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令人崩溃的土壤阳离子检测

zyl3367898

2019/07/01
鹤壁农检联合队

私聊

土壤固体废弃物监测

令人崩溃的土壤阳离子检测

4月，我开始了NY/T1121.5-2006《土壤检测第5部分：石灰性土壤阳离子交换量的测定》的练习，这个方法用盐酸来破坏碳酸盐，加盐酸三四次，洗至溶液中无Ca²⁺离子，可是每个样品洗十七八次，都洗不净钙离子。土壤破碎、土壤的pH值、试剂浓度等，全部查找一遍，也找不到原因。
我在仪器论坛土壤固体废弃物监测版块发帖求助，得到老兵老师、顾亚南老师的多次帮助，建议用前处理方法简单的HJ889-2017《土壤阳离子交换量的测定三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》。
这个方法只有四步，加液、振荡、离心、上紫外测定。这么简单的试验，真是小菜小碟，可是做下来，网友们遇到的问题，我一样没差都遇到了。每天都做，每天都得不出数据，真是崩溃，我一度怀疑我的脑子是不是出现了问题，怀疑我二十多年的做实验的能力是不是忽然失去了。
我又上论坛求助，这次得到了邓茂老师的帮助。前一段时间他做过相同的试验，已经总结了经验，在中文核心期刊上发表论文，经过他的点拔，在同事宋保军与孙玉国的大力协助下，历经两个月时间，终于得出准确的数据。用以下这篇原创文章感谢论坛上帮助过我的邓茂、宋保军、老兵、顾亚南老师，因为有你们的无私帮助，才能顺利的完成实验，才有这篇原创作品的诞生。谢谢你们！

三氯化六氨合钴浸提检测土壤中阳离子交换量的方法探讨

鹤壁市农产品质量安全监测检验中心张艳丽

摘要：检测土壤中阳离子交换量时，用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法，操作简单，分析时间短，但该方法在实际检测过程中出现了浸提液用量大、酸性土壤结果偏低、吸光度值不稳定、空白值偏低、精密度差等问题，本文分析了造成这些问题的原因，并提出有效的解决办法。

关键词：土壤中阳离子交换量；浸提液用量大；酸性土壤结果偏低；空白值偏低；精密度差；慢速滤纸；0.22um滤膜

土壤有效态阳离子交换量是指土壤胶体所能吸附的，可被浸提液交换下来的各种阳离子总量。土壤胶体可交换的各种有效态阳离子，是土壤缓冲性能的主要来源，是调节土壤溶液离子浓度，保持土壤溶液营养成分的重要因子。

