乙二胺四乙酸-乙酸铵盐交换法测定阳离子交换量方法优化

王卓，郭全恩，曹诗瑜，展宗冰

（1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070； 2.甘肃省农业科学院，兰州 730070）

土壤吸附阳离子的能力用吸附的阳离子总量表示，称为阳离子交换量，其数值以每千克土壤中含有各种阳离子的物质的量来表示，即mmol/kg。阳离子交换量是土壤缓冲性能的重要指标，可作为改良土壤和指导施肥的重要参考依据。阳离子交换量测定值的高低，直接体现了土壤保肥能力，该测定值越大，则土壤保肥力越强[1-2]，因而，土壤阳离子交换量测定具有重大意义。

土壤阳离子交换量测定的分析方法目前有乙酸钠-火焰光度法[1]、乙二胺四乙酸(EDTA)-乙酸铵交换法[3]、氯化铵-乙酸铵交换法(LY/T 1243—1999《森林土壤阳离子交换量的测定》)、乙酸钙交换法(NY/T 1121.5—2006《土壤检测 第5 部分：石灰性土壤阳离子交换量的测定》)、凯氏定氮法[4-6]、乙酸铵交换法(NY/T 295—1995《中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定》)[7-9]、三氯化六氨合钴浸提-分光光度法(HJ 889—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》)[10-12]、旋转混合-气相分子吸收光谱法[13]、超声浸提-分光光度法[14]、振荡抽滤-pH 计指示电位滴定法[15]等。其中EDTA-乙酸铵交换法在我国农化实验室中石灰性土壤的测定中应用比较广泛，其测定结果准确、重现性好。但是该方法中的离子交换和清洗过程需要更换交换液且用橡皮头玻璃棒搅拌样品，搅拌过程中土壤样品容易进入橡皮头缝隙，造成土壤样品损失，离子交换耗时长，蒸馏时间过长。笔者对EDTA-乙酸铵交换法进行优化，通过改变搅拌方式、确定搅拌时间和蒸馏时间以提高交换速度，优化后方法具有良好的准确度、精密度。

1 实验部分

1.1 实验原理

EDTA-乙酸铵盐交换法测定石灰性土壤阳离子交换量是用pH 值为8.5 的0.005 mol/L EDTA 与1 mol/L乙酸铵的混合液作为交换提取剂，与土壤吸收性复合体的Ca2+、Mg2+、Al3+等交换，形成高稳定性的络合物，用NH4+交换H+、K+、Na+形成铵质土。用95%乙醇洗去过剩铵盐，用蒸馏法蒸馏，用标准酸溶液滴定氨量，即可计算出土壤阳离子交换量。

1.2 主要仪器和试剂

电动离心机：TDZ-WS 型，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

磁力搅拌器：85-2型，数显控温磁力搅拌器，常州市金坛大地自动化仪器厂。

定氮仪：KDY-9820型，北京市通润源机电技术有限责任公司。

EDTA：分析纯，含量(质量分数)不小于99.5%，国药集团化学试剂有限公司。

乙酸铵：分析纯，含量(质量分数)不小于98.0%，国药集团化学试剂有限公司。

乙醇：分析纯，含量(质量分数)不小于95%，国药集团化学试剂有限公司。

硼酸：分析纯，含量(质量分数)不小于99.5%，国药集团化学试剂有限公司。

氧化镁：分析纯，含量(质量分数)不小于98.5%，国药集团化学试剂有限公司。

盐酸：分析纯，纯度(质量分数)为36%～38%，国药集团化学试剂有限公司。

酸性铬蓝K、萘酚绿B、氯化钠、溴甲酚绿、甲基红、碘化钾、氯化汞：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

土壤有效态成分分析标准物质：标准物质编号分别为GBW 07493 (HTSB-1)、GBW 07498 (HTSB-6 )，陕西省地质矿产实验研究所有限公司。

土壤有效态成分分析标准物质：标准物质编号分别为GBW 07ASA-17、GBW 07ASA-20，津标(天津)计量检测有限公司。

EDTA-乙酸铵混合液：称取77.09 g EDTA，1.461 g 乙酸铵，用水溶解至900 mL，以体积比为1∶1的氨水和稀乙酸调节pH至8.5，转移至1 000 mL容量瓶中，定容。

