交换性铝是对植物有害的一种土壤酸形态,其造成的铝毒害是酸性土壤上作物生长的主要限制因素和森林大面积退化的重要原因。定量分析检测交换性铝含量对植物铝毒害胁迫程度预测及土壤治理措施制订具有极其重要的意义[1,2,3]。交换性铝的检测分析方法主要有氯化钾交换-中和滴定法、原子光谱法、流动分析仪法及光度法等。氯化钾交换-中和滴定法是土壤交换性铝测定的传统方法,需要对氯化钾淋洗处理的浸出液分别以氢氧化钠标准溶液滴定检测交换性酸、交换性氢,由两者之差计算交换性铝,检测步骤繁琐,效率低,检测准确性易受人为因素干扰,不适于批量土壤交换性铝的检测分析。原子光谱法包括原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法等,此类方法准确性高,但仪器昂贵,检测成本高,使用有限[4,5,6,7]。流动分析仪法是现代新兴的一种检测方法,具有自动化程度高、经济安全以及准确高效等优点。但流动分析仪价格高,检测技术要求较高,并未普及[8,9]。光度法所用仪器价格低廉,操作简单,检测快速,应用广泛。目前,常用于测定土壤交换性铝的光度法有铝试剂法、羊毛铬花青R比色法、8-羟基喹啉法等[10,11,12,13]。光度法的检测原理与氯化钾交换-中和滴定法完全不同,而至今尚缺少光度法与传统方法的系统比较分析。此外,不同光度法因使用的显色剂不同而表现出特定的检测特征对土壤交换性铝的测定影响也不明确,测定方法的选择缺乏参考依据[4, 8]。鉴于此,本研究选择铝试剂法、羊毛铬花青R比色法和氯化钾交换-中和滴定法进行比较,探讨3种方法的差异性、精密度、准确性及适用性等,以期优选出土壤交换性铝测定的适宜方法,为准确高效地测定土壤交换性铝的方法选择提供参考依据,为土壤交换性铝实现自动化检测分析提供更多的基础资料。
1 材料与方法
1.1 材料
2018年2月,样品采集于广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站设置在中国林科院热带林业实验中心青山实验场人工林样地。样地位于青山实验场（21°57′N,106°39′E）,属于南亚热带季风气候,年均温度20.5 ℃,年降水量1200 mm,土壤为花岗岩发育成的赤红壤。共取9份交换性铝含量不同的土壤样品。土壤风干后,去除残留的植物残体,压碎过孔径2 mm筛,样品分别编号为1~9,装袋标识。
氯化钾、氢氧化钠、氟化钠、酚酞、铝试剂、硫酸、羊毛铬青、抗坏血酸等试剂均为国产分析纯。
YKM石墨加热板,长沙永乐康医疗设备有限公司;UV765紫外分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司。
1.2 方法
1.2.1 氯化钾交换-中和滴定法 5 g土壤放于铺有滤纸的漏斗中,用1 mol/L氯化钾淋洗多次后,收集的滤液定容至250 mL。取50 mL滤液2份,煮沸5 min,加酚酞1~2滴,一份趁热以0.02 mol/L氢氧化钠标准溶液滴定至微红色。另一份加入35 g/L的氟化钠1 mL,以0.02 mol/L氢氧化钠标准溶液滴定至微红色。2份滤液滴定量分别为V1、V2。按上述操作做空白试验,氢氧化钠用量分别为V01和V02。
交换性铝(mg/L)=[(V1-V01)-(V2-V02)]×C1× ts1×90/(250×k×m)
式中：V1为交换性酸所用氢氧化钠溶液体积,mL;V2为交换性氢所用氢氧化钠溶液体积,mL;V01为交换性酸空白所用氢氧化钠溶液体积,mL;V02为交换性氢空白所用氢氧化钠溶液体积,mL;C1为氢氧化钠标准溶液浓度,mol/L-1;ts1为分取倍数;k为土壤水分系数;m为土壤质量,g。
以上试验重复3次。
1.2.2 铝试剂法 抽取1.2.1中滤液0.5 mL,加入2,4-二硝基苯酚1滴,加入2 mol/L氢氧化钠,使溶液变成黄色,逐滴加入0.5 mol/L硫酸,使溶液恰好变成无色。加入1 mL的1%抗坏血酸溶液,4 mL铝试剂显色剂,定容至25 mL,室温放置2 h后,于波长530 nm处检测。分别抽取10 mg/L铝标准液0、0.25、0.5、1、2 mL重复上述操作,建立标准曲线为y=5.2269x-0.0314（R2=0.9944）。按照下列公式计算：
交换性铝(mg/L)=C2×25×ts2/(250×k×m)
式中：C2为所测吸光值代入标准曲线得到的浓度,mg/L;ts2为分取倍数;k为土壤水分系数;m为土壤质量,g。
