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 151 9
文献标识码:A 文章编号:0564
3945(2004)01 0084 071 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、2 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 toavailability 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 tractable)养分!,如碳酸氢钠可提取态钾(Sodium bi carbonate-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!应当比 有效!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:2002 10 09
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(1972 ),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。

M atar等[46]的盆栽试验结果
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表明,树脂法和Olsen法提取的磷与植物地上部重量、植物吸磷量的相关性相近,但好于乳酸和草酸法。

批方法对钾的提取效果与作物吸钾量的相关性和1 molL-1NH4OAc和0.025molL-1H2SO4的结果相近[43]。

Qian等[32]用加拿大西部135个土壤样品用树脂提取的氮、硫(0.001molL-1CaCl2)磷和钾(0.5 molL-1NaHCO3)与传统方法的结果显著相关,并表明提取时间在15min时已提取完全。

有些试验证实树脂法和化学提取方法与作物生长和养分吸收的相关性相近。

谢建昌和杜承林[47]用树脂包批方法研究了土壤供钾能力与作物吸钾量的关系,表明树脂法提取的钾与作物吸钾量有很好的相关性,作者认为树脂法测定土壤钾有效性比生物培养法简便。

Carlyle和Malcolm[48]将树脂包埋入森林下的土壤中用于测定不同类型森林下土壤氮的有效性,分别在120天和200天后挖出,其测定结果与培养法的测定结果一致。

刘兆辉等[41]用扩散法进行的试验表明,树脂法测定的磷与作物吸磷量间的相关性不如Olsen法高,而用树脂法测定的钾、锰与作物吸收量间的相关性却分别好于中性醋酸铵法和DTPA法。

T urrion等[49]用树脂法提取的H2PO4-和NO3-是常规方法的92%。

有报道认为树脂法对磷的提取效果不如Mehlich-3[50],很多研究者对比了树脂法和化学试剂提取方法对土壤养分的提取效果。

把阴离子交换树脂剪成条,捆成小捆,埋入种植玉米的土壤,吸附2周后再用Cl-交换树脂所吸附的硝酸根离子。

树脂所吸附的硝酸根离子和2mol L-1KCl提取的硝酸根离子有很好的相关性[28]。

2.1.5 应注意的问题 树脂法的测定结果一般应以单位树脂吸附的养分数量来表示。

其对土壤养分含量的多少的区别以树脂在不同土壤中提取养分的多少为依据。

因此,在单个试验中,为了得出正确的结果,必须对测定的条件和树脂本身进行有效的控制。

应当注意:(1)所用树脂的形状和大小、吸附能力应相同。

(2)在处理时间内,树脂的吸附能力相对于土壤养分的供应数量来说是无限的,即前者远大于后者。

(3)同一树脂对不同养分的吸附速度不同。

Skogley等[36]把阴阳离子树脂做成大小相同的球形树脂包,放入饱和泥浆中,在一定温度下吸附一段时间后,取出测定。

发现磷和硫在吸附1天后吸附量已达到最大值,而钾在吸附4天后吸附量仍在缓慢增加。

虽然多个试验证明树脂法测定结果与植物产量和养分吸收量有很好的相关性,但目前仍然没有统一的、标准的测定方法,因此不同树脂法测定结果之间一般无可比性。

此外,由于树脂法提取土壤养分的方法与化学浸提法有本质的区别,因此其测定结果与化学方法的比较可能意义不大,而主要应以与作物生长及养分的吸收作用判断测定结果的主要依据。

为了充分发挥树脂法的优点,并使不同研究者的结果有可比性,需要对树脂法进行标准化,形成统一的测定方法。

根据前面的论述,我们知道土壤可被植物利用的有机磷和氮的释放是通过有机物质的分解进行的,因此仅用树脂吸附法来测定土壤养分的有效性,对土壤氮和磷,尤其是氮的测定不够准确和有效。

