阳雄宇 金菲英 闵相云 白宏静 赵秀玲 陈贺海

Abstract A method for determination of calcium carbonate in soil by ion chromatography was established. Soil samples were extracted with dilute hydrochloric acid solution and ultra-pure water respectively. The calcium ion contents in the two extracts were measured by ion chromatography. The calcium ion content contributed by non-calcium carbonate was then deducted, and finally, the calcium carbonate content in soil was calculated. Using ion chromatography, calcium ions had a good linear correlation between their concentration and the instrument response value at a concentration of 0-100 mg/L, with a correlation coefficient R² of 0.9998 and the detection limit of 0.009 g/kg. The spiked recoveries at three different concentration levels ranged from 90.0% to 104.7%, with RSDs of 4.53%, 0.50%, and 1.73%, respectively. Compared with the traditional gas volumetric method, ion chromatography has the advantage of less interference, and there is a significant difference in the detection results of the two methods when analyzing the same sample. Ion chromatography is an accurate method for determining the content of calcium carbonate in soil, with the advantages of good selectivity, less interference and high accuracy.

Keywords chromatography; soil; calcium carbonate; detection

钙是植物生长必需的营养素之一^[1-2]，能稳定植物的细胞膜、细胞壁，还参与第二信使传递，调节渗透作用，具有酶促作用等功能^[3]。土壤中钙的含量及存在形式对植物生长发育具有重要影响。通过长期调查研究发现，大部分土壤含钙量较高，表土平均含钙量可达1.37%，大多数土壤浸提液中钙离子含量约为10～20mg/L^[4]，正常情况下可满足大部分农作物生长发育的需要。然而，并非所有土壤都不缺钙，目前已有研究发现，在北方含钙量高的石灰性土壤中也出现了农作物缺钙的症状，而且果树、蔬菜等对钙需求量较高的作物缺钙现象较为普遍，如苹果的苦痘病或水心病^[5]，鸭梨的黑心病^[6]，蔬菜中甜椒肌腐病^[7]和大白菜干烧心^[8]等均是由于缺钙导致的。果树缺钙不仅影响产量，而且会使果实品质变差，不耐贮藏^[5]，影响销售。

土壤中的钙有4种形态，分别是有机物中的钙、矿物态钙、交换性钙和水溶性钙^[9]。其中矿物态钙是土壤中储备钙的主要形式，决定着土壤能否长期为农作物提供充足的钙。碳酸钙是矿物态钙的主要成分，也是各类土壤肥力调查中常测指标之一。目前，关于土壤中碳酸钙的检测，主要以气量法和中和滴定法为主，气量法是利用碳酸钙与稀盐酸反应产生二氧化碳，通过测量二氧化碳体积，从而计算出土壤中碳酸钙含量^[10]；中和滴定法是利用过量稀盐酸消耗土壤中碳酸钙，再通过标准碱回滴剩余的稀盐酸，从而计算出碳酸钙的含量^[11]。气量法需要搭建特定的气密装置，且存在检测结果偏高（所有碳酸盐均被计入碳酸钙）、检测效率偏低等问题。中和滴定法同样存在检测结果偏高的问题，此外稀盐酸加入量不好掌握、滴定终点难以辨别等因素也影响了该方法的准确度^[11-13]。

离子色谱是一种可快速测量各类阴离子、阳离子的仪器，具有自动化、选择性好、灵敏度高、结果准确等优点，已被越来越广泛地应用于土壤中各类阴离子和阳离子的检测^[14-15]。为解决土壤中碳酸钙含量测量准确性的问题，本文作者研究了一种运用离子色谱法准确测量土壤中碳酸钙含量的方法，可排除碳酸钙以外其他碳酸盐的干扰，旨在提升土壤中碳酸钙测量的准确度。

1 实验部分

1.1 实验原理

基于土壤中碳酸钙溶于稀盐酸但难溶于水，以及水难溶性钙（硫酸钙、硅酸钙等）、交换性钙不会被稀盐酸溶液浸提，而其他水溶性钙（碳酸氢钠、氯化钙、硝酸钙、氧化钙等）会溶解于水的物理化学性质，分别利用过量稀盐酸、超纯水提取土壤中的酸溶性钙（含水溶性钙）和水溶性钙，使用离子色谱测定上述2种提取液中的钙离子浓度，扣除稀盐酸浸提液中水溶性钙部分，得到碳酸钙贡献的钙离子，从而计算得出土壤中碳酸钙的含量。

1.2 仪器与试剂

ICS2100型自动进样离子色谱仪，配备DS6可加热电导检测器、DIONEX CDRS 600（4 mm）阳离子抑制器、7.2 SR5变色龙工作站，购于赛默飞世尔科技（中国）有限公司；Milli-Q A基础款超纯水机购于默克密理博公司；MS205DU十万分之一电子分析天平购于梅特勒托利多科技（中国）有限公司；5804R离心机购于德国艾本德公司；TIR-X70型远红外干燥箱购于上海喆图科学仪器有限公司；VK125手提便捷式真空泵购于台州唯珂思贸易有限公司。