1.2.3 羊毛铬花青R比色法 抽取1.2.1中滤液0.5 mL,加入0.5 mL的10 g/L抗坏血酸溶液,10 mL缓冲液,2.5 mL的1%羊毛铬花青R溶液,定容25 mL,室温静置5 min,于波长535 nm处检测。分别抽取10 mg/L铝标准液0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mL,重复上述操作,建立标准曲线为y=0.4057x+0.0113（R2=0.9966）。按照下列公式计算：
交换性铝(mg/L)=C3×25×ts3/(250×k×m)
式中：C3为所测吸光值代入标准曲线得到的浓度,mg/L;ts3为分取倍数;k为土壤水分系数;m为土壤质量,g。
1.3 数据处理
1.3.1 差异显著性检验 采用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理与计算,利用SPSS 19.0软件进行单因素方差（ANOVA）分析,应用最小显著差异法（LSD）对组间差异进行多重比较。
1.3.2 精密度、准确性检验 （1）精密度检验。1~3号土壤浸出液分别采用3种方法重复测定7次。
3种方法测量值标准偏差
$（SD）=[\frac{1}{n-1}\sum^n_{i=1}(x_i-\overline x)^2]$ ;
变异系数(CV)= SD/$\overline x$×100%
（2）准确性检验。1~2号土壤浸出液加4 mg/L的铝标准溶液,使用氯化钾交换-中和滴定法测定交换性铝。另两组1~2号土壤浸出液各加1.6 mg/L的铝标准溶液,使用铝试剂法和羊毛铬花青R比色法测定交换性铝。以上试验重复3次。
回收率=(加标测定结果-本底值)/加标量× 100%。
2 结果与分析
2.1 3种方法测定结果的比较
由表1可见,交换性铝含量不同的9个土壤样品分别采用3种方法测定,方差分析结果表明,3种方法的测定结果无显著性差异。
表1 3种方法的多重比较Tab. 1 Multiple comparison of three methods |
| 方法 Methods | 交换性铝含量 Exchangeable aluminium content /(mg·L-1) |
|---|---|
| 氯化钾交换中和滴定法 | 4.33±0.8a |
| 羊毛铬花青R比色法 | 4.34±0.85a |
| 铝试剂法 | 4.08±0.78a |
注：数据为平均值±标准误（SE）,数据后的相同小写字母表示差异不显著（P>0.05）。 | |
Note: The data are the mean+standard error (SE), after which the same lowercase letters indicate that the difference is not significant (P>0.05). |
2.2 3种方法的精密度检验
精密度是方法学考察的重要指标之一,表示重复测定的多个测量值的一致程度。通常以变异系数（CV）表示。由表2可见,3种方法的重复试验中,羊毛铬花青R比色法、氯化钾交换-中和滴定法、铝试剂法的CV平均值分别为4.97%、6.26%、7.61%,说明3种方法测定结果的离散度依次呈增大趋势,其精密度依次呈降低趋势。经方差分析,氯化钾交换-中和滴定法与另两种方法相比,CV平均值差异不显著（P>0.05）,而羊毛铬花青R比色法的CV则显著低于铝试剂法（P<0.05）。
表2 3种方法重复性试验（n=7）Tab. 2 Repeatability tests of three methods (n=7) |
| 方法 Methods | 样品编号 Sample No. | 测定结果 平均值 Mean value /(mg·L-1) | SD | CV /% | CV平均值 Mean value of CV/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 氯化钾交换中和滴定法 | 1 | 1.27 | 0.09 | 6.93 | |
| 2 | 3.81 | 0.21 | 5.63 | 6.26±0.37ab | |
| 3 | 1.15 | 0.07 | 6.21 | ||
| 羊毛铬花青R比色法 | 1 | 1.43 | 0.05 | 3.74 | |
| 2 | 4.29 | 0.28 | 6.47 | 4.97±0.80a | |
| 3 | 1.25 | 0.06 | 4.69 | ||
| 铝试剂法 | 1 | 1.2 | 0.07 | 6.08 | |
| 2 | 4.08 | 0.36 | 8.71 | 7.61±0.79b | |
| 3 | 1.07 | 0.09 | 8.03 |