测定土壤中阳离子方法主要有以下几种，国内标准有NY/T295-1995《中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定》； NY/T1121.5-2006《土壤检测第5部分：石灰性土壤阳离子交换量的测定》；LY/T1243-1999《森林土壤阳离子交换量的测定》等；国外标准有ISO11260测定有效阳离子交换量，ISO13536测定潜在阳离子交换量的，ISO23470测定有效态阳离子交换量等。
国内标准多以乙酸铵、乙酸钙法为主，乙酸铵法适合弱酸性及中性土壤阳离子交换量的测定，对酸性土壤，测定结果偏高，碱性土壤测定结果偏低。需要反复浸提离心后，将土壤移入蒸馏瓶中进行蒸馏，方法繁琐，样品转移过程中，容易损失，影响测定结果的平行性。乙酸钙法要用盐酸破坏碳酸盐，反复加盐酸洗净钙离子，有时需要洗十几次才能洗净，方法繁琐，如果样品量大，测定时间较长。
HJ889-2017《土壤阳离子交换量的测定三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》，与ISO23470-2018都采用三氯化六氨合钴作为浸提液提取土壤，直接分光光度法测定，方法简单，省时省力省耗材，2个小时可以完成1批样。三氯化六氨合钴浸提方法在实际应用时出现的一些问题，比如浸提液用量大、酸性样品结果值低一半、样品吸光度值比空白值高、精密度差、吸光度值不稳定等，我们对该方法进行了改进，改进后的方法用试剂量减一半、但结果更准确、稳定，精密度也很好。
1 试验部分
1.1仪器与试剂
UV1700紫外分光光度计；HY-4调速多用振荡器；GL-21M离心机；孔径1.7mm(10目)尼龙筛；SL202N电子分析天平。
优级纯三氯化六氨合钴，准确称取4.458g三氯化六氨合钴溶于水中，定容至1000mL，4℃低温保存。
实验用水为电导率小于0.5μS/cm的去离子水。
1.2仪器工作条件
紫外分光光计配备10mm光程比色皿，波长475nm测量试样吸光度值。
1.3试验方法
将风干样品过10目尼龙筛，充分混匀。称取3.0g混匀后的样品，置于50mL离心管中，加入25.0mL三氯六氨合钴溶液，稍微振荡后测试pH值，如果是酸性土，用1mol/L氢氧化钠溶液调节样品溶液为pH7-8，旋紧离心管密封盖，置于振荡器上，在（20±2）℃条件下振荡（60±5）min，调节振荡频率，使土壤浸提液混合物在振荡过程中保持悬浮状态。以4000r/min离心10min，过慢速滤纸或过0.22um滤膜于比色皿中，24h内完成分析。
2结果与讨论
2.1前处理条件的优化
2.1.1浸提液量的选择
该方法要求称取3.5g土壤样品加入50.0mL三氯化六氨合钴溶液，很多实验室的离心机只能放50mL离心管，加入50mL三氯化六氨合钴溶液后，无法振荡，只能先将样品放三角瓶内，振荡后转移到离心管中，进行离心，增加了洗刷工作量。我们称取了3.5g土壤样品加入50.0mL，同时称取2.5g土壤加50mL浸提液；称取3.0g土壤加入25.0mL浸提液，进行了浸提液量不同的对比试验，土壤样品用GBW07413标准物质来代替，试验结果见表1。
试验证明，称取3.0g土壤加入25.0mL浸提液，结果符合标准要求。10g三氯化六氨合钴价格几百元，只能配2.0L溶液，一个样品加入50mL浸提溶液，能做400个样品，改进后只需要加25.0mL浸提液, 可以做800个样品，浸提液的用量减少一半，试剂成本降了一半。还可以直接振荡离心，无需转移，节省玻璃器皿的使用。

图1 不同浸提液量的实验

表1 不同浸提液量的结果

标准号	样品量	浸提液量	6次CEC平均值 cmol⁺/kg	GBW07413CEC cmol⁺/kg
HJ889-2017	3.5g	50.0mL	12.4	13.0±1.1
ISO23470-2018	2.5g	50.0mL	12.5	13.0±1.1
本实验方法	3.0g	25.0mL	12.8	13.0±1.1

2.1.2室温的选择
该方法上样品在（20±2）℃条件下振荡（60±5）min。我们选择了3种不同温度下振荡，试验结果见表2，发现室温下振荡不会影响结果，不用开设空调等降温设备，节省试验用电量。

表2 不同温度下振荡的试验结果

温度	6次CEC平均值 cmol⁺/kg	GBW07413CEC cmol⁺/kg
（20±2）℃	12.6	13.0±1.1
（25±2）℃	12.5	13.0±1.1
（30±2）℃	12.8	13.0±1.1

