类羧酸对棕壤中与氮素转化有关的生物活性的影响

类羧酸对棕壤中与氮素转化有关的生物活性的影响 生态环境 2005, 14(3): 392-395 Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com 类羧酸对棕壤中与氮素转化有关的生物活性的影响 1, 213333 *可 欣，李培军，张昀，颜丽，朱 宁，关连珠 1. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016;2. 中国科学院研究生院，北京 100039;3. 沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110161 摘要:类羧酸是一种带有羧基的化工副产品，其主要成分是二羧酸和三羧酸。具有较强的络合能力，可以用做螯合剂。文章通过室内培养实验，研究了类羧酸对棕壤中与氮素转化有关的生物活性的影响。结果明类羧酸能显著抑制土壤脲酶活性，有效减少尿素水解产物氨的挥发损失;能促进土壤中含氮有机物的分解，并能抑制土壤中氨态氮向硝态氮的转化。另外施用类羧酸还能改善土壤中氮素的有效性，提高土壤的供氮能力。 关键词:类羧酸;氮素;生物活性 中图分类号:S154.3 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2005)03-0392-04 土壤氮库中的氮主要以有机氮的形式存在，无容器，每个广口瓶装土500 g。其中类羧酸的加入机氮仅占土壤总氮的1,弱，而植物所吸收的氮几量为0.2 g/kg土。实验共设两个处理:1、对照;2、乎都是无机形式，所以，土壤氮库中的有机氮必须类羧酸，每个处理设三次重复，共36个广口瓶。不断的通过微生物的矿化作用转化为植物可吸收在恒温、恒湿条件下培养，其中培养温度为28?，的有效态氮。因此，了解土壤中的氮素转化具有重湿度为田间持水量的60,(恒湿条件用重量法保要意义。 持)。分别在培养的第10、20、30、40、50、60天 类羧酸是一种带有羧基的化工副产品，其主要时进行取样分析。 成分是二羧酸和三羧酸。具有较强的络合能力，可1.3 分析项目与方法 以用做螯合剂。由于类羧酸是一种经济高效的螯合土壤脲酶活性的测定:采用靛酚蓝比色法，具 [1]剂，因此可能将其用于重金属污染土壤的修复技术。 体方法参见文献 中。如植物修复中可能将其用于重金属离子的活土壤氨化、硝化作用测定:采用土壤培养法，化，化学修复中可以考虑将其作为淋洗剂。但关于具体方法参见文献[2]。 类羧酸施用后，会对土壤中与氮素转化有关的微生土壤微生物量氮的测定:采用氯仿熏蒸法，具物有何影响，并不十分清楚，需要进一步研究。为体方法参见文献[3]。 此，本研究利用室内培养实验，指示其变化规律，土壤常规养分的测定:参见《土壤农业化学常 [4]为土壤中氮素的有效利用提供依据。 规分析方法》。 1 材料与方法 2 结果与讨论 1.1 供试土壤 2.1 类羧酸对土壤脲酶活性的影响 选自辽宁省沈阳市东陵区天柱山，土壤类型是图1为类羧酸对土壤脲酶活性的影响，从图中耕作棕壤，壤质，通透性较好，肥力水平中等。其4类羧酸理化性质见表1。 3.5)对照-13表1 供试土壤基本理化性质 2.5Tab. 1 Basic properties of the test brown soil 2 1.5有机质 全氮 全磷 碱解氮 有效磷 速效钾 缓效钾 pH -1-1-1-1-1-1-11/(g,kg) /(g,kg) /(g,kg) /(mg,kg) /(mg,kg) /(mg,kg) /(mg,kg) 氨态氮/(mg?100 g0.516.7 0.81 0.49 96.5 31.3 84.3 612.7 6.51 0 102030405060t/d1.2 实验设计 图1 类羧酸对土壤脲酶活性的影响 本实验采用室内培养，先将所采集的新鲜土 Fig. 1 Effect of genera carboxylic acid on activityof urease in soil 样，风干后过1 mm筛，混合均匀，采用广口瓶为 基金项目:国家自然科学基金项目(20277040);国家自然科学重点基金项目(20337010) 作者简介:可 欣(1978,)，男，博士研究生，研究方向为重金属污染土壤修复。