超声交换-抽滤淋洗-全自动凯氏定氮法测定土壤中阳离子交换量

岳中慧,龙寿坤,郭子强,周俊骅

(核工业二三〇研究所分析测试中心,长沙 410000)

土壤阳离子交换量是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量,可用来衡量土壤的保肥性,是土壤保肥能力的重要指标。除此之外,阳离子交换量还关系着土壤的缓冲性能,是改良土壤和合理施肥的重要依据[1]。因此,土壤阳离子交换量的准确测定非常重要。

常用土壤阳离子交换量的测定方法有乙酸铵交换法[2]、重铬酸钾-氯化钾法[3]、氯化钡交换-电感耦合等离子体原子发射光谱法[4]、氯化钡-硫酸法[5]和三氯化六氨合钴法[6]。相关行业标准NY/T 295-1995《中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定》和LY/T 1243-1999《森林土壤阳离子交换量的测定》均采用了乙酸铵交换法,即先在土壤中加入乙酸铵,用玻璃棒充分搅拌后离心分离3次,再用乙醇清洗沉淀4次,去除沉淀中多余乙酸铵,然后用蒸馏定氮装置蒸馏出氨气,以酸碱滴定法测定。但是,在实际操作过程中,两种行业标准方法均存在一定缺陷:①土壤黏度较大时,易黏在玻璃棒上,反复搅拌会造成样品损失;②有些土壤会吸附过量NH4+,用乙醇清洗4次仍无法清洗干净,结果偏高,如果继续增加清洗次数,将会导致样品溶液浑浊、离心不彻底,造成样品损失;③玻璃棒搅拌-离心分离的方法操作繁琐,劳动强度大,检测时间长,不利于大批量样品的检测;④蒸馏定氮和手工滴定误差较大。针对这些问题,研究人员提出了一些改进措施,如用电动搅拌棒替代玻璃棒[7],用振荡交换-抽滤淋洗替代玻璃棒搅拌-离心分离[8],用全自动凯氏定氮仪替代蒸馏定氮玻璃装置[9],以气相分子吸收光谱法替代酸碱滴定法[10],以上方法没有从根本上提高试验效率和结果的准确度。鉴于此,本工作针对不同酸度的样品,先分别用玻璃棒搅拌混匀(p H≤7.5的土壤样品)和煮沸除氨(p H＞7.5的土壤样品)的方法预处理样品,然后加入乙酸铵进行超声交换,减压抽滤,用全自动凯氏定氮仪消化、蒸馏和滴定,以期为土壤中阳离子交换量的快速测定提供方法参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

