稻田土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献(1).doc
张杨珠等稻田土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献 809 稻田土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献 张杨珠1,黄顺红2,邹应斌3 1. 湖南农业大学资环学院,湖南 长沙 410128;2. 衡阳师范学院外语系,湖南 衡阳421008; 3. 湖南农业大学水稻研究所,湖南 长沙 410128 摘要为了定量评价土壤对铵的矿物固定作用在土壤对肥料氮的保持作用中的相对贡献,通过室内培养试验和分析测定,研究了湖南省几种主要母质发育的水稻土对添加铵的矿物固定作用及其对土壤保氮作用的贡献。结果表明土壤对外源铵的矿物固定是土壤重要的保氮机制之一,但不同土壤对保氮作用的相对贡献大小不一,以河沙泥的固铵作用对土壤保氮作用的贡献最大,固铵量占总保氮量的51.5,红黄泥最低,固铵量仅占总保氮量的17.1,其余五种土壤的固铵作用对土壤保氮作用的贡献大小顺序依次是黄泥田(43.7)、湖潮泥(35.5)、紫泥田(35.4)、灰泥田(25.0)、麻沙泥(20.8)。 关键词水稻土;土壤对添加铵的矿物固定;土壤的保氮作用 中图分类号S153.61 文献标识码A 文章编号1672-2175(2006)04-0807-04 土壤固定态铵是土壤氮素的一种重要形态[1-8],在作物的氮素营养中具有重要作用,这已为许多研究所证实[9-18]。但关于土壤对铵的矿物固定在土壤的保氮作用中的贡献大小的定量研究则还未见报道。为此,笔者通过严格的土壤化学试验测定,研究了湖南省7种代表性水稻土对添加铵的矿物固定量在土壤保氮总量中的相对比例,为定量评价湖南稻田土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献和制定有效减少农田生态系统N肥损失、提高作物施氮效率的技术措施提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 供试土壤 试验所用土壤为湖南省7种主要成土母质发育的稻田耕层土壤,包括灰泥田、黄泥田、紫泥田、麻砂泥、红黄泥、河沙泥和湖潮泥(表1)。 表1 供试土壤的基本情况和有关的基本性质 Table 1 Some basic conditions and related properties of the tested soils 土壤代号 土壤名称 成土母质 有机质/gkg-1 全N/gkg-1 碱解氮/Mgkg-1 CEC/cmolkg-1 402 黄泥田 板页岩风化物 41.46 2.36 199.4 8.72 405 麻沙泥 花岗岩风化物 46.5 2.62 207.9 10.20 410 紫泥田 紫泥田风化物 33.98 1.94 198.6 16.32 414 红黄泥 第四纪红土 29.11 1.66 152.1 12.22 417 灰泥田 石灰岩风化物 50.87 2.58 203.8 17.16 424 河沙泥 河流沉积物 23.38 1.36 118.5 7.00 429 湖潮泥 湖积物 40.94 2.56 204.2 13.94 1.2 研究方法 称取过60目筛的土样1.0000 g于已知重量的100 ml离心管(W1)中,加入1.0 mol/L NH4Cl溶液20 ml,在室温条件下浸泡土壤2 d,间歇振荡然后离心,将上清液毫无损失地移至一150 ml三角瓶中后再次称重离心管(W2),由W2-W1-1.0000计算残留在离心管中的溶液量(V)。测定上清液铵浓度,由此计算减少的氮量,即为土壤的总保氮量(A)。 加入1.0 mol/L KCl溶液30 ml于上述离心管中,充分摇动离心管,使土粒充分分散,振荡10 min,以除去交换性NH4,离心,将上清液移入另一150 ml三角瓶中,用水同样洗土样3次,直至微氯反应,将所有洗涤液收集于上述三角瓶中,测定洗涤液铵量,即为交换态铵量(B)。 将离心管中土壤残余物在60 ℃下烘干后,磨细过100目筛,用Silva-Bremner法[19]测定其固定态铵含量(C),同时测定原始土壤的固定态铵含量(D),由C减去D,即可得到新固定的铵量。 由上述各步测定数据可分别计算由土壤粘粒表面对铵的吸附量,土壤粘粒对铵的层间固定量以及微生物同化对溶液铵的保持量。 其他理化性状用常规方法测定[20]。 2 结果与分析 2.1 不同土壤保氮能力的比较 由于土壤是一荷电胶体复合体,带负电荷,可吸附如K、Na、NH4等阳离子,不同的土壤吸附阳离子的能力不同,但对于某一特定的土壤,由于其所带负电荷是一定的,因此其吸附能力也是一定的。当对土壤施入外源氮时,其中大部分的外源氮可以被土壤表面所吸附,另一部分进入到土壤2∶1型粘土矿物晶格而被固定,称之为“新固定的”固定态铵,还有一小部分以其它形态的氮被保持,如土壤微生物同化而成为微生物体氮。表面吸附的铵态氮,粘土矿物固定态氮,微生物体氮这三种形态的铵可以减少施入的肥料氮的淋溶损失,是土壤具有“保氮作用”的主要机制,因此,测定这三种形态氮的总和可以反映土壤的总保氮能力。 表2 固定态铵新增量、表面吸附氮量和其它形态固定氮量及其占总保氮量的比例 Table 2 Amounts of recently fixed-NH4, exchangeable ammonium in soil and other maintained N and their percentages to total maintained N 土壤名称 总保氮量/mgkg-1 固定态铵 表面吸附态铵 其它机制保持态氮 新增量/mgkg-1 占总保氮/ 氮量/mgkg-1 占总保氮/ 固定量/mgkg-1 占总保氮/ 黄泥田 130.6 57.1 43.7 66.7 51.5 6.8 5.2 麻砂泥 136.8 28.4 20.8 98.3 71.9 10.1 7.4 紫泥田 179.7 63.7 35.4 109.4 60.9 6.6 3.7 红黄泥 131.3 22.4 17.1 101.1 77.0 7.8 5.9 灰泥田 164.9 41.2 25.0 113.6 68.9 10.1 6.1 河沙泥 140.3 72.3 51.5 60.1 42.8 7.9 5.6 湖潮泥 172.4 61.2 35.5 106.1 61.5 5.1 3.0 从表2可看出,7种供试土壤中,以紫泥田的保氮能力最强,达179.7 mgkg-1,黄泥田保氮能力 最差,为130.6 mgkg-1,其余5种土壤保氮能力强弱依次为湖潮泥灰泥田河沙泥麻砂泥红黄泥。