分析化學實驗中土壤有機質含量測定的教學研究

鄭國華, 李 麗, 陳 潔, 胡飛飛

(1. 新疆大學 化學化工學院, 新疆 烏魯木齊 830046；2. 新疆大學 電氣工程學院, 新疆 烏魯木齊 830046)

通過結合新疆不同地域以及不同土壤類型,利用重鉻酸鉀法、簡易比重計法、乙酸銨緩沖法設計綜合實驗，測定土壤中有機質的含量、土壤顆粒度、土壤陽離子交換量(CEC)以及土壤顆粒度和土壤有機質含量相關性的實驗表征,在很大程度上提高和加強了學生查閱和組織文獻資料并且設計綜合復雜實驗的能力,同時也進一步提高了大學分析化學實驗的教學質量和水平。新疆地域遼闊,地形復雜,土壤形成過程是在自然環境條件,包括氣候條件、地質條件、水文地質條件、生物條件、成土母質條件等多種因素作用下形成的,不是單一的某種因素形成的,而是在各種因素互相制約、相互影響的綜合作用下形成的[1-3]。本論文通過暗栗鈣土、栗鈣土、石灰性草甸鹽土、石灰性草甸土、棕鈣土、鹽化灰漠土、潮土、鹽化潮土、結殼鹽土等9種新疆土壤類型,設計和完成了土壤中有機質含量的測定以及顆粒度與土壤有機質含量相關性的分析實驗教學研究。本教學實驗研究是一次產、學、研相結合的有益嘗試,取得了良好的實驗教學效果,值得推廣。

1 實驗設計

1.1 土壤采樣與處理

將采集到的土樣捏碎大土塊,除去較大的石礫、磚瓦等侵入體及植物殘體等雜質,土樣自然風干,將其研磨、過篩后裝袋備用[1-2]。

1.2 土壤中有機質含量的測定

準確稱取經130 ℃烘干3～4 h的分析純重鉻酸鉀39.2245 g,用少量水溶解,然后移至1 000 mL容量瓶中,加水定容,此溶液濃度為0.800 0 mol/L的重鉻酸鉀標準液；稱取硫酸亞鐵銨78.4 g,溶解于600～800 mL水中,加濃硫酸20 mL,攪拌均勻,加水定容至1 000 mL(必要時過濾),貯藏于棕色瓶中保存。硫酸亞鐵標準溶液易受空氣氧化,使用時必須每天標定一次準確濃度；稱取化學純硫酸亞鐵0.695 g和分析純鄰啡羅啉1.485 g,溶于100 mL蒸餾水中(紅棕色絡合物),配制的鄰啡羅啉指示劑放入棕色瓶中備用。

準確稱取通過0.25 mm篩孔的風干土0.1～0.5 g(精確到0.000 1 g),放入干燥的硬質試管中,加入0.1 g硫酸銀,然后用吸管加入重鉻酸鉀 5 ml,用注射器加入5 ml濃硫酸,小心搖勻,將試管插入鐵絲籠中。

將鐵絲籠插入185～190 ℃的油浴鍋內,保持溫度170～180 ℃,使溶液沸騰5 min(從試管內溶液開始沸騰起計算時間),然后取出鐵絲籠,擦去管外油液。

用蒸餾水小心將試管內容物無損地洗入250 mL三角瓶中,使瓶內體積為60 mL左右,然后加入鄰啡羅啉指示劑3～5滴,用硫酸亞鐵標準液滴定,顏色由綠色突變到棕紅色為終點,在滴定樣品的同時,必須做3個空白試驗(每籠一次)取平均值[3-10]。其計算公式為:

有機質(g/kg)=

式中:C——硫酸亞鐵標準液的濃度(mol/L)；

V0——滴定空白時消耗硫酸亞鐵體積(mL)；l

V—— 滴定待測液時消耗硫酸亞鐵體積(mL)；

0.003—1/4碳原子的摩爾質量數(g/mol)；

1.724——有機碳換算成有機質的經驗常數；

1.04——方法校正系數。

1.3 土壤顆粒分析—簡易比重計法

稱取通過2 mm篩孔的50 g(精確至0.01 g)風干土樣(黏土或壤土50 g,砂土100 g)置于500 mL錐形瓶中。若含鹽量大于2%時,加去離子水500 ml,靜置澄清,虹吸出上清液,并測定10:1水土比的總鹽量。當有機質在1%以上時應除有機質,先用少量去離子水濕潤后加入6%H2O260ml,蓋上小漏斗置于電熱板上加熱,不停搖動,破壞泡沫至無泡沫發生。基本除凈為止。根據土壤的pH值,于錐形瓶中加入50 mL 0.5 mol/L氫氧化鈉溶液(酸性土壤)、50 mL 0.5 mol/L六偏磷酸鈉溶液(堿性土壤)或50 mL 0.5 mol/L草酸鈉溶液(中性土壤),然后加水使懸浮液體積達到250 mL左右,充分搖勻。在錐形瓶上放小漏斗,置于電熱板上加熱微沸1 h,并經常搖動錐形瓶,以防止土粒沉積瓶底成硬塊。

在1 000 mL量筒上放一大漏斗,將孔徑0.1 mm洗篩放在大漏斗內。待懸浮液冷卻后,充分搖動錐形瓶中的懸浮液,通過0.25 mm洗篩,用水洗入量筒中。留在錐形瓶內的土粒,用水全部洗入洗篩內,洗篩內的土粒用橡皮頭玻璃棒輕輕地洗擦和用水沖洗,直到濾下的水不再混濁為止。同時應注意勿使量筒內的懸浮液體積超過1 000 mL,最后將量筒內的懸浮液用水加至1 000 mL。 將盛有懸浮液的1 000 mL量筒放在溫度變化較小的平穩實驗臺上,避免振動,避免陽光直接照射。

將留在洗篩內的砂粒(2～0.25 mm)用水洗入已知質量的50 mL燒杯(精確至0.001 g)中,燒杯置于低溫電熱板上蒸去大部分水分,然后放入烘箱中,于105 ℃烘6 h,再在干燥器中冷卻后稱至恒量(精確至0.001 g)。再將0.25 mm以上的砂粒,通過1.0及0.5 mm孔徑土壤篩篩分,分別稱出其烘干質量(精確至0.001 g)。 取溫度計懸掛在盛有1 000 mL水的1 000 mL量筒中,并將量筒與待測懸浮液量筒放在一起,記錄水溫(℃),即代表懸浮液的溫度。

用攪拌棒垂直攪拌懸浮液1 min(上下各30次),攪拌時攪拌棒的多孔片不要提出液面,以免產生泡沫,攪拌完畢的時間即為開始靜置的時間(有機質含量較多的懸浮液,攪拌時會產生泡沫,影響比重計讀數,因此在放比重計之前,可在懸浮液面上加幾滴乙醇)。按小于某粒徑顆粒沉降時間表(簡易比重計法用)中所列溫度、時間和粒徑的關系,根據所測液溫和待測的粒級最大直徑值,選定測定比重計讀數的時間,在選定的時間前30 s,將土壤比重計輕輕放入懸浮液中央,盡量勿使其左右搖擺和上下浮沉,記錄土壤比重計與彎液面相平的標度讀數。將讀數經必要的校正計算后,此值即代表直徑小于所選定粒徑mm數的顆粒累積含量(g)。按照上述步驟,分別測得小于0.05、小于0.01和小于0.002 mm各粒級的土壤比重計讀數。按每次測定的實際溫度查土壤比重計溫度校正表,校正值ΔX1[11-12]。設比重計讀數為X0,則校正后讀數X1=X0+ΔX1；查取相關表,可得到相應刻度與彎液面校正的校正值(ΔX2),校正后讀數X2=X1+ΔX2；分散劑校正值=60 mL×51 g[Na(PO3)6]/1 000 mL=3.06 g/L,校正后讀數X3=X2-3.06將風干土樣換算成凈土重:

校正后讀數 = 原讀數-分散劑校正值+溫度校正值+彎液面校正值

將相鄰2粒徑的土粒累積百分數相減。即為該2粒徑范圍內的粒級百分含量。

1.4 土壤陽離子交換量的測定

稱取通過2 mm篩孔的風干樣2.0 g,放入100 mL離心管中,沿離心管壁加入少量1 mol/LNH4OAc溶液,用橡皮頭玻璃棒攪拌土樣,再加1 mol/LNH4AcO溶液至總體積約60 mL,并充分攪拌均勻,將溶液收入離心管內。