K1160型全自动凯氏定氮仪;CEC400 型阳离子交换量前处理系统;2000W 型高温电热炉;MH-3000s型超声波清洗机;JA5003型电子天平。

甲基红-乙醇溶液:取0.1 g甲基红,用乙醇溶解并定容至100 mL的容量瓶中,摇匀备用。

溴甲酚绿-乙醇溶液:取0.1 g溴甲酚绿,用乙醇溶解并定容至100 mL的容量瓶中,摇匀备用。

甲基红-溴甲酚绿指示剂:由甲基红-乙醇溶液与溴甲酚绿-乙醇溶液按体积比1∶5混合而成。

硼酸吸收液:20 g·L-1,称取20 g 硼酸溶于1 L水中,按体积比1 000∶12比例加入12 mL 甲基红-溴甲酚绿指示剂。

固体氧化镁试剂:将氧化镁放入瓷碗里,于500～600 ℃高温灼烧30 min。

0.05mol·L-1盐酸溶液:每升水中加入4.5 mL盐酸,用硼砂标定其浓度。

工业用乙醇(不含NH4+);所用试剂均为分析纯;试验用水为去离子水。

5 种土壤有效态成分分析标准物质GBW 07494、GBW 07415a、GBW 07458、GBW 07414a、GBW 07416a。

样品1～6分别为江西红壤土、青海栗钙土、东北黑钙土、陕西黑垆土、湖北水稻土、湖南水稻土,酸度分别为pH 3.9,7.5,8.4,6.1,6.3,4.2。

1.2 试验方法

当土壤样品显酸性或中性(p H≤7.5)时,取2.00 g样品于50 mL离心管中,用1 mol·L-1乙酸铵溶液冲洗至土壤无结块,并定容至50 mL,超声6 min。当土壤样品显碱性(p H＞7.5)时,取2.00 g样品于100 mL 烧杯中,加入1 mol·L-1氯化铵溶液50 mL,盖上表面皿,在电炉上煮沸,直至表面皿上蒸出的水的酸度达到pH 7时(依此判断氨已煮尽)停止煮沸。将煮好的样品转移至50 mL离心管中,加入1 mol·L-1乙酸铵溶液,超声6 min。在布氏漏斗上铺上中性定性滤纸(直径9 cm),启动抽滤模式,将超声好的样品倒在布氏漏斗上,用乙醇40 mL洗涤沉淀1 次,再重复洗涤3 次,直至无NH4+洗出(用纳氏试剂检测)时停止抽滤。将沉淀和滤纸全部转移至蒸馏消化管中,加入一勺固体氧化镁试剂(约1 g)。将消化管加载在全自动凯氏定氮仪上,输入盐酸溶液浓度(0.05 mol·L-1)、硼酸吸收液用量(20 mL)、土壤称样量(2.00 g)和蒸馏时间(5.0 min),记录仪器显示的最终结果。

2 结果与讨论

2.1 超声时间的选择

按照试验方法分析3种土壤有效态成分分析标准物质GBW 07494、GBW 07415a、GBW 07458,以考察超声时间分别为0,2,4,6,8,10 min时对阳离子交换量的影响,结果见表1。

由表1可知,当超声时间为4～10 min时,测定值变化不大,且均在认定值的不确定度范围内。考虑到检测效率等因素,试验选择超声时间为6 min。

表1 超声时间对阳离子交换量的影响Tab.1 Effect of ultrasound time on cation exchange capacity

2.2 乙醇用量及洗涤次数的选择

以GBW 07458 为例,试验比较了定氮仪厂家推荐方法(洗涤3次,每次用80 mL 乙醇)及本方法(洗涤4次,每次用40 mL 乙醇)对沉淀的洗涤效果。结果显示,两种方法均可将NH4+清洗干净。考虑到少量多次原理及节约乙醇使用量等因素,试验选择乙醇用量为40 mL,洗涤次数为4次。

2.3 蒸馏时间的选择

以GBW 07458 为例,试验考察了蒸馏时间分别 为0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 min时对阳离子交换量的影响,结果见图1。

由图1可知,当蒸馏时间在2.0～5.0 min内时,测定值变化不大,且均在认定值的不确定度范围内。为了使氨气充分蒸出,试验选择的蒸馏时间为5.0 min。

图1 蒸馏时间对阳离子交换量的影响Fig.1 Effect of distillation time on cation exchange capacity

2.4 检出限

按照试验方法重复分析样品空白7次,参考文献[11]计算检出限(3.143s),所得结果为0.083 cmol·L-1。

2.5 精密度与准确度试验

按照试验方法对不同酸度的土壤有效态成分分析标准物质GBW 07414a、GBW 07416a、GBW 07458重复分析5次,计算测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 精密度与准确度试验结果(n＝5)Tab.2 Results of tests for precision and accuracy(n＝5)

由表2可知,酸性和碱性土壤有效态成分分析标准物质的测定值均在认定值的不确定度范围内,且其RSD 均小于5.0%,说明方法的准确度和精密度较好。

2.6 方法比对

为了确认本方法对不同地区、不同种类土壤的适用性,按照试验方法分析土壤样品1～6,每种样品重复测定5 次,计算测定值的RSD。同时按照LY/T 1243-1999(玻璃棒搅拌-离心分离-万用炉蒸馏-手工滴定)进行测定,计算两种方法测定值的相对误差,结果见表3。

表3 方法比对结果(n＝5)Tab.3 Results of method comparison(n＝5)

由表3可知,本方法测定值的RSD 小于标准方法的,测定值和标准方法的接近,相对误差为-1.5%～6.6%。参考文献[12]对两种方法进行t检验,所得t值为0.041 9,小于临界值(t10,0.95＝2.228),说明两种方法无显著性差异。以上结果表明,本方法的准确度和精密度均优于标准方法的。

为了进一步说明本方法的优越性,对本方法和标准方法的主要分析步骤进行比对,结果见表4。

表4 2种方法主要分析步骤的比对Tab.4 Comparison of the main analysis steps of the two methods

表4 (续)

由表4可知,本方法在离子交换、沉淀洗涤、蒸馏、滴定等分析步骤均有优化,不仅降低了劳动成本,提高了检测效率,还减少实验室安全隐患,更适合大批量样品的测定。

本工作以超声交换-抽滤淋洗-全自动凯氏定氮法测定土壤中阳离子交换量。该方法简单、快速、准确度高、精密度好,适合大批量土壤样品中阳离子交换量的测定。