因此,对于氮和磷有效性的测定,应考虑土壤有机部分养分的释放数量,再将其结果与树脂法结合也可能可更准确地反映土壤向植物供应养分的能力。

2.2 其它方法
2.2.1 氮的测定方法 土壤氮有效性的传统测定方法有生物培养法和化学提取法。

生物培养法是在试验室对土壤进行好气或厌气培养后测定其释放的无机氮数量。

长期培养效果好于短期,因为短期的结果受采样方法、样品干燥、研磨、过筛、储存和培养方法的影响[51]。

大多数作者对培养试验的结果进行了温室试验验证,都得到了很好的相关结果,但有些结果与大田结果相关性并不好。

好气培养时间在7~25天以上,常在常温下进行。

而厌气培养的时间稍短,在6~14天,温度在30~40∀。

好气培养法的结果与吸收氮高度相关,淹水培养时可能由于微生物与作物生长时的微生物种类不同,因此其结果与作物吸氮量相关性差[52]。

此外,用时间更长的培养方法所测得的氮称为可矿化土壤氮库,培养时间在8~30周,中间分几次从土壤中提取无机氮。

矿化势的测定结果与温室试验结果有密切的相关性[53]。

Jalil等[54]发现土壤在35∀下好气培养24周所得的氮矿化势与用100∀的2mol L-1KCl提取4小时所得的氨极显著相关,但与pH=11.2的H3PO4-H3BO3溶液提取的氮相关性略差。

用这三种方法测定一个37年轮作的土壤的供氮能力,三者结果间的相关性很好。

以上结果表明化学方法在一定程度上可代替生物培养法来估计土壤氮有效性。

化学提取法:即用热水或热盐溶液(如0.01mol L-1CaCl2、2mol L-1KC1)提取的土壤全氮或氨态氮。

Gianello和Bremner[55]描述的热氯化钾法方法为: 0 3g土壤加入20ml2mol L-1KC1,加塞后在100∀
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下提取4小时,再加入M gO用蒸馏法测定其中的铵。

该方法所得结果与培养法测定的铵态氮和无机氮总量有很好的相关性,但化学方法的提取量小于培养法。

与冷的KCl溶液相比,用KC1溶液煮沸浸提土壤,提取的铵态氮数量大大增加,而硝态氮数量基本没有变化,浸提结果可很好地反映土壤供氮能力[52]。

磷酸盐-硼酸盐法的测定方法为:4.0g土样加入40ml pH11 2的磷酸盐-硼酸盐浸提液,蒸馏8分钟,测定释放出的铵;土壤原有的铵用如下方法测定:4.0g土样加入0 2g MgO、20ml2mol L-1KC1,蒸馏3.3分钟。

两种方法测定的铵之差为缓冲液释放出的有机氮中的铵。

两种化学方法结果与培养法有很高的相关性[56]。

2.2.2 磷的测定方法 (氢)氧化铁试纸[Iron(hy dro)ox ide-impreg nated filter]法提取磷最先由Siss ing h[57]提出。

即把(氢)氧化铁沉淀在滤纸表面制成试纸,放入土壤中吸磷一段时间后,再将试纸吸附的磷用硫酸溶解后测定。

这种方法测定的磷通常记为Pi。

在一定的测定时间内,(氢)氧化铁试纸可看作是磷的近无限库(near infinite sink)[58],可使土壤溶液磷浓度降低到极低的水平,从而产生向着试纸方向的磷浓度梯度,促进土壤胶体表面的磷的释放。