在三种保氮机制中,以表面吸附作用对土壤的保氮作用贡献最大,表面吸氮量达60.1113.6 mgkg-1,相应地占土壤总保氮量的42.877.0,平均为62.1,是土壤保氮能力的主要决定因素。而表面吸附与土壤所带负电荷有关,因此,各土壤表面吸附氮量与土壤阳离子交换量有关,统计分析表明,表面吸附氮量与土壤阳离子交换量呈极显著正相关(r0.908**,n7),各土壤总保氮量也与阳离子交换量呈显著正相关(r0.794**,n7)。以微生物同化等其他形式保持的氮量最小,仅为5.1 mgkg-1-10.1 mgkg-1,对土壤总保氮作用的贡献仅为3.07.4,平均为5.3,而土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献介于上述二者之间。 2.2 土壤对铵的矿物固定对土壤总保氮能力的贡献 假定土壤“原有的”固定态铵在用铵态氮处理的 过程中,没有与新进入晶格的NH4发生交换,则从外源铵中进入到晶格的NH4,都应当是土壤对外源氮的固定部分,也就是表2中的固定态铵新增量。如表2所示,供试土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献仅次于表面吸附,而远大于微生物同化等形式的保氮机制。土壤对外源铵的固定量达22.472.3 mgkg-1,占土壤总保氮量的17.151.5,平均为32.7,其中以河沙泥新增量最高,红黄泥最低,其余为紫泥田>湖潮泥>黄泥田>灰泥田>麻砂泥。固定态铵在各供试土壤总保氮量的贡献以河沙泥的最高,达51.5,红黄泥的最低,仅17.1,其余5种供试土壤新增的固定态铵在总保氮量中的贡献从大到小依次是黄泥田(43.7)、湖潮泥(35.5)、紫泥田(35.4)、灰泥田(25.0)、麻砂泥(20.8),这表明,供试土壤中,河沙泥的保肥稳肥性最强,红黄泥最弱。导致供试土壤的固定态铵新增量差异及其对土壤保氮作用的贡献不同,也主要是由于各供试土壤的粘土矿物种类及数量不同有关,保氮贡献高的河沙泥、湖潮泥、黄泥田、紫泥田的粘土矿物主要是由2∶1型为主,而灰泥田、红黄泥和麻砂泥这3种保氮贡献小的,其粘土矿物主要是1∶1型为主。虽然土壤对铵的矿物固定对土壤保氮作用的贡献小于表面吸附作用,但由于土壤粘土矿物对铵的层间固定比表面吸附要稳固得多,由其所保持的氮不易损失,因而其对土壤的保氮作用有其特殊意义,除了保持施入土壤的铵态氮肥免遭淋失和反硝化损失外,因其在作物生长期间还可缓慢释放出来,因而还使土壤具有稳肥特性,在以2∶1型粘土矿物为主的土壤中尤其如此。 3 小结 (1)本研究表明,土壤对铵的表面吸附和土壤粘土矿物对铵的层间固定是供试土壤保氮作用的两种主要机制,由其保持的氮量占土壤总保持氮量的90以上,其中土壤对铵的表面吸附平均为62.1,而粘土矿物对铵的层间固定平均为32.7,微生物同化等其它形式保持的氮量不足10。 (2)供试土壤中,以紫泥田的总保氮能力最强,红黄泥的保氮能力最差,其余五种土壤介于这二者之间,其大小顺序为紫泥田>湖潮泥>黄泥田>灰泥田>麻砂泥。其中土壤对铵的矿物固定量在各供试土壤总保氮量中的贡献以河沙泥的最高,达51.5,红黄泥的最低,仅17.1,其余5种土壤新增固定态铵量在总保氮量中的相对比例依次是黄泥田(43.7)、湖潮泥(35.5)、紫泥田(35.4)、灰泥田(25.0)、麻砂泥(20.8),平均为32.7,是供试土壤仅次于表面吸附的第二大保氮机制,但其保持的氮较表面吸附的氮稳定。 参考文献 [1] 孙艳, 吴守仁, 吕家垅. 土娄土固定态铵容量及蓄氮供氮能力研究[J]. 干旱地区农业研究, 2000, 183 8-14. SUN Yan, WU Shouren, LU Jialong. Studies on the fixed –NH4 capacity and the accumulating-supplying N ability in Lou soil. Agricultural Research in the Arid Areas, 2000, 183 8-15. [2] 李忠佩, 程励励, 文启孝. 黄淮海平原土壤中的固定态铵[J]. 土壤通报, 1992, 235 200-202. LI Zhongpei, CHENG Lili, WEN Qixiao. The content and availability of nonexchangeable ammonium in soils of the Huang-Huai-Hai Plain[J]. Chinise Journal of Soil Science, 1992, 235 200-202. [3] 张杨珠, 廖继佩, 李法云, 等. 湖南主要类型稻田土壤固定态铵含量及其影响因素[J]. 