土壤阳离子交换性能的分析

土壤阳离子交换性能的分析

1.1概述

土壤中阳离子交换作用，早在19世纪50年代已为土壤科学家所认识。当土壤用一种盐溶液（例如醋酸铵）淋洗时，土壤具有吸附溶液中阳离子的能力，同时释放出等量的其它阳离子如Ca2+、Mg2+、K+、Na+等。它们称为交换性阳离子。在交换中还可能有少量的金属微量元素和铁、铝。Fe3+ (Fe2+)一般不作为交换性阳离子。因为它们的盐类容易水解生成难溶性的氢氧化物或氧化物。

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[cation exchange capacity，简作（Q）]，其数值以厘摩尔每千克（cmol·kg-1）表示。土壤交换性能的分析包括土壤阳离子交换量的测定、交换性阳离子组成分析和盐基饱和度、石灰、石膏需要量的计算。

土壤交换性能是土壤胶体的属性。土壤胶体有无机胶体和有机胶体。土壤有机胶体腐殖质的阳离子交换量为200～400cmol·kg-1。无机胶体包括各种类型的粘土矿物，其中2:1型的粘土矿物如蒙脱石的交换量为60～100cmol·kg-1，1:1型的粘土矿物如高岭石的交换量为10～15cmol·kg-1。因此，不同土壤由于粘土矿物和腐殖质的性质和数量不同，阳离子交换量差异很大。例如东北的黑钙土的交换量为30～50cmol·kg-1，而华南的土壤阳离子交换量均小于10cmol·kg-1，这是因为黑钙土的腐殖质含量高，粘土矿物以2:1型为主；而红壤的腐殖质含量低，粘土矿物又以1:1型为主。

阳离子交换量的测定受多种因素影响。例如交换剂的性质、盐溶液的浓度和pH等，必须严格掌握操作技术才能获得可靠的结果。作为指示阳离子常用的有NH4+、Na+、Ba2+，亦有选用H+作为指示阳离子。各种离子的置换能力为Al3+> Ba2+>

Ca2+> Mg2+> NH4+> K+> Na+。H+在一价阳离子中置换能力最强。在交换过程中，土壤交换复合体的阳离子，溶液中的阳离子和指示阳离子互相作用，出现一种极其复杂的竞争过程，往往由于不了解这种作用，而使交换不完全。交换剂溶液的pH是影响阳离子交换量的重要因素。阳离子交换量是由土壤胶体表面的净负电荷量决定的。无机、有机胶体的官能团产生的正负电荷和数量则因溶液的pH和盐溶液浓度的改变而变动。在酸性土壤中，一部分负电荷可能为带正电荷的铁、铝氧化物所掩蔽，一旦溶液pH升高，铁、铝呈氢氧化物沉淀而增强土壤胶体负电荷。尽管在常规方法中，大多数都考虑了交换剂的缓冲性，例如酸性、中性土壤用pH7.0，石灰性土壤用pH1.2的缓冲溶液，但是这种酸度与土壤，尤其是酸性土壤原来的酸度可能相差较大而影响结果。

最早测定阳离子交换量的方法是用饱和NH4Cl反复浸提，然后从浸出液中NH4+的减少量计算出阳离子交换量。该方法在酸性非盐土中包括了交换性Al3+，即后来所称的酸性土壤的实际交换量（Q+，E）。后来改用1mol·L-1NH4Cl淋洗，然后用水、乙醇除去土壤中过多的NH4Cl，再测定土壤中吸附的NH4+（Kelly and Brown,1924）。当时还未意识到田间pH条件下，用非缓冲性盐测定土壤阳离子交换量更合适，尤其对高度风化的酸性土。但根据其化学计算方法，已经发现土壤可溶性盐的存在影响测定结果。后来人们改用缓冲盐溶液如乙酸铵（pH7.0）淋洗，并用乙醇除去多余的NH4+以防止吸附的NH4+水解（Kelly，1948；Schollenberger and Simons，1945）。这一方法在国内应用非常广泛，美国把它作为土壤分类时测定阳离子交换量的标准方法。但是，对于酸性土特别是高度风化的强酸性土壤，往往测定值偏高。因为pH7.0的缓冲盐体系提高了土壤的pH，使土壤胶体负电荷增强。同理，对于碱性土壤则测定值偏低（Kelly，1948）。

由于CaCO3的存在，在交换交换清洗过程中，部分CaCO3的溶解使石灰性土壤交换量测定结果大大偏高。对于含有石膏的土壤也存在同样的问题。Mehlich A（1942）最早提出用0.1mol·L-1BaCl2—TEA（三乙醇胺）pH1.2缓冲液来测定石灰性土壤的阳离子交换量。在这个缓冲体系中，因CaCO3的溶解受到抑制而不影响测定结果。但是，土壤SO42-的存在将消耗一部分Ba2+使测定结果偏高。Bascomb(1964)改进了这一方法，采用强迫交换的原理用MgSO4有效地代换被土壤吸附的Ba2+。平衡溶液中离子强度对阳离子交换量的测定有影响，因此在清洗过程中，固定溶液的离子强度非常重要。一般浸提溶液的离子强度应与田间条件下的土壤离子强度大致相同。经过几次改进后，BaCl2—MgSO4强迫交换的方法，能控制土壤溶液的离子强度，是酸性土壤阳离子阳离子测定的良好方法，也可用于其他各种类型土壤，目前它是国际标准方法。

1.2酸性土交换量和交换性阳离子的测定

1.2.1酸性土交换量的测定

1.2.1.1 BaCl2—（强迫交换）法[4，5]

1.2.1.1.1方法原理用Ba2+饱和土壤复合体

经Ba2+饱和的土壤用稀BaCl2溶液洗去大部分交换剂之后，离心称重，求出稀BaCl2溶液量。再用定量的标准MgSO4溶液交换土壤复合体中的Ba2+。

[土]x Ba2++yBaCl2 (残留量)+zMgSO4 [土]xMg2++yMgCl2 (z－x－y)MgSO4+(x+y)BaSO4↓