 g倒入100 mL的離心管中，用0.05 mol/L鹽酸溶液對土壤中交換性鹽基進行置換至無Ca2+為止，再用40%乙醇清洗試樣3～4次，直至無氯離子檢出。最后，用0.5 mol/L乙酸鈣溶液置換、離心4次，將離心液小心移入250 mL容量瓶中，最后以0.5 mol/L乙酸鈣溶液稀釋至刻度線，待測。吸取待測液100 mL于250 mL三角瓶中，以酚酞為指示劑，用0.02 mol/L氫氧化鈉標準溶液滴定溶液至淺紅色。

(3)計算公式。土壤陽離子交換量利用式(2)來進行計算：

(2)

式(2)中，C為氫氧化鈉標準溶液濃度；V為滴定土壤樣品消耗的氫氧化鈉標準溶液體積；V0為空白實驗消耗的氫氧化鈉標準溶液體積；m為風干土樣的質量，g；D為分取倍數，250/100=2.5；10為將mmoL轉換為cmoL的倍數；1000為換算成1 kg中的cmoL。

3 結果和討論

3.1 兩種方法的對比分析

分別按乙酸鈣交換法(NY/T 1121.5-2006)[8]和分光光度法(HJ 889-2017)[9]對編號為GBW07493(HTSB-1)、GBW07498(HTSB-6)和GBW07414a(ASA-3a)的3種有證標準物質和4個實際土壤樣品的CEC值進行了6次重復測定，測定結果如表1所示。

表1 三氯化六銨合鈷浸提-分光光度法和乙酸鈣交換法測定比對結果

如表1所見，使用2種方法測定的有證標準物質CEC值均在其保證值的不確定度范圍內，準確度滿足分析要求；對有證標準物質和土壤實際樣品的CEC值測定結果的相對標準偏差范圍在1.0%～4.4%，精密度較高，但乙酸鈣交換法因配置的溶液較多，操作步驟繁瑣，實驗過程不確定度較高，樣品轉移次數過多致使損耗大，其有證標準物質測定結果的相對誤差較三氯化六銨合鈷-浸提分光光度法稍大。三氯化六銨合鈷-浸提分光光度法只需要配置三氯化六氨合鈷溶液，無須進行交換、淋洗、轉移、離心等反復操作，樣品損失較小，準確度、精密度和分析效率都要比乙酸鈣交換法更加優越，能夠有效地提升工作效率。

3.2 浸提實驗的相關探討

3.2.1 試劑的影響

分別選用西亞試劑、阿拉丁化學試劑和默克試劑所產三氯化六氨合鈷(優級純，純度99%)，配制濃度為1.66 cmol/L的三氯化六銨合鈷標準溶液，用刻度移液管依次量取不同體積的三氯化六氨合鈷標準溶液于6個10 mL比色管中，用去離子水定容至刻度線，搖勻，得到三氯化六氨合鈷濃度分別為0、0.166、0.498、0.830、1.16、1.49 cmol/L的標準曲線系列。以去離子水為參比，采用10 cm比色皿，在475 nm處測量標準曲線吸光度，以三氯化六氨合鈷濃度為橫坐標，溶液吸光度為縱坐標繪制曲線，所得吸光度值及曲線結果如表2所示。

如表2所見，當三氯化六銨合鈷溶液在0～1.49 cmol/L濃度范圍內時，使用三家公司所產試劑配置的溶液濃度與吸光度值都呈現較好的線性相關性，曲線線性相關系數均達到0.999以上，滿足標準方法中質量控制所要求線性相關系數不得低于0.999。西亞試劑和阿拉丁試劑所配置的標準曲線斜率(0.559和0.560)略低于默克試劑所配置的標準曲線斜率(0.576)，根據標準方法中CEC值的計算公式(式1)，不難得出，以西亞試劑和阿拉丁試劑所產三氯化六銨合鈷配置的標準曲線計算實際土壤樣品CEC值的結果會稍高于以默克試劑所配置的標準曲線計算出的實際土壤樣品CEC值。因此，實際樣品分析過程中，對三氯化六銨合鈷試劑的選擇也應作為重要考慮因素。

表2 三氯化六銨合鈷與吸光度的線性測量結果

3.2.2 溫度的影響

將浸提溫度分別控制為20 ℃、25 ℃、28 ℃，以編號為GBW07493(HTSB-1)、GBW07498(HTSB-6)和GBW07414a(ASA-3a)的3種有證標準物質為基礎，探討了溫度對浸提效果的影響，結果如表3所示。

表3 不同溫度(℃)下的CEC值測量結果

從表3結果可知，雖然隨著溫度的不斷升高，GBW07493(HTSB-1)和GBW07498(HTSB-6)的CEC測定值均在其保證值的不確定范圍內，但相對誤差逐漸增大。而GBW07414a(ASA-3a)當溫度為25 ℃和28 ℃時，其測定值已超出其保證值的不確定范圍內，且溫度偏離越高，相對誤差越大。溫度對浸提效果的影響有著較明顯的影響，為保證分析結果的準確性和重復性，浸提實驗應嚴格控制溫度。

3.2.3 振蕩方式的影響

在(20±2)℃下，選用HY-5A數顯調速多用振蕩器和EYEL4分液漏斗振蕩器，振蕩頻率180次/min，振蕩1 h，對編號為GBW07493(HTSB-1)、GBW07498(HTSB-6)和GBW07414a(ASA-3a)的3種有證標準物質進行浸提，測定CEC值，探討不同振蕩方式對浸提效果的影響，結果如表4所示。

表4 不同振蕩方式下的CEC值測量結果

如表4所見，使用HY-5A數顯調速多用振蕩器進行振蕩浸提時，3種有證標準物質的CEC測定值均在其保證值的不確定范圍內。離心管水平放置且不漏液的情況下，土壤樣品與三氯化六銨合鈷溶液接觸更充分，浸提更完全，3種有證標準物質CEC測定值的相對誤差相對小于離心管垂直放置時的相對誤差。而使用EYEL4分液漏斗振蕩器因振蕩頻率不高，土壤浸提液混合物較難成懸浮狀，3種有證標準物質CEC測定值均在不同程度上偏離其保證值。

4 結論

(1)對比三氯化六銨合鈷-浸提分光光度法和乙酸鈣交換法對石灰性土壤中的陽離子交換量的測定，兩種方法在標準曲線線性相關性、精密度、準確度等方面均能滿足陽離子交換量的測定要求和質控要求。但三氯化六銨合鈷浸提法比乙酸鈣交換法分析過程更簡捷，準確度更高，能有效提高工作效率和分析質量，適用于大批量土壤樣品的分析測試。

(2)不同產家所產三氯化六銨合鈷繪制出的標準曲線存在差異，是實驗所需考慮的重要影響因素之一。三氯化六銨合鈷浸提法的浸提溫度以20 ℃最佳，溫度越高、對有證標準物質分析產生的相對誤差越大。不同振蕩方式對浸提效果的影響較大，在保證離心管不漏液的前提下，離心管水平放置時振蕩更充分，土壤樣品能與三氯化六銨合鈷浸提液更有效的接觸，浸提效果更好，對有證標準物質的分析準確度更高。