盐酸溶液（0.5 mol/L）、氯化钙标准物质（高纯试剂，99.99%）、石英砂（分析纯）、碳酸钙（优级纯）、0.45 μm水系微孔滤膜均购于国药集团化学试剂有限公司；甲磺酸（≥99.0%）购于CNW科技有限公司；超纯水（电阻率≥18. 2 MΩ·cm）由纯水机制得。

1.3 溶液配制

1000 mg/L钙离子标准储备液的配制：称取经110℃烘2 h的氯化钙0.2769 g，溶于适量水中，稍冷后全量转入100 mL容量瓶中，用水稀释定容至刻度线。转移至聚乙烯瓶中，于4℃下避光冷藏和密封，待用。

钙离子标准曲线溶液的配制：分别准确移取1000 mg/L钙离子标准储备液0.5 mL、1.0 mL、2.0 mL、5.0 mL、10.0 mL置于一组100 mL容量瓶中，然后用超纯水定容至刻度线，混匀。钙离子标准曲线浓度分别为5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L，标准曲线零点由超纯水校正。

甲磺酸淋洗液（0.02 mol/L）的配制：移取1.31 mL甲磺酸于1000 mL容量瓶中，用水稀释定容至标线，混匀。

1.4 实验过程

酸溶性钙（含水溶性钙）的提取：称取通过0.149 mm筛孔的风干土样2.0 g（精确到0.001 g），放在100 mL高型烧杯中，用移液管少量多次加入0.5 mol/L盐酸溶液 30.00 mL，盖以表面皿，用玻璃棒持续搅拌，至彻底无气泡产生为止；稍冷，用0.45 μm水系微孔滤膜抽滤，用超纯水润洗烧杯和玻璃棒3～4次，洗液全量抽滤后转移至100 mL容量瓶中，用超纯水定容至标线。可根据土样中碳酸钙含量的大小，稀释一定倍数后再装样，利用离子色谱进样分析，得到酸溶性钙离子浓度。

水溶性钙的提取：除用超纯水替代0.5 mol/L盐酸溶液和无需稀释进样以外，其余步骤与酸溶性钙的提取一致。最后利用离子色谱进样分析，得到水溶性钙离子浓度。土壤中碳酸钙含量计算过程见公式

(1)

式（1）中，ρ为土壤样品中碳酸钙含量（g/kg）；C₁为酸溶性钙离子浓度（mg/L）；C₂为水溶性钙离子浓度（mg/L）；V为定容体积（mL）；2.5为钙离子转化为碳酸钙的系数；f为酸溶性钙提取液稀释倍数；m为土壤称样量（g）。

1.5 仪器条件

色谱柱：Dionex IonPac^TMCS12A（4 mm×250 mm）；保护柱：IonPac CG12A（4 mm×50 mm）；抑制器电流79 mA；柱温恒定为30.0℃；样品注射体积为25.0 μL；以0.02 mol/L甲磺酸水溶液为淋洗液定速洗脱，泵流速1.0 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线与测定下限

将钙离子标准曲线溶液依次注入离子色谱分析，得到浓度-峰面积系列数据对。以钙离子质量浓度为X轴，峰面积为Y轴，线性拟合绘制标准曲线，如图1所示，在0～100 mg/L的浓度范围内，离子色谱中钙离子的仪器响应值与其质量浓度呈良好的线性关系。以3倍信噪比值计算出仪器检出限为0.067 mg/L，将仪器检出限代入公式（1）中计算得出方法检出限为0.009 g/kg，一般情况下以检出限的4倍作为方法测定下限^[16]，即为0.036 g/kg。

图1 钙离子标准曲线

Fig.1 Standard curves for calcium ions

2.2 谱图分析

2.2.1 标准溶液谱图

分析标准标液色谱图发现，谱图基线波动小，目标物质峰型对称度高，无拖尾开叉等现象，分离效果良好。钙离子出峰时间较晚，在12.7 min附近，必要时可采取提高流速、增加淋洗液浓度等措施将出峰时间提前，以减少进样时间^[17-18]。

图2 钙离子标准溶液色谱图

Fig.2 The chromatogram of calcium ion standard solution

2.2.2 样品谱图

土壤样品酸溶性钙提取液中钙离子色谱图如图3所示，通过观察发现，钙离子峰与镁离子峰可完全分离，且峰形符合高斯分布，便于积分定量，表明经本法前处理后样品溶液中各组分间有较高的分离度，不存在显著的干扰现象。

