本文对重铬酸钾氧化法测定土壤有机质的方法和特点及应用范围进行了论述和评价,并分析不同测定方法对测定土壤有机质含量的影响,比较了各方法的优缺点以及研究中适宜选择的方法,并展望了土壤有机质准确、精密、快速、无污染测定方法的发展趋势。 The potassium dichromate oxidation methods are main methods for determination the content of soil organic matter. Their characteristics and application ranges were discussed and evaluated. The influence of the above methods on the determination the content of soil organic matter was analyzed. The optimal method was chosen by the comparing the advantages and disadvantages of each method. The prospect of accurate, precise and rapid analytical method with less pollution for determining the soil organic matter in future was proposed.
李超群,刘立平,郭斌,赵锦华,任颖俊,肖志勇
湖南省地质测试研究院,湖南 长沙
收稿日期:2017年12月4日;录用日期:2017年12月19日;发布日期:2017年12月29日
本文对重铬酸钾氧化法测定土壤有机质的方法和特点及应用范围进行了论述和评价,并分析不同测定方法对测定土壤有机质含量的影响,比较了各方法的优缺点以及研究中适宜选择的方法,并展望了土壤有机质准确、精密、快速、无污染测定方法的发展趋势。
关键词 :重铬酸钾氧化法,土壤,有机质,测定方法,应用
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有机质作为土壤的重要组成部分,对土壤结构的形成和质量的改善具有决定作用,通过测定土壤中有机质的含量,可以了解土壤的理化性质,为土壤环境监控、有效利用和土壤改良提供数据支撑。当前测定有机质含量的方法主要包括干烧法、湿烧法、化学氧化法、灼烧法等,近年来,又相继开发了红外光谱、核磁共振和同位素示踪等一些先进方法对土壤有机质性质进行研究,并取得了引人注目的进展。但重铬酸钾氧化法仍是土壤有机质测定中普遍使用的经典方法,快速、简便、不需要特殊的设备和操作技术,适用于大量样品的分析。本文综述了近十几年文献中报道的重铬酸钾氧化法测定土壤中有机质的方法,并且进行了分类描述,以便于人们了解有机质测定的现状和合理选择适宜的分析方法,提高测定结果的准确性与可靠性,为进一步研究有机质测定方法和揭示土壤有机质的性质提供参考。
上世纪50年代以来,重铬酸钾氧化法成为世界各国在土壤有机质研究领域中广泛使用的经典方法。虽然重铬酸钾的浓度或测定条件稍有差异,但其基本原理是相同的,用一定浓度的过量的K2Cr2O7-H2SO4溶液氧化土壤有机质后,再用标准硫酸亚铁溶液滴定剩余的重铬酸钾,测定消耗的K2Cr2O7的量或形成产物的量,从而计算出土壤中有机质含量。
重铬酸盐消解溶液中,有三种测量产物,过剩的 Cr 2 O 7 2 − ,形成的Cr3+和CO2,在湿烧法中,CO2被收集来确定有机质的量;在重铬酸盐氧化法中,通过滴定法或比色法测定溶液中的 Cr 2 O 7 2 − 和Cr3+,以确定有机质的含量。
重铬酸钾氧化法是我国测定有机质含量的权威方法,已发布多部国标和行业标准。根据加热方式不同,分为外加热法和水合热(稀释热)法。
外加热重铬酸钾氧化法测定土壤有机质过程中,加热介质有:植物油、甘油、石蜡、磷酸、水浴、砂浴,加热设备有:电炉、电烘箱、电热恒温箱、微波消解、高压密闭容器消解、远红外直接加热设备等。
重铬酸钾氧化——油浴加热法是按照国家或行业标准要求对土壤有机质进行分析测定的通用的常规方法。该方法采用油浴介质(如石蜡、植物油或甘油)加热样品,氧化温度为170℃~180℃,溶液保持沸腾5 min左右,对有机质的氧化率可达90%~95%,因此计算有机质时要乘上校正系数,通常为1.08~1.1,外加热法不受室温干扰。
东明 [
夏清华等 [
许金树等 [
王纪忠等 [
刘肖 [
夏莺等 [
不少研究者 [
磷酸沸点213℃,不易挥发,也不易分解。磷酸浴法温度稳定,易于控制,与油浴法比较起来操作更加环保、安全,不需要特殊的仪器设备。
邵敏 [
GB9834-88规定了土壤有机质的电沙浴加热测定法,消解温度200℃~230℃,时间5 ± 0.5 min,有机碳的氧化率为100%。
邵敏 [
刘彬等 [
张明怡 [
顾宇书等 [
栾忠平等 [
和振云等 [
杨乐苏 [
刘满昌 [
1) 消化炉加热法
杨乐苏 [
李优琴等 [
王育灿等 [
李婧 [