2.1.3酸性土壤质控样值低一半
试验过程中出现酸性土壤质控样低一半，这是因为土壤胶体微粒表面的羟基（OH）的解离受介质pH值的影响，当介质pH值降低时，土壤胶体微粒表面所负电荷也减少，其有效态阳离子交换量也降低。由于三氯化六氨合钴土壤悬浮液的pH值与水悬浮液的pH值接近，所以称取土壤样品，加入浸提液后，可以用pH试纸或pH计测试pH值，如果是酸性土，用1mol/L氢氧化钠溶液调节样品溶液为pH7-8，然后按1.3试验方法来进行，所测的CEC值是准确的。
2.1.4空白值低
用实验用水代替土壤做空白试样制备时，加3.5g纯水再加50mL浸提液，吸光度值较低，这样计算出来的质控样偏低，有时空白试样的吸光度值比样品吸光度值还要低，结果出现负值；这是因为三氯化六氨合钴的浓度被稀释，吸光度值降低。参照ISO23470与《土壤阳离子交换量的测定三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》（征求意见稿）应该直接用三氯化六氨合钴溶液当空白，记录吸光度值。
2.1.5吸光度值不稳定
离心后，收集上清液于比色管中，上紫外分光光度测定。当离心液中有悬浮杂质时，吸光度值会不稳定，无法记录吸光度值，还会出现同一上清液测两三次，每次吸光度值都不一样的情况，这时可多加一个步骤，用玻璃漏斗加慢速滤纸，对上清液进行过滤后测定，过滤后的吸光值稳定性很好。
2.1.6样品精密度差
测定土壤样品时，发现同一样品6次重复测定，精密度在10%以上，用慢速滤纸过滤滤液后测定，重现性较好，我们选择了慢速滤纸与0.22um膜滤进行测试，发现0.22um滤膜效果最好，能完全过滤土壤悬浮液中的杂质，精密度RSD小于1.0%，只是成本要比滤纸略高。试验结果出表3。
表3过滤纸与过滤膜的结果

测定次数	1号土壤样品		2号土壤样品
测定次数	过慢速滤纸 CEC值	过0.22um滤膜 CEC值	过慢速滤纸 CEC值	过0.22um滤膜 CEC值
1	11.3	11.4	10.4	11.3
2	11.1	11.6	11.1	11.1
3	10.8	11.6	11.1	11.2
4	11.1	11.5	9.92	11.1
5	10.8	11.5	11.1	11.1
6	10.9	11.4	10.7	11.1
平均值（cmol⁺/kg）	11.0	11.5	10.7	11.1
标准偏差（cmol⁺/kg）	0.22	0.085	0.50	0.10
相对标准偏差RSD(%)	2.0	0.74	4.7	0.93

图2 检测全过程

2.2标准曲线和检出限
2.2.1标准曲线
分别移取1.66cmol/L三氯化六氨合钴溶液0.00mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL、7.00mL、9.00mL于6个10mL容量瓶中，分别用水稀释至标线，三氯化六氨合钴的浓度为0.000cmol/L、0.166cmol/L、0.498cmol/L、0.830cmol/L、1.16cmol/L、1.49cmol/L。用10mm比色皿在波长475nm处，以水为参比，分别测量吸光度。以标准系列溶液中三氯化六氨合钴溶液的浓度（cmol/L）横坐标，以其对应吸光度为纵坐标，建立标准曲线。

图3 标准曲线绘制

2.2.2检出限
测试检出限按照《环境监测分析方法标准制修订技术导则》（HJ168-2010）中，附录A.1.2分光光度法进行测试。在没有前处理的情况下，以扣除空白值后的与0.01吸光度相对应的浓度值为检出限。
用下方法计算：
MDL=0.01/b
式中：b----回归直线斜率
2.2.3方法检限
方法检出限（cmol/L/kg）=检出限×3×V÷m，若称样量3.0g，加入浸提液25.0mL，那么该方法检出限=检出限×3×25.0÷3.0。
2.2.4测定下限
方法测定下限：以4倍方法检出限为测定下限，检出限和测定下限见表4。