硼酸溶液：20 g/L，称取20.00 g硼酸，溶于近1 L水中，用稀盐酸和稀氢氧化钠调节pH至4.5，转移至1 000 mL容量瓶中定容。

氧化镁：使用前在高温电炉中经600 ℃灼烧0.5 h。

盐酸标准溶液：0.05 mol/L，吸取4.17 mL 浓盐酸，稀释至1 L，用无水碳酸钠进行标定。

钙镁指示剂：称取0.5 g 酸性铬蓝K、0.1 g 萘酚绿B，加入100 g 氯化钠，在玛瑙研钵中充分研磨混匀。

甲基红-溴甲酚绿混合指示剂：称取0.5 g 溴甲酚绿和0.1 g甲基红在玛瑙研钵中，加入少量95%乙醇，研磨指示剂溶解，加95%乙醇至100 mL。

纳氏试剂：称取10 g 碘化钾溶于5 mL 水中，称取3.5 g氯化汞加热溶于20 mL水中，将氯化汞倒入碘化钾中直至出现为红色沉淀，加70 mL 氢氧化钾溶液(300 g/L)，搅拌均匀，再滴加氯化汞至出现红色沉淀为止，静置8小时，倾出清液。

实验用水为GB/T 6682中规定的二级水。

1.3 实验步骤

1.3.1 EDTA-乙酸铵混合液交换

称取过2 mm孔径筛的土壤风干样品2.00 g，放入100 mL离心管中，在离心管中加入转子，加入80 mL EDTA-乙酸铵混合液，在托盘天平上用EDTA-乙酸铵混合液平衡两侧离心管，将离心管放置在磁力搅拌器上将转速调至2 000 r/min，可以看到液面中心有大漩涡形成，搅拌1～3 min后取下离心管放入离心机中，以3 500 r/min 离心4 min，弃去离心管中清液，如此反复3～4次(个别样品需离心4次)，取最后一次离心清液20 mL，加入3.5 mL缓冲溶液，加入少许钙镁混合指示剂测试是否还有Ca2+存在(液体呈蓝色则无Ca2+，液体呈紫红色则有Ca2+存在)，如清液呈紫红色需增加交换次数。

1.3.2 95%乙醇交换

在已洗涤干净Ca2+的离心管中加入60 mL 95%(体积分数，下同)的乙醇溶液，于托盘天平上用95%乙醇溶液平衡两侧离心管，将离心管放置在磁力搅拌器上，将转速调至2 000 r/min，可以看到液面中心有大漩涡形成，搅拌1～3 min 后取下放入离心机中，第1 次以3 500 r/min 离心4 min，弃去离心管中清液，第2 次将离心机转速调至4 000 r/min 离心6 min，第3 次将离心机转速调至4 500 r/min 离心10 min，3 次后用纳氏试剂检测NH4+，一般3 次即可洗净NH4+，个别样品出现浑浊可增加离心机转速和时间，使其澄清。

1.3.3 蒸馏滴定

在离心管中加入少量水，在磁力搅拌器上分散土样，取出转子，用水冲洗干净转子，清洗液收入离心管中，将离心管中溶液转入消化管，体积控制在60 mL 左右，蒸馏前向消化管内加入1 g 氧化镁，立即将消化管置于定氮仪上。向盛有25 mL 20 g/L硼酸吸收液的三角瓶内加入2 滴甲基红-溴甲酚绿指示剂，将三角瓶置于冷凝管的承接管下，管口插入硼酸溶液中，开始蒸馏。蒸馏约8 min后，检查蒸馏是否完全。取下三角瓶用盐酸标准溶液滴定，记录滴定体积数，并做空白试验。

1.3.4 结果计算

土壤样品中的阳离子与EDTA-乙酸铵混合液中的铵离子交换，用95%的乙醇溶液洗去过剩铵盐，蒸馏后，用盐酸标准溶液滴定氨量，按照式(1)计算阳离子交换量：

式中：CEC——土壤阳离子交换量，mmol/kg；

c——盐酸标准溶液浓度，mol/L；

V——滴定样品待测液所耗盐酸标准溶液量，mL；

V0——空白滴定耗盐酸标准溶液量，mL；

m——风干试样质量，g；

1 000——换算成每千克中的阳离子交换量。

2 结果与讨论

2.1 搅拌时间选择

样品置于磁力搅拌器上，转速为2 000 r/min时，可在100 mL离心管中形成大漩涡，同一样品搅拌时间分别选择为30、60、90、120、150、180 s，测定样品阳离子交换量，以选择最佳搅拌时间。

表1为不同搅拌时间对应样品阳离子交换量测定值。由表1可见，搅拌时间90 s时，所得检测数据与标准物质所给标准值吻合，表明90 s 可使土壤中阳离子交换完全，形成稳定络合物，故选择90 s作为EDTA-乙酸铵盐交换土壤中阳离子的交换时间。