刘爱叶等 [
2) 微波消解
邵敏 [
曹煊等人 [
常用的敞开式外加热容量分析法,均存在环保和安全性方面的缺陷,也易受外界环境影响,消解程度难以保障,分析稳定性不高。曹煊等人 [
季天委 [
郭旭欣 [
阎德仁 [
利用浓H2SO4加入到K2Cr2O7水溶液中所产生的热量(水合热、稀释热)来氧化土壤有机质。测定结果需要乘以氧化率校正系数1.32 (按平均回收率75.8%计算)。
水合热法是由walklye和Black于1934年首次提出的(简称w-B法)。我国第二次土壤普查技术规程将其作为测定有机质的方法之一。
钱宝等 [
霍晓婷 [
季天委 [
在一定条件下,用重铬酸钾氧化土壤中有机碳,部分Cr(Ⅵ)被还原成绿色Cr(Ⅲ),观察其反应后溶液的颜色,和标准色阶相比较,就可以计算土壤中有机质的含量。
李婧 [
在外加热条件下,土壤样品中的有机质被过量重铬酸钾–硫酸溶液氧化,重铬酸钾中的铬(Ⅵ)被还原为铬(Ⅲ),用分光光度计于585 nm波长处测定铬(Ⅲ)吸光度,在一定范围内,吸光度与样品中有机质的质量分数成正比,与葡萄糖标准溶液系列比较定量求得有机质质量分数。
辜忠春等 [
周建青等 [
胡小明等 [
王屹等 [
杨贵明 [
电位滴定法是根据滴定过程中电极电位的变化以确定滴定的终点,进而计算待测物质含量的分析方法。
郝国辉等 [
采用电位滴定省去了指示剂变色带来的人为操作误差。长管消解系统的使用,将消解过程中的酸蒸汽进行了自动中和,降低了实验成本,减少了环境污染,降低了实验消解过程的危险性。全自动电位滴定仪的使用大大降低人工操作的工作量,提高了工作效率,同时提高了数据准确性。该方法所得数据完全符合实验室质量控制中精密度和准确度要求(CNY/T395-2012),是检测农田土壤中有机质含量较好的途径。
郝会军 [
在重铬酸钾氧化测定法中,土壤中的碳酸盐并不影响有机质测定,但在测定石灰性土壤样品时,也必须慢慢加入K2Cr2O7-H2SO4溶液,以防止由于碳酸钙的分解而引起激烈发泡。
土壤中活性锰、亚铁以及氯离子对测定有干扰,土壤中如果含有低价铁和氯化物,则会过多消耗重铬酸钾导致结果偏高。
6 Fe 2 + + Cr 2 O 7 2 − + 14 H + → 2 Cr 3 + + 6 Fe 3 + + 7 H 2 O
6 Cl − + Cr 2 O 7 2 − + 14 H + → 2 Cr 3 + + 3 Cl 2 + 7 H 2 O
若土壤中Cl−含量较少时,可加少量的Ag2SO4,从而除去Cl−离子,Ag2SO4的用量不能太多,约加0.1 g左右,否则生成Ag2Cr2O7沉淀,影响滴定。若土壤中还原性物质(Fe2+、Mn2+)较多时,可以让土样充分风干,使之彻底氧化。
活性的MnO2存在将产生负误差,但大多数土壤中活性的氧化锰的量是很少的,因为仅新鲜沉淀的MnO2参加氧化还原反应,即使锰含量较高的土壤,存在的MnO2中很少部分能与K2Cr2O7发生氧化还原作用,所以,对绝大多数土壤,MnO2的干扰不致产生严重的误差。
外加热重铬酸钾氧化法的优点是可以获得较为准确的分析结果,适用于大量样品的分析,但操作较为繁琐,实验条件控制要求严格,滴定终点观察、判断要求准确把握。此外由于高温油浴消解易引起环境污染,对人体会产生危害,试管上粘附的油污不易清洗,而且在清洗过程中如不慎会将管外油垢带入管内,导致测定结果偏高。对于滴定分析法,指示剂易被悬浮土粒吸附,使终点颜色变化不明显,不易于分辨。特别是当土壤颜色较深时,溶液颜色变化较为模糊。
水合热重铬酸钾氧化法省去了加热设备,但因温度低导致有机碳氧化不完全,受土壤类型和环境温度影响较大,结果不稳定,重现性差,浓硫酸使用量大,适于在室温20℃以上的条件下进行。氧化校正系数只对测定样品适用,不同类型的土壤之间,这个转化系数会有差异。水合热法准确度低,应用受到限制。
比色法在有一定准确度的情况下能够做到简单易行,快速得出分析结果,适合于在条件艰苦和对实验结果精度要求不高的地方使用。
重铬酸钾氧化——分光光度法,灵敏度高,选择性好,准确度高,分析成本低、操作简便、快速,结果准确度和精密度较好。
电位滴定法客观可靠,准确度和精密度高,不受溶液有色、浑浊的限制,易于自动化,可大大提高分析效率。
土壤有机质的重铬酸钾氧化分析法测定结果准确度和精密度高,不会受样品中碳酸盐的干扰,也不需要使用特殊仪器,特别是通过不断改进加热条件和设备后,方法日趋完善,在大量样品分析中显示出其重要的价值,成为我国国标和行业测定方法,也是现今实验室广泛使用的土壤有机质分析方法,因此重铬酸钾氧化测定法值得继续深入研究。
李超群,刘立平,郭 斌,赵锦华,任颖俊,肖志勇. 土壤有机质的重铬酸钾氧化测定方法述评和应用Potassium Dichromate Oxidation Methods’ Review and Application for Determination of Soil Organic Matter[J]. 冶金工程, 2017, 04(04): 251-259. http://dx.doi.org/10.12677/MEng.2017.44036