注：同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level. |
2.3 3种方法的准确性检验及线性范围
准确性是方法学考察的重要指标之一,用以表示测量值与真实值的接近程度,通常以回收率表示。由表3可见,羊毛铬花青R比色法、铝试剂法、氯化钾交换-中和滴定法的平均回收率分别为99.28%、93.54%、89.33%。可见,3种方法的准确性依次呈降低趋势。经方差分析,3种方法的回收率无显著性差异（P>0.05）。
表3 3种方法的回收率比较Tab. 3 Comparison of recovery rates of three methods |
| 方法 Methods | 样品号Sample | 本底值 Background value /(mg·L-1) | 加标量 Added content /(mg·L-1) | 加标后测定结果 Found/(mg·L-1) | 平均回收率 Average recovery/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | |||||
| 氯化钾交换中和滴定法 | 1 | 1.27 | 4 | 5.69 | 4.92 | 4.40 | 89.33±0.05a |
| 2 | 3.81 | 4 | 7.23 | 7.58 | 6.86 | ||
| 羊毛铬花青R比色法 | 1 | 1.43 | 1.6 | 2.78 | 3.06 | 2.88 | 99.28±0.05a |
| 2 | 4.29 | 1.6 | 5.99 | 5.77 | 6.21 | ||
| 铝试剂法 | 1 | 1.20 | 1.6 | 2.64 | 2.54 | 2.36 | 93.54±0.06a |
| 2 | 4.08 | 1.6 | 5.71 | 5.73 | 5.84 | ||
注：相同小写字母表示在0.05水平差异不显著。 | |
Note: The same lowercase letters indicate that the difference is not significant at the 0.05 level. |
表4 2种测定方法的标准曲线、R2、线性范围及吸光值范围Tab. 4 Linear equation, R2, linear range and absorbance range of the two methods |
| 方法 Methods | 标准曲线 Standard curve | R2 | 线性范围 Linear range/(mg·L-1) | 吸光值范围 Range of absorbance |
|---|---|---|---|---|
| 羊毛铬花青R比色法 | y=0.4057x+0.0113 | 0.9966 | 0~0.32 | 0~0.778 |
| y=0.4060x+0.0112 | 0.9981 | 0~0.40 | 0~0.957 | |
| y=0.3964x+0.0137 | 0.9979 | 0~0.48 | 0~1.201 | |
| 铝试剂法 | y=5.2269x-0.0314 | 0.9944 | 0~0.8 | 0.006~0.157 |
| y=5.7549x-0.0504 | 0.9845 | 0~1.0 | 0.009~0.170 | |
| y=6.1974x-0.0699 | 0.9786 | 0~1.2 | 0.011~0.189 |
2.4 3种方法的适用性比较
由表5可见,铝试剂法、氯化钾交换-中和滴定法、羊毛铬花青R比色法检测20个土壤交换性铝含量的总用时分别为200、140、85 min,每个土壤的平均检测用时分别为10、7、4.2 min。上述3种方法的检测用时依次减少,检测效率依次升高。氯化钾交换-中和滴定法检测步骤多,待测液加热煮沸及滴定工作繁杂,工作量较大;铝试剂法与羊毛铬花青R比色法检测步骤相似,但其适宜吸光值范围较小,待测液的适宜稀释比选择常需要多次摸索,增加工作量,而羊毛铬花青R比色法最为简捷。说明羊毛铬花青R比色法的适用性较强。
表5 3种测定方法的适用性比较Tab. 5 Comparisons of applicability of three methods |