2.2 蒸馏时间选择

选取2个不同地区阳离子交换量不同的土壤标准 物 质GBW 07ASA-20 (黄 绵 土)、GBW 07493(HTSB-1)(樓土)测定不同蒸馏时间的阳离子交换量，通过所测得标准物质结果，确定最优蒸馏时间。由表2可知，当蒸馏时间超过5 min时样品中的NH4+基本被完全蒸馏出来并被硼酸吸收，因此可将蒸馏时间设置为6 min，当蒸馏时间为6 min 时所得数据与清洗后做空白所得数据相符，因此确定蒸馏时间为6 min，可以不用清洗直接做下一个样品。

表2 不同蒸馏时间对应样品阳离子交换量测定值Tab.2 Determination value of cation exchange capacity of the sample under different distillation time mmol/kg

2.3 方法准确度和精密度

选择4个不同地区阳离子交换量不同的土壤标准物质按改变搅拌方式、搅拌时间90 s、蒸馏时间6 min的优化后方法分别测定7次，同时做空白试验结果见表3。由表3可知，优化后方法测定土壤标准物质GBW 07ASA-20 (黄绵土)，GBW 07ASA-17 (栗钙土)，GBW 07493 (HTSB-1)(樓土)，GBW 07498(HTSB-6)(棕漠土)，所得结果平均值分别为98、109、131、57 mmol/kg，其相对标准偏差分别为1.53%、1.39%、3.22%、5.32%。可见，优化后的方法满足分析要求，测定结果均在标准物质不确定度范围内，说明该方法具有较好的准确度和精密度，适用于石灰性土壤的测定。

表3 方法准确度和精密度Tab.3 Accuracy and precision of the method

2.4 实际样品数据比对试验

用优化后的检测方法和未优化检测方法对28份实际样品进行检测，结果见图1。优化前方法测定值为11～110 mmol/kg，平均值为60 mmol/kg；优化后方法测定值为11～109 mmol/kg，平均值为59 mmol/kg。

图1 方法优化前、后测定阳离子交换量数据比较Fig.1 Comparison of cationic exchange capacity data before and after method optimization

采用Excel软件中分析工具库t检验，进行成对二样本均值分析(见表4)，优化前、后测定的土壤阳离子交换量均值分别为60、59 mmol/kg，t检验的双尾P值为0.07 (P＞0.05)，两种方法的测定结果无显著性差异。

表4 优化前、后测定的土壤阳离子交换量测定值及t检验结果Tab.4 Test results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

将优化前、后28个土壤样品阳离子交换量测定结果进行相关性分析（见图2），优化前、后土壤样品阳离子交换量测定结果线性相关显著，r=0.998 (n=28，P＜0.01)，Y=0.992 1X+0.003 8。

图2 优化前、后测定土壤阳离子交换量结果相关性分析Fig.2 Correlation lines between the results of soil cation exchange capacity measured before and after optimization

2.5 优化前后检测时间比较

对EDTA-乙酸铵盐交换法测定石灰性土壤阳离子交换量方法优化前后测定8份土壤样品用时进行比较，见表5。

表5 方法优化前后用时统计表Tab.5 time spent before and after method optimization

由表5 可见，优化后土壤阳离子交换量检测时间130 min 比优化前检测时间280 min 缩短超过一半，劳动强度显著降低，工作效率显著提高。

3 结语

通过改变离子交换时的搅拌方式，减少离子交换不完全情况和搅拌时样品损耗；选择最优搅拌时间提升离子交换效率，减少离子交换次数；选择合适的定氮仪蒸馏时间，减少样品蒸馏不完全和定氮仪管道中NH4+残存的可能。用优化后方法测定土壤标准物质阳离子交换量，相对标准偏差为1.53%～5.32%，方法优化后准确度和精密度均符合检测要求。通过实际样品比对实验测定结果的比较，t检验的双尾P值为0.07 (P＞0.05)，方法优化前、后测定结果无显著差异；线性关系Y=0.992 1X+0.003 8，相关系数r=0.998 (n=28，P＜0.01)，方法优化前、后土壤样品阳离子交换量测定结果线性相关显著。优化后的方法检测时间从280 min 缩短到130 min，较之前缩短超过一半。方法优化后降低了检测的劳动强度，提升了土壤阳离子交换量检测效率，适用于批量石灰性土壤阳离子交换量的测定。