应用生态学报, 2002, 136 693-697. ZHANG. Yangzhu, LIAO Jipei, LI Fayun, et al. Fixed ammonium content of chief paddy soil types in Hunan Province and its influencing facters[J]. Chinise Journal of Applied Ecology, 2002, 136 693-697. [4] ZHANG. Yangzhu, LIAO Jipei, SUN Yuhuan, et al. Fixed ammonium in major types of paddy soils in Hunan Province, China[J]. Pedosphere, 2003, 133 199-208. [5] FAN Xiaoling, ZHANG Yiping, JUANG T C, et al. Thermodynamic properties of NH4fixation in manured loess soil in Shaanxi province, China[J]. Pedosphere, 1997, 7149-58. [6] 万大娟, 张杨珠, 冯跃华, 等. 湖南省主要旱耕地土壤的固定态铵含量及其影响因素[J]. 土壤学报, 2004, 413 480-483. WAN Dajuan, ZHANG Yangzhu, FENG Yuehua, et al. Fixed ammonium content of soils on cultivated upland in Hunan Province and its affecting factors[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004, 413 480-483. [7] 文启孝, 程励励, 陈碧云. 我国土壤中的固定态铵[J]. 土壤学报, 2000, 372 145-155. WEN Qixiao, Cheng Lili, Cheng Biyun. Fixed ammonium in soils of China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2000, 372 145-155. [8] 陈家宙, 蔡崇法, 丘华昌. 湖北省几种主要土壤的固定态铵及其固定与释放的研究[J]. 华中农业大学学报, 2002, 211 30-35. CHEN Jiazhou, CAI Chongfa, QIU Huachang. Fixed ammonium and its fixation and release of the major upland soils in Hubei province[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2002, 211 30-35. [9] KEERTHISINGHE G, MENGEL K, DATTA S K D. The Release of Nonexchangeable Ammonium 15N labelled in wetland rice soils[J]. Soil Science Society of American Journal, 1984, 482 291-294. [10] SCHNEIDERS M, SCHERER H M. Fixation and release of ammonium in flooded rice soils as affected by redox potential[J]. European Journal of Agronomy, 1998, 8 181-189. [11] MENGEL K, HORN D, TRIBUTH H. Availability of Interlayer Ammonium as Related to Root Vicinity and Mineral Type[J]. Soil Science, 1990, 1493 131-137. [12] 樊小林, 李昌纬, MENGEL K. 土娄土代换性铵和冬小麦生长的关系[J]. 土壤通报, 1989, 206 249-251. FAN Xiaoling, LI Changwei, MENGEL K. Relationship between Winter Wheat Growth and Release of Nonexchangeable Ammonium in Lou Soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1989, 206 249-251. [13] 陆海明, 封克, 王小治, 等. 黄棕壤矿物固定态铵的释放与黑麦草种植密度的关系[J]. 土壤通报, 2002, 333 181-184. LU Haiming, FENG Ke, WANG Xiaozhi, et al. Relationship Between the Release of Fixed Ammonium from Yellow Brown Soil and the Density of Ryegress[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2002, 333 181-184. [14] SHERER H W, AHRENS G. Depletion of Non-Exchangeable NH4--N in the Soil-Root Interface in Relation to Clay Mineral Composition and Plant Species[J]. European Journal of Agronomy, 1996, 5 1-7. [15] 赵明宇, 韩晓日, 郭鹏程. 不同施肥条件下土壤固定态铵含量的动态变化[J]. 土壤通报, 1996, 272 79-81. ZHAO Mingyu, HAN Xiaori, GUO Pengcheng. Dynamic change of fixed ammonium content in soil under different fertilization conditions[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1996, 272 79-81. [16] 樊小林, 李昌纬, MENGEL K. 