E-mail: kexin57612@hotmail.com *通讯作者 收稿日期:2004-11-19 可 欣等:类羧酸对棕壤中与氮素转化有关的生物活性的影响 393 可以看出，无论是对照还是施用类羧酸的处理其脲呤和嘧啶类物质。这些含氮有机物，无论是在有氧酶活性的变化，均表现为先升高后降低，最后趋于或无氧的条件下，均可被不同的微生物经氨化作用平缓的趋势，且其脲酶活性均在培养的第20天时转化为氨。氨化作用在农业生产上十分重要，施入达到最大，其中施用类羧酸的处理在培养的中期土壤中的各种动植物残体和有机肥料，包括绿肥，20、30、40 d时表现为对土壤脲酶活性的显著抑制堆肥和厩肥等都富含含氮有机物，它们须通过各类作用(t=3.268;t=11.479;t,6.532)。引起这种微生物的作用，尤其须先通过氨化作用才能成为植203040 现象的原因可能是由于类羧酸及其分解产物对脲物能吸收利用的氮素养料。可见，施用类羧酸能明酶催化过程中起重要角色的巯基产生吸附作用，这显增强土壤中有机氮的转化，从而增强土壤的供氮种吸附作用降低了巯基的活性，因此脲酶活性也相能力。 应降低了。研究表明土壤脲酶是一种作用极为专性图3为土壤脲酶活性与土壤氨化作用间的相关的酶，仅能水解尿素。尿素施入土壤后，在脲酶的分析。从图中可以看出，无论是对照还是施用类羧作用下，迅速水解成C0和NH。能够产生亚硝酸2340对照类羧酸盐和氨的毒害，并引起尿素以氨的形式挥发损失。 35所以脲酶活性过高对土壤肥力及作物的生长是不y = 8.2265 x + 9.3741)-130利的，土壤脲酶活性的降低，不仅可使尿素水解减2 = 0.6558R缓，令其水解产物更多地被土壤吸附而有效减少尿25 y = 1.878 7x + 5.873 8素水解产物氨的挥发损失，也可相应减少水解产物202，[56]+R = 0.495 2NH的硝化作用潜势。因此，类羧酸的施用不415仅可使尿素水解减缓，令其水解产物更多地被土壤10氨化作用氨态氮-/(mg?.g吸附而有效减少尿素水解产物氨的挥发损失，也可+5相应减少水解产物NH的硝化作用潜势。 4 02.2 类羧酸对土壤氨化作用和硝化作用强度的影响 012342.2.1 类羧酸对土壤氨化作用强度的影响 -1脲酶活性-氨态氮/(mg?100 g) 由图2可见，对照和添加类羧酸处理的氨化作 图3 土壤脲酶活性与土壤氨化作用相关分析 用均表现为先升高后降低，最后趋于平稳的趋势， Fig. 3 The relationship between activity of urease 40类羧酸and soil ammonification 35对照 )30-125酸的处理，其土壤脲酶活性与土壤氨化作用均存在20 相关关系，相关系数分别达到(0.704，0.81)。这15 10氨态氮/(mg?g里出现了一个非常有趣的现象，类羧酸在抑制脲酶5活性的同时却增强了土壤氨化作用。这种现象可以0 102030405060解释为，由于土壤脲酶活性和土壤氨化作用的高低t/d都是用土壤中氨态氮的含量来衡量的，氨态氮含量 图2 类羧酸对土壤氨化作用强度的影响 增加土壤酶活性和氨化作用均相应增加，因此两者 Fig. 2 Effect of genera carboxylic acid on soil ammonification 存在直线相关关系。类羧酸抑制土壤脲酶活性，却 增加土壤氨化作用的现象，可以从化学反应平衡的 角度来解释，首先我们可以认为土壤中含氮化合物其中施类羧酸的处理在培养的前50天里均表现为 在微生物的作用下分解为氨的反应及尿素的水解对土壤氨化作用的显著增强作用(t=2.976;10 反应都是可逆反应，且这两个反应有着共同的产物t=10.875;t=3.314;t=3.418;t=2.873)。引起20304050 ,氨态氮。那么当土壤脲酶活性受到抑制时，相应这种现象的原因可以从类羧酸本身的组分来解释， 的土壤氨态氮的含量也就减少了，也就打破了第一由于类羧酸是一种二羧酸和三羧酸的混合物，而这 个反应的反应平衡，使得含氮化合物的分解向着正两种羧酸类物质都能为土壤中氨化细菌的活动提 反应方向进行。因此，就表现出对脲酶活性的抑制，供碳源，因此类羧酸的施用必将增加这部分微生物 对氨化作用的增强的现象。 的数量和活性，从而增加土壤中含氮化合物的分 2.2.2 类羧酸对土壤硝化作用强度的影响 解。