將離心管成對放在粗天平的兩盤上,加入乙酸銨溶液使之平衡,再對稱地放入離心機中離心3～5 min,轉速3 000～4 000 r/min,棄去離心管中清液,如此反復3～5次,直至檢測浸出液中無Ca2+存在為止。

蒸餾約20 min,餾出液約達80 mL以后,用甲基紅一澳甲酚綠混合指示劑(或納氏試劑)檢查蒸餾是否完全。

將緩沖管連同錐形瓶內的吸收液一起取下,用水沖洗緩沖管的內外壁(洗入錐形瓶內),然后用鹽酸標準溶液滴定,同時做空白試驗[13-15]。

陽離子交換量:me/100 g =C×(V-V0)×100/m

式中:C— 鹽酸標準溶液的濃度,mol/L;

V— 鹽酸標準溶液的用量,mL;

V0— 空白試驗鹽酸標準溶液的用量,mL;

m— 風干土樣質量,g。

2 結果與討論

2.1 土壤有機質含量與顆粒度

表1是烏魯木齊五家渠不同類型土壤的測定數據。由圖1可知:暗栗鈣土、栗鈣土等土壤類型的有機質含量高達20%以上,其土壤環境質量很好；結殼鹽土、鹽化潮土等土壤類型的有機質含量不到10%,說明其土壤荒漠化程度較高。結合圖1和圖2可知,土壤中有機質含量隨粒徑的增大而減小,栗鈣土、暗栗鈣土等土壤類型的有機質含量較多,其小顆粒(0.005～0.05 mm)含量分布大,結殼鹽土、鹽化潮土等土壤類型的有機質含量較少。以較大顆粒(0.25～0.05 mm)含量分布為主而且以砂粒(0.25～0.05 mm)為主。 其保持養分的能力弱,養分缺乏。從土壤顆粒度分析可知,在不同的質地類型中,其主導顆粒明顯不同。

表1 土壤有機質與顆粒度

圖1 不同土壤類型有機質含量

圖2 不同土壤類型不同粒徑含量

2.2 不同地區土壤中有機質與含鹽量

表2(圖3)和表3(圖4)分別采集了烏魯木齊五家渠、北疆伊犁及南疆庫爾勒地區的結殼鹽土和鹽化潮土,并分別測定了其中有機質與含鹽量的數據。

表2 不同地區結殼鹽土中有機質與含鹽量

圖3 不同地區結殼鹽土中有機質與含鹽量

區域有機質/%含鹽量/%五家渠6.3530.66伊犁1.950庫爾勒11.69.86

圖4 不同地區鹽化潮土中有機質與含鹽量

實驗結果表明，對于結殼鹽土,伊利地區土壤有機質含量較高,而五家渠地區土壤有機質含量相對較低。對于鹽化潮土,庫爾勒地區的土壤中有機質含量相對較多,五家渠地區土壤含鹽量最高。從這2組實驗數據可以看出，五家渠的結殼鹽土和鹽化草甸土的土壤荒漠化程度較高,土壤環境質量還是比較弱。

2.3 土壤中陽離子交換量

土壤陽離子交換量是影響土壤緩沖能力高低,是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據,通常情況土壤中陽離子交換量大,其保肥供肥能力強、土壤環境質量好、荒漠化程度低。表4是五家渠幾種不同土壤類型陽離子交換量的測定結果。

表4 五家渠土壤陽離子交換量 cmol/kg

由圖5可知,五家渠地區的結殼鹽土、荒漠風沙土等土壤類型中的陽離子交換量較少,說明其土壤保肥供肥能力非常弱；石灰性草甸土、鹽化灰漠土、棕鈣土等土壤類型中的陽離子交換量較大,其土壤保肥供肥能力較強,它們相應的有機質含量較多,可見,陽離子交換量會影響到有機質含量的變化。

圖5 五家渠土壤陽離子交換量

3 結語

學生通過查閱大量文獻資料,結合具體的實際問題分析和整理相關的文獻資料,提煉出了和本實驗相關的重要知識點,完成了綜合實驗的設計，并通過五家渠地區不同土壤類型的土壤陽離子交換量的測定來評價土壤保肥能力。通過對實驗結果的合理分析和總結,加強和提高了學生對實驗結果的分析能力。實驗將生產實踐、教學、科學研究成功相結合,取得了良好的實驗教學效果。

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