图3 土壤样品中钙离子色谱图

Fig.3 The chromatogram of calcium ion in soil samples

2.3 加标回收率及精密度试验

称取3份石英砂样品（模拟土壤样品），各自添加1 mg、20 mg和80 mg的碳酸钙并充分混匀，得到碳酸钙含量不同的加标样品3份，用本法对3份加标样品同步测定6次，得到的加标回收率和相对标准偏差计算结果见表1。可知加标回收率分布范围在90.0%～104.7%之间，不同含量下重复测定的相对标准偏差分别为4.53%、0.50%和1.73%。结果表明，本方法的准确度及精密度较好，可满足常规分析的要求。

表1 加标回收率和精密度

Table 1 Spiked recoveries and precisions

2.4 方法比对

选择3个碳酸钙含量不同的土壤样品，采用离子色谱法和传统气量法分别同时测量6次，检测结果及相对偏差见表2。可知两种分析方法的相对偏差在1.24%～4.81%之间，利用SPSSPRO软件对3组数据进行T检验，结果显示P值均小于0.05，说明两种方法存在显著性差异，这是因为使用传统气量法检测土壤中碳酸钙的含量时，其测定结果包含了全部碳酸盐的含量，而离子色谱法仅包含其中碳酸钙部分。

表2 两种分析方法的比较

Table 2 Comparison of two analysis methods

3 结论

本研究建立了离子色谱测量土壤中碳酸钙含量的方法，实验结果表明该方法具备选择性好、准确度高、检出限低等优势，不同含量下的加标回收率在90.0%～104.7%之间，RSD分别为4.53%、0.50%和1.73%，准确度及精密度均能满足分析要求，分析过程相对于传统气量法干扰更小，适用于土壤中碳酸钙含量的准确测定。

参考文献

[1]井大炜, 邢尚军, 马丙尧, 等. 土壤与植物中钙营养研究进展[J]. 生物灾害科学, 2012, 35(4): 447-451.

[2]许仙菊, 杨治平, 张强, 等. 土壤与植物中钙营养的研究进展[J]. 山西农业科学, 2004(1): 33-38.

[3]陆景陵. 植物营养学（上册）[M]. 北京: 北京农业出版社, 1994: 14.

[4]梁和, 马国瑞, 石伟勇, 等. 钙硼营养与果实生理及耐贮性研究进展[J]. 土壤通报, 2000(4): 187-190.

[5]罗志军, 田秀英. 果树钙素营养研究进展[J]. 北方园艺, 2006(1): 56-58.

[6]刘剑锋. 梨果实钙的吸收、运转机制及影响因素研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2004.

[7]顾汉龙. 春季大棚甜椒缺钙的防治措施[J]. 长江蔬菜, 2011(5): 26.

[8]缪颖, 曹家树, 蒋有条, 等. 大白菜干烧心病发生过程中Ca²⁺-ATPase活性的变化[J]. 园艺学报, 1998(1): 52-56.

[9]周卫, 林葆. 土壤中钙的化学行为与生物有效性研究进展[J]. 土壤肥料, 1996(5): 19-22.

[10]杜森, 高祥照. 土壤分析技术规范[M]. 第二版. 北京: 中国农业出版社, 2006: 113-114.

[11] LY/T 1250—1999 森林土壤碳酸钙的测定[S]. 北京: 国家林业局, 1999.

[12]任少芳, 郑祥民, 艾东升, 等. 气量法测定下蜀黄土碳酸钙含量的改进[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(3): 8-12.

[13]鲁晓明. 土壤中碳酸钙和有机碳测定的一种新方法[J]. 首都师范大学学报(自然科学版), 1993(2): 59-63.

[14]张晨芳, 刘献锋, 李墨, 等. 碱熔-超声提取-离子色谱法测定土壤中总氟化物的含量[J]. 理化检验(化学分册), 2023, 59(1): 93-97.

[15]海泉, 乌英嘎, 田蕾. 微波消解-离子色谱法测定土壤中的碱金属[J]. 盐科学与化工, 2018, 47(6): 42-45.

[16] HJ 168—2020 环境监测分析方法标准制订技术导则[S]. 北京: 生态环境部, 2020.

[17]程珊珊. 离子色谱法测定水中七种无机阴离子检测参数的优化[J]. 化学工程与装备, 2021(12): 205-206.

[18]郝欣欣, 武存磊. 离子色谱法测定水中4种无机阴离子的试验条件控制研究[J]. 中国资源综合利用, 2020, 38(10): 23-26.

y = 0.347x

R² = 0.9998

第一作者：许晨（1989—），女，汉族，河北沧州人，硕士，主要从事进出口食品检验工作，E-mail: 1065397942@qq.com

1. 黄骅港海关 沧州 061113

1. Huanghuagang Customs, Cangzhou 061113