土娄土中非代换铵固定态的有效性[J]. 土壤学报, 1990, 273 301-307. FAN Xiaoling, LI Changwei, MENGEL, K. Availability of Nonexchangeable Ammonium in Lou Soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 1990, 273 301-307. [17] KEERTHISINGHE G., DE DATTA S. K., MENGEL K. Importance of exchangeable and non-exchangeable soil NH4 in nitrogen nutrition of lowland rice[J]. Soil Science, 1985, 1403 194-201. [18] 文启孝, 张晓华, 杜丽娟, 等. 太湖地区主要土壤中的固定态铵及其有效性[J]. 土壤学报, 1988, 251 22-23. WEN Qixiao, ZHANG Xiaohua, DU Lijuan, et al. Fixed ammonium in soils of Taihu Lake region and its availability[J]. Acta Pedologica Sinica, 1988, 251 22-30. [19] SILVA J A, BREMNER J M. Determination and isotope-ratio analysis of different of nitrogen in soils fixed ammonium[J]. Soil Science Society of American Proceedings, 1966, 30 587-594. [20] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京 中国农业科技出版社, 2000. LU Rukun. The Analysis s of Soils and Their Agrochemistries[M]. Beijing The Publishing House of Agricultural Science and Technology of China, 2000. Mineral fixation of ammonium by paddy soils in relation to the N-preserving capacity in paddy soils ZHANG Yangzhu1, HUANG Shunhong2, ZOU Yingbin3 1. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Department of Foreign Language, Hengyang Normal College, Hengyang 4210008, China; 3. Institute of Rice Research, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China Abstract The fixation capacity for added ammonium and its contribution to the N-preserving capacity of the paddy soils derived from chief parent materials in Hunan province, China, were studied with laboratory incubation and determination to uate the importance of fixation for added ammonium in the soils to the nutrient supplying and stabling properties. The results showed that the fixation for added ammonium by the soils was one of the important N-preserving mechanisms. But its contribution to the N- preserving in soils varied with soil types. Fixation for added ammonium by alluvial sandy soil had the greatest importance of the N- preserving in the soil, and accounted for 51.5 of the total N- preserving capacity. Fixation for added ammonium by reddish yellow clayey soil had the lowest, and only accounted for 17. 1. The order of other five soils in magnitude was yellow clayey soil 43.7, newly laky clayey soil 35.5, purple clayey soil 35.4, gray clayey soil25.0, and granitic sandy soil20.8, respectively. Key words paddy soil; mineral fixation for added ammonium in soils; the N-preserving capacity of soils