研究表明进入土壤中的含氮有机化合物主要有 从图4中可以看出，随着培养时间的变化对蛋白质及各级降解产物、尿素、尿酸、壳多糖、嘌 394 生态环境 第14卷第3期(2005年5月) )照和添加类羧酸处理的硝化作用变化趋势基本一35-130致，均在培养的第30天时硝化作用达到最大，而25后逐渐降低，其中施用类羧酸的处理在整个培养20期内均表现为对土壤硝化作用的抑制作用，经方15 差分析可知(t=2.926;t=2.912;t=3.214;10102030类羧酸5t=2.896;t=3.012;t=2.974)这种抑制作用均对照405060土壤微生物量氮/(mg?kg0达到显著水平。引起这种抑制作用的原因主要是102030405060+由于类羧酸的施用增加了土壤中NH的浓度，导4t/d 致土壤pH升高，使硝化细菌的活性受到抑制，从图5 类羧酸对土壤微生物量氮的影响 Fig. 5 Effect of genera carboxylic acid on microbial 而使土壤硝化作用强度降低。因此，类羧酸的施 biomass N in soil 用能抑制土壤中氨态氮向硝态氮的转化，从而抑 制土壤中的反硝化作用，进而减少由于反硝化作[7]，土壤微生物有机微生物量氮的含量。研究表明用而引起的氮素的损失，也可相应降低植物体内 态氮组分不同于土壤，与土壤有机态氮相比，土壤硝酸盐和亚硝酸盐的积累。 微生物量氮中酸不溶态氮的比例较低，氨基酸态1.0氮、酸解未知态氮的比例较高。由此可见，正是由0.9于土壤微生物量氮在有机氮活性组分的比例较高，0.8)土壤微生物量氮的矿化率高于土壤氮的平均矿化-10.7 率，才使得土壤微生物量氮成为作物吸收氮素的有0.6 0.5效来源。因此，施用类羧酸能改善土壤中氮素的有 硝态氮0.4/(mg?g效性，提高土壤的供氮能力。 类羧酸0.3对照3 结论 0.2(1)类羧酸能显著抑制土壤脲酶活性，有效减0.1少尿素水解产物氨的挥发损失。 0.0 102030405060(2)类羧酸能明显促进土壤中含氮有机物的t/d 分解和转化，并能抑制土壤中氨态氮向硝态氮的图4 类羧酸对土壤硝化作用强度的影响 转化。 Fig. 4 Effect of genera carboxylic acid on soil nitrification (3)施用类羧酸能改善土壤中氮素的有效性， 提高土壤的供氮能力。 3.3 类羧酸对土壤微生物量氮的影响 (4)由于类羧酸对脲酶活性的抑制作用，可以土壤微生物体氮是指存在于土壤活体微生物考虑将其作为脲酶抑制剂。 中的氮素，土壤微生物体固持的氮在其死亡后可矿 化为无机氮，为植物所利用，因其w(C)/w(N)比一参考文献: 般小于10，所以，土壤微生物体氮的矿化速率远远[1] 严昶生. 土壤肥力研究法[M]. 北京: 农业出版社, 1988. 高于土壤氮的平均矿化率。土壤氮素的矿化和固持CHANGSHENG Y. Research Method of Soil Fertility[M]. Beijing: 是在土壤微生物的参与下进行的，而土壤微生物态Agriculture Press, 1988. 本身亦是土壤活性氮库中的重要组成部分。土壤易[2] 许光辉. 土壤微生物分析方法手册[M]. 北京: 农业出版社, 1983. 矿化有机态氮和种植前土壤微生物态氮能较好地GUANGHUI X. Analysis Method Book of Soil Microorganism[M] Beijing: Agriculture press, 1983. 反映土壤氮素的矿化和供应能力。图5为类羧酸对 [3] 李世清，李生秀. 土壤微生物体氮测定方法的研究[J]. 植物营养与土壤微生物量氮的影响。从图中可以看出，施用类 肥料学报, 2000, 6(1):75,83. 羧酸的处理在培养的中后期均表现为对土壤微生SHIQING L, SHENGXIU L. Study on the methods for measuring mi-物量氮的增强作用，且这种作用均达到了显著水平crobial biomass nitrogen soils[J]. Plant Nutrition and Fertilizer (t=7.168;t=6.574;t=6.357;t=2.914)。