土壤养分有效性测定及其方法

土壤养分有效性测定及其方法

李立平,张佳宝,朱安宁,邢维芹,唐立松

(中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 210008)

摘 要:在提出土壤养分有效性测定概念的基础上,本文对各种土壤养分有效性的测定方法进行了总结,讨论了这些方法的测定机理、测定效果及近几年的进展。这些方法包括用于磷钾等元素测定的树脂法、用于氮测定的生物培养法和化学提取法、磷测定的氧化铁试纸法和氢氧化铁透析管法和钾的四苯硼钠法。

关 键 词:土壤养分有效性测定;生物培养法;化学提取法;氧化铁试纸法;氢氧化铁透析管法;四苯硼钠法中图分类号:S 15119

文献标识码:A 文章编号:0564

23945(2004)01200842071 理 论

在我国,传统土壤碱解氮(NaOH 水解、康威皿扩散测定)、Olsen 法和Bray-1法提取的磷、1mol/L 中性醋酸铵法提取的钾分别被认为是土壤有效氮、有效磷和有效钾[1,2,3,4,5,6,7]

。

除碱解氮测定中包含了部分有机氮外,其余方法对土壤养分的获得主要是通过离子交换-平衡的方法实现的。在磷提取中,对于固磷能力较强的土壤,部分提取剂中加入络合剂及稀酸,以减少金属离子对磷的固定,从而增加了浸提剂可提取养分的数量。但实际上,加入弱酸后提取的部分磷可能对植物无效[8]。

为了叙述方便,这里将以上方法统称为传统方法。植物生长期间,除传统方法提取的养分外,也有部分其它形态的养分可被植物利用,如易分解有机质中的的氮和磷以及某些矿物中的磷、2B 1型矿物伊利石和蛭石中的钾[9,10,11]。而传统方法对这类养分的提取能力较弱。在植物生长期间,这些养分的释放主要来自于两种动力,一是土壤溶液中速效养分被植物吸收后浓度的降低产生的浓度梯度(如钾和无机磷);另一个是土壤有机物质在微生物作用下的分解(如氮和有机磷)。

因此,仅靠离子交换法测定土壤养分的方法是不能充分反映土壤的养分供应能力的,如中性醋酸铵提取土壤有效钾的方法已被多个研究者证明并不能充分提取对植物有效的钾[12,13,14,15,16]。土壤溶液中养分的活度是其强度因素,而固相中的易变养分是其数量因素[17]。要更加准确地反映土壤养分对植物的有效性,必须用各种方法测定包括土壤固相中易变养分在

内的养分对植物的供应数量。研究表明,对于作物吸收的磷,数量因素可解释磷吸收和产量差异的大部分,而强度因素和肥料用量仅能解释一小部分[18]。

根据土壤固相养分在土壤中释放过程的不同,固相对植物有效的养分测定方法可分为两种:(1)用各种方法持续降低土壤溶液中养分的浓度,从而使胶体上养分离子的吸附-解吸平衡持续向解吸方向移动,以促进土壤固相养分向溶液释放,测定这种情况下土壤养分的供应数量。这种方法适合于固相中有效养分主要以无机形态存在的土壤养分,如钾和部分磷。(2)对于固相有效养分主要以有机形态存在的氮及存在于有机质中的磷,则应采用促进土壤易分解有机质的分解、释放其中存在的易被植物吸收养分的方法。

与传统方法相比,以上过程在更大程度上反映了土壤养分在植物生长过程中的供应数量,因此与植物对养分的吸收有更好的相关性。在这里,笔者将这类方法称为土壤养分有效性测定(Soil nutrition phy 2toavailability test,SNPT )。根据以上叙述,土壤养分有效性测定可定义为,用各种方法,对植物生长期间土壤向植物供应的包括来自土壤固相部分养分数量进行估计。

在国外,用各种提取剂通过离子交换所提取的土壤养分在大多数情况下被称为/可提取态(Ex 2tractable)养分0,如碳酸氢钠可提取态钾(Sodium bi 2carbonate-extractable potassium),考虑植物对土壤养分的实际吸收过程,把这类养分称为/可提取0应当比/有效0更为准确。

本文的土壤养分有效性测定主要是基于近年来土壤养分有效性测定的理论和方法的发展提出的。美国

收稿日期:2002210209

基金项目:中国科学院创新方向项目(KZCX2-404)和国家高新技术发展计划(2001AA245013)支持作者简介:李立平(19722),男,甘肃灵台人,博士生,主要研究方向为土壤物理和土壤养分快速测定技术。

第35卷第1期

2004年2月

土 壤 通 报

Chinese Journal of Soil Science

Vol.35,No.1

Feb.,2004

蒙大拿州立大学的研究者首先提出了植物有效性土壤测定(Phytoavailability Soil Test,PST)的概念[19],指的是用球形混合型树脂包提取多种土壤养分之后测定单个树脂包所吸附的养分数量,来反映土壤向植物供应养分的能力的方法。这一方法后被别人应用[20]。从理论上讲,这种方法对植物有效的有机态养分如氮和部分磷的测定效果有限,这部分养分应该用可促进易分解有机质中养分释放的方法测定。