因此(氢)氧化铁试纸可模拟作物根系对磷的吸收。

与试纸法相比,传统方法是非选择性的、定性的,提取的有些磷可能对植物并非有效[59],而试纸法可定量地测定土壤中对植物有效的磷的数量[60]。

测定可在室内用批方法完成[8,61,62],也可直接将试纸在大田或室内埋入土壤用扩散法完成。

与化学提取剂相比,试纸法的优点是测定不受土壤pH的影响[61]。

缺点是由于本身材料的原因,不能长期放置于土壤中,另外,试纸会粘附一些土壤颗粒,导致测定结果偏高[63]。

(氢)氧化铁试纸的制作过程是使氯化铁附着在滤纸表面,之后与氨作用,使滤纸表面的铁水解成FeOOH。

如果(氢)氧化铁在滤纸表面附着不够牢固,则会在与土壤悬液振荡过程中脱离试纸进入悬液,导致测定结果偏低。

因此滤纸在经氨水解之后,应当用去离子重蒸水漂洗掉粘附不牢固的铁。

此外,试验证实用氨水进行水解效果好于用氨熏蒸[60]。

试验证实,(氢)氧化铁试纸法提取的磷与作物吸收和产量间的相关性好于其它方法,如树脂法[8,41]和Olsen法[59]。

也有试验发现,试纸法的结果不如树脂法[61]。

Fe(OH)3透析管法:由Freese等[63]提出。

即将含水(氢)氧化铁悬液装入透析管,吸收土壤磷之后测定。

与试纸法相比主要优点是(氢)氧化铁不直接与土壤接触,避免土壤颗粒被试纸粘附后带来的误差[64]。

磷的有效性测定的方法主要集中在无机磷有效性的测定上,由于有机磷也有一定的有效性,因此如果测定能包含有机磷结果,结果可能对于预测土壤的供磷能力更加有效。

2.2.3 钾的测定方法 土壤溶液中的钾与交换位点上的钾处于平衡状态,如果增加或减少溶液中的钾,交换位点将吸附或解吸一些钾离子。

溶液中的钾浓度的变化也会引起水化云母的溶解或形成[6,66,67]。

四苯硼钠法是提取间层矿物层间钾的方法。

土壤悬液中加入四苯硼钠后,溶解态钾与提取剂形成沉淀,溶液中钾浓度迅速降低,从而促进矿物固定的钾的释放,最后测定沉淀态钾的数量。

这种提取过程类似于植物根系对土壤有效钾的耗竭过程,因此可用来估计土壤有效钾的数量。

盆栽小麦试验证实,对于非交换性钾含量不同的土壤,植物对钾的吸收和干物质产量都与四苯硼钠钾有很好的相关性,而与醋酸铵提取的钾只有在非交换性钾含量较低的土壤中相关性较好[16]。

四苯硼钠法的提取效果与提取时间有关,为了浸提完全,浸提时间会很长,如16小时[68]。

传统的四苯硼钠法的另外一个缺点是用毒性较大的HgCl2来分解提取液中的BPh4-。

Cox等[69]改用CuCl2代替汞,达到了同样的效果。

提取进行5min后即加入反应终止剂停止提取。

由于2 1型粘土矿物固定钾和铵的机理相似,四苯硼钠法也可用于固定态铵的测定[69]。

3 展 望
从理论上来说,应用土壤养分有效性测定方法对有效养分的测定应该比用传统方法要好。

但实际上我们也看到,少数研究者的测定结果并非如此。

与传统的用化学提取剂估计土壤有效养分供应能力的方法相比,土壤养分有效性测定的方法在更大程度上模拟了植物生长条件下养分的释放情况,因此这类方法属于机理性的,与之相对,化学提取剂的方法是经验性的。

土壤养分有效性测定的方法属于一类新出现的方法,其具体应用效果受多种因素的影响,尤其是树脂法。

除氮测定的生物培养法和化学提取法外,其它几种测定方法的机理都是这些测定方法为养分的释放提供了一个无限库,在库容!的范围内,不同养分供应能力的土壤向这些库释放养分的数量不同,从而反
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映出不同土壤的养分有效性不同。

因此,如果试验者所用的方法吸附能力较小,而在试验水平下,不同土壤提供的养分数量相对于库的吸纳能力来说较大,就有可能使养分供应能力较大的土壤的测定结果变小,达不到反映土壤养分供应能力的目的。

这也可能是部分试验效果不好的原因。

总之,土壤养分有效性测定方法是一种新的量度土壤养分供应能力的方法,相对于传统方法来说,其具体应用仍不成熟,需进一步研究。

为了实现不同测定结果的比较,各不同方法也需要实现标准化。

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