| 方法 Methods | 准备工作用时（包括试剂配制、抽液、加试剂等） Preparation time (including reagent preparation, pumping, adding reagents, etc.） | 显色时间Developing time/min | 测定用时Measuring time/min | 总用时 Total time /min | 样品平均 检测用时 Average detection time per sample/min | 检测工作量Detection workload |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 氯化钾交换-中和滴定法 | 60 | — | 80 | 140 | 7 | 大 |
| 羊毛铬花青 | 60 | 5 | 20 | 85 | 4.2 | 小 |
| 铝试剂法 | 60 | 120 | 20 | 200 | 10 | 中 |
3 讨论
本研究结果表明,氯化钾交换-中和滴定法的精密度高于铝试剂法,低于羊毛铬花青R比色法;其准确性低于另外2种方法,说明此方法检测效果并不理想。这是因为氯化钾交换-中和滴定法检测步骤多,易因滴定操作、终点判断等偏差而造成一定测定误差。其次,孔晓玲等提出交换性氢滴定时加入的氟化钠使待测液pH上升,以氢氧化钠滴定交换性氢易产生误差。在测定过程所加入氟化钠与铝离子络合,防止铝离子水解生成氢离子的同时还络合了部分羟基铝,络合过程释放出的羟基会消耗了部分交换性氢,从而增加了交换性铝的测定误差[4, 17-19]。氯化钾交换-中和滴定法的操作误差可采取人员检测技能提高等措施降低到较低水平,但交换性氢的测定干扰因素较为复杂,难以避免,故影响此方法的精密度与准确性进一步提高。
由于铝元素的光学活性和电化学活性均较低,使其分析难度增加。现期光度法主要通过选择合适的显色剂实现铝离子的检测分析[20,21,22]。本试验选择的2种光度法采用不同显色剂与铝离子络合生成不同的显色化合物,两者的检测效果有所不同。羊毛铬花青R比色法、铝试剂法的线性范围分别在0~0.32 mg/L,0~0.8 mg/L,与现有研究成果一致[16, 23-26]。羊毛铬花青R比色法的线性范围小于铝试剂法,但其对应吸光值范围是铝试剂法的5倍。说明羊毛铬花青R比色法显色剂本身色浅,其吸收峰与显色化合物吸收峰的间隔较远。铝试剂法的显色剂本身色深,其吸收峰与显色化合物吸收峰的间隔较近,这使得铝试剂法的测定背景干扰较大,试剂空白高,影响检测的准确性,故其标准曲线质量差于羊毛铬花青R比色法。由朗伯-比尔定律可知,A（吸光度）=ε（摩尔吸光系数）×b（液层厚）×c（吸光质点浓度）,ε表示光质点对某波长光的吸收能力,其值越大,测定灵敏度越高。铝试剂法的ε=0.53× 104 L/(mol·cm),羊毛铬花青R比色法的ε=0.656× 105 L/(mol·cm)。可见,铝试剂法灵敏度低于羊毛铬花青R比色法。本试验以南亚热带赤红壤为样品,交换性铝含量含概了高、中、低水平,有一定代表性。土壤溶液中成分较为复杂,磷酸根、铁、锰等多种离子对交换性铝测定均有干扰。研究表明,磷酸根浓度允许达到10 mg/L,远高于常规土壤的磷酸根含量。铁、锰等离子多处于配位状态,自由态浓度不高,但仍可能干扰测定[20, 23]。2种方法均加入抗坏血酸掩蔽干扰离子,而羊毛铬花青R比色法的精密度和准确性高于铝试剂法。说明羊毛铬花青R比色法不易受干扰。有研究认为铝试剂的显色剂易与金属离子形成有色物质,干扰测定。本研究结果从侧面也说明这一点。有研究者[23,24,25]提出铝试剂法易受干扰,其准确性低于羊毛铬花青R比色法的说法与本研究结果一致。另有研究[16]提出羊毛铬花青R比色法易受离子干扰,铝试剂法显色快、干扰小,与本研究结果并不相符。
本研究发现羊毛铬花青R比色法精密度与准确性均高于另2种方法,其中铝试剂的精密度最低,氯化钾交换-中和滴定法的准确性最低。氯化钾交换-中和滴定法CV与另两种方法无显著性差异,羊毛铬花青R比色法CV与铝试剂法有显著性差异。表明铝试剂法本身存在的吸光值范围较窄,方法灵敏度低,显色剂对离子选择性欠佳等问题对方法精密度干扰明显,方法重现性欠佳[23, 25]。氯化钾交换-中和滴定法的准确性因操作误差及土壤性质复杂等原因而受到一定干扰,方法准确性低于2种光度法。此外,铝试剂法显色速度慢,显色时间为120 min,是羊毛铬花青R比色法的24倍,检测效率低[27,28,29,30]。氯化钾交换-中和滴定法费时费工,工作强度大,适用性差。综合比较,羊毛铬花青R比色法有利于准确高效的检测,具有较强的应用优势[23, 30-31],故建议优先考虑作为土壤交换性铝的测定方法。
4 结论
3种方法所测交换性铝无显著性差异。羊毛铬花青R比色法的精密度、准确性和适用性较好,铝试剂法和氯化钾交换-中和滴定法均存在一些不足,不利于准确高效地检测。因此,推荐采用羊毛铬花青R比色法测定土壤交换性铝。