近年来,出现了很多用于土壤养分有效性测定的方法,其中的电超滤法虽然测定结果好,但由于其测定速度慢,并且需要熟练的操作人员[21,22],因此现已基本不用。本文以下部分对近年来测定土壤养分有效性的研究进展做一综述,并将其包括在土壤养分有效性测定(SNPT)的范围中。

2测定方法

2.1树脂法

2.1.1机理离子交换树脂吸收土壤养分的过程与根系吸收养分的过程相似[23],在两种过程中,养分离子都沿着养分的浓度梯度向库(树脂或根系,sink)运动,树脂和根系对土壤养分的吸收都存在着扩散和质流。因此,离子交换树脂可用于量度土壤养分的植物有效性,即有效养分的数量和供应速率[24],更能反映植物生长期间在根系吸收作用下,土壤养分的释放情况。

树脂法克服了用化学试剂提取土壤有效养分时存在的缺点,如静态、不能解释养分释放和运动过程的动力学[25,26]、有可能提取到那些实际对植物并非有效的养分[8],树脂法适合从酸性到碱性的各种土壤[27]。

目前,树脂法主要用于土壤磷、钾、硫和一些微量元素的有效性的测定,也有用于氮测定的报道。

2.1.2测定方法就树脂本身来说,有片状(膜状)和粒状两种。在实际应用中,为了克服片状和粒状树脂吸附养分后难于从土壤中分离的缺点,可把剪成条状的树脂捆成小捆,在大田使用时可将捆扎的绳头留在地表便于回收[28],或把粒状树脂用多孔材料包裹,做成树脂包[24](Resin capsule或Resin bag)应用。

树脂用于养分有效性测定有两种方法:(1)批方法(Batch system,Batch method):即把树脂和一定量的土壤、过量水混合,振荡一定时间后测定树脂吸附的养分离子数量。这是一种在室内一次性提取出土壤中养分的静态方法,也是最常用的方法。这种方法只能测定养分的数量,而不能测定其扩散的具体过程,因此被认为没有充分利用树脂法的优点。批方法的另一个缺点是提取结束后树脂与土壤分离比较困难[24]。(2)扩散法(Diffusion-sensitive system):即养分离子通过扩散作用到达树脂表面,再与树脂发生离子交换而被吸附,从而测定树脂吸附养分的数量的方法。具体方法是将树脂埋于土壤中,在静止情况下吸附一段时间后测定树脂吸附的养分离子数量。在大田情况下使用时,土壤不需风干、研磨、称重,因此比较简便,结果以每个树脂包或片或单位数量的树脂所吸附的养分数量表示[29]。这种方法比化学浸提方法和批方法更实际更灵敏地测定土壤养分有效性。扩散法所用时间长于批方法,但这种方法既可测定养分的数量,也可以模拟养分吸附的动态扩散过程,研究其动力学过程。在大田应用时有以下优点[30]:(1)树脂与植物根系经受相同的土壤温度和湿度变化;(2)与室内试验相比,易于操作并且需要的时间少,尤其是当试验地点比较远时;

(3)树脂取出后不需要马上分析;(4)树脂可从渗漏水中吸收养分。

2.1.3影响测定结果的因素批方法的测定结果受树脂/土壤/溶液比[31]、振荡时间[32]等因素影响。

树脂吸附离子的速率受树脂类型、从树脂上提取被吸附养分的提取剂[33]、土壤水分运动[34]、温度[35,36]、树脂与植物和微生物的竞争作用[34]、饱和树脂的离子类型[36]、养分离子的移动性和树脂在土壤中的存在时间[30,36]等因素的影响。试验表明,在批系统中,当用硝酸根选择性树脂和Na2SO4作浸提剂时,可使硝态氮的提取量比其它提取剂和树脂的结合方式少一半。磷的提取数量不受提取剂种类的影响。当用硝酸根选择性树脂提取磷时,溶液中高浓度的硝态氮会影响磷的提取效果[33]。研究表明,在北极圈土壤中,当用扩散法测定土壤氮、磷时,在几周之内树脂的吸附量已经达到最大值[30],因此,有些研究者所采用的10周以上以至40多周的埋放时间也许是不必要的。试验中所用树脂的吸附能力要超过处理时间内可能吸附的离子数量[37]。

土壤矿物学性质和固磷特性影响树脂对磷的吸附[37,38],而沉积物和有机酸不影响树脂膜对磷的吸附[39]。Cooperband和Logan[40]证明小分子有机酸对树脂法测定土壤磷没有影响。

2.1.4测定效果从理论上来说,树脂法对土壤养分的测定与植物的养分吸收和产量的相关性要比用化学提取剂的效果要好。很多试验也证明了这一点[32,41~45]。

也有试验证实树脂法和化学试剂提取方法对土壤养分的提取效果相近。Matar等[46]的盆栽试验结果

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