引起30405060Science, 2000, 6(1): 75,85. 这种现象的原因，与类羧酸增强土壤氨化作用的原[4] 李酉开. 土壤农业化学常规分析方法[M]. 北京: 科学出版社, 因相似，也是由于类羧酸本身的组分，能为土壤中1984. 利用氮素的微生物提供能源，也就是类羧酸能增加YOUKAI L. Normal analysis method of soil agriculture chemistry[M]. 这部分微生物的数量和活性，而土壤微生物量氮是Beijing: Science Press, 1984. [5] 王晓彬, BALLEY L D, GMNT C A(关于几种土壤脲酶抑制剂的作这部分微生物的总和，因此施用类羧酸能增加土壤 可 欣等:类羧酸对棕壤中与氮素转化有关的生物活性的影响 395 用条件[J]. 植物营养与肥料学报，1998，4(3):211,218( and lime on urease activity in soddy-podzolic soil[J]. Moscow Uni- XIAOBIN W, BALLEY L D, GMNT C A(The acting conditions of versity Soil Science Bulletin, 1995, 50(2): 53,56. some urease inhibitors in soils[J]. Plant Nutrition and Fertilizer [7] MARUMOTO T, ANDESON J P E, DOMSCH L H. Decomposition of 1415Science, 1998, 4(5): 211,218. C and N-1abelled microbe cells in soil[J]. Soil Biol Biochem, 1982, [6] BYMES B H，FRENEY J R，AHMAD N(The effect of heavy metals 14: 461,467. Effect of DT on biological activity related with N transformation 1, 213333 KE Xin, LI Pei-jun, ZHANG Yun, YAN Li, ZHU Ning, GUAN Lian-zhu 1. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Science, Shenyang 110016, China; 2. Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China 3. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China Abstract: Genera carboxylic acid is a kind of chemical byproducts, mostly making up of Dicarboxylic acid and Tricarboxylic acid and possessing of strong chelated ability. Effect of genera carboxylic acid on urease, ammonification, nitrification of brown soil was studied through an indoor incubated test. The result shows that genera carboxylic acid can restrain the activity of urease, improve the +-transformation ability of organic nitrogen to inorganic nitrogen, control the transformation from NH to NO, increase reservoir of 43 soil organic nitrogen. Key words: genera carboxylic acid; nitrogen; biological activity