表4 检出限和测定下限

	第一周	第二周	第三周	第四周
标准曲线	Y=0.5659x-0.001	Y=0.5767x+0.002	Y=0.5583x+0.001	Y=0.5606x-0.001
计算公式	MDL=0.01/b
b	0.5659	0.5767	0.5583	0.5606
检出限	0.0177	0.0173	0.0179	0.0178
取样量	3.0g	3.0g	3.0g	3.0g
方法检出限	0.44	0.43	0.45	0.45
测定下限	1.76	1.72	1.80	1.80

2.3精密度试验
选用标准物质GBW07413进行6次测试，分别取上清液用慢速滤纸与0.22um滤膜进行过滤，相对标准偏差在2%以下，过滤膜后的相对相差能控制在1%以下，结果见表5

表5 精密度试验结果

测定次数	过慢速滤纸 CEC值	过0.22um滤膜 CEC值
1	12.9	13.5
2	12.7	13.7
3	12.9	13.7
4	13.1	13.8
5	12.7	13.5
6	12.5	13.7
平均值（cmol⁺/kg）	12.8	13.6
标准偏差（cmol⁺/kg）	0.21	0.11
相对标准偏差RSD(%)	1.63	0.82

2.4实际样品测定
按试验方法测定1、2、3号土壤，同时做质控样GBW07413，每个样品平行测定6次，滤液均用0.22um滤膜过滤后，上机测定，结果及相对标准偏差见表6。

表6样品分析结果及质控样

样品号检测次数	1号样品	2号样品	3号样品	GBW07413
1	11.4	11.3	14.5	13.5
2	11.6	11.1	14.8	13.7
3	11.6	11.2	14.6	13.7
4	11.5	11.1	14.8	13.8
5	11.5	11.1	14.6	13.5
6	11.4	11.1	14.6	13.7
平均值	11.5	11.1	14.6	13.6
RSD(%)	0.74	0.93	0.83	0.82

3.结论
本方法是对三氯化六氨合钴浸提-分光光度法的改进，由于HJ889-2017中存在浸提液用量大、酸性土壤CEC值偏低一半、空白吸光度值低、稳定性差、精密度差等问题，本方法在保证数据结果准确的前提下，减少浸提液的用量，试剂的成本降低一半，还可以选择室温下振荡，节省实验用电量；用氢氧化钠调节pH值来解决酸性土壤值偏低的问题，用滤纸或滤膜解决了精密度差、稳定性差的问题，成本低，方法快速简单，实用性强，极大提高了检测数据的准确性与重现性。该试验的完成得到邓茂、宋保军、老兵、顾亚南老师的大力帮助，在此表示感谢。
参考文献：
NY/T295-1995 中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定 .
NY/T1121.5-2006 土壤检测第5部分：石灰性土壤阳离子交换量的测定
LY/T1243-1999 森林土壤阳离子交换量的测定 .
ISO11260测定有效阳离子交换量:Soilquality-Determinationofeffectivecationexchangecapacityandbasesaturationlevelusingbariumchloridesolution .
ISO13536 Soil quality - Determination of the potential cation exchange capacity and exchangeable cations using barium chloride solution buffered at pH = 8,1 (ISO 13536:1995)测定潜在阳离子交换量的 .
ISO23470 Soil quality - Determination of effective cation exchange capacity (CEC) and exchangeable cations using a hexamminecobalt trichloride solution.测定有效态阳离子交换量等 .
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李龙飞,李星,李永立.土壤阳离子交换量测定方法的优化与改进. 安徽农业科学,2019,47(6):1-2.
王玉兰.酸性土壤样品中阳离子交换量的测定. 化学工程师,2015,(12):35-37.
谭美娟.乙酸铵交换法测定酸性土壤阳离子交换量的方法改良探讨.2016，（7）:148-150
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张彦雄.两种土壤阳离子交换量测定前处理方法的比较. 贵州林业科技2010,（5）：45-47
邓茂.不同酸碱度土壤阳离子交换量的测定研究中国环境监测 2020
童桂凤土壤阳离子交换量的测定三氯化六氨合钴浸提-分光光度法征求意见稿 ~~1-18~~