22精准养分管理-离子交换脂膜田间原位提取土壤养分的研究

精准养分管理离子交换脂膜田间原位提取土壤养分的研究程明芳，金继运，杨俐苹，黄绍文（中国农业科学院土壤肥料研究所，北京，100081）肥料在作物生产中具有十分重要的作用。为了科学合理地施用肥料，必需通过土壤测试了解土壤的养分状况。尽管化学测试方法已得到广泛使用，在了解土壤养分状况和推荐施肥中发挥了积极作用,但化学测试方法也存在许多弊病，如不能适用于各种类型的土壤、方法烦琐等。近年来，用离子交换树脂来测定土壤中养分释放及对植物的有效养分供应的研究日渐增多[1~5]。它从土壤中提取养分的机制与植物根的养分吸收十分相似[6]。所以，将离子交换树脂膜镶嵌在塑料框中的装置被称为“植物根系模拟器”。用植物根系模拟器可以方便地实现土壤养分的田间原位提取。但迄今为止，国内外对土壤养分田间原位提取的研究报道较少，且主要用于磷的有效性[7]和氮的有效性测定[8]。本文探讨了用植物根系模拟器田间原位提取土壤磷素和钾素的结果，并分析了变异程度。1材料与方法植物根系模拟器(PRS)采用英国产的树脂膜和上海产的树脂膜制成。进口膜的厚度为0.12mm，国产膜的厚度为0.36mm。树脂膜的规格为6cm×2cm，有效面积按10cm2计算。使用前先用0.5mol/LNaHCO3溶液饱和（浸泡24h），使阳离子膜被Na+充分饱和，阴离子膜被HCO3-充分饱和。田间土壤先浇蒸馏水至饱和后插入PRS，提取1h后取出，洗净后带回实验室用0.5mol/LHCl解吸1h。解吸液中的磷用钼锑抗比色法测定，钾用原子吸收分光光度计测定。用根系模拟器进行了以下两项研究。1.1钾肥定位试验土壤钾素肥力测定1992~1993年通过中国-加拿大合作项目在中国北方布置了25个钾肥定位试验，我们于2000年用上海产和英国产的阳离子交换树脂膜制成的根系模拟器在田间原位提取了其中3个试验的土壤钾，提取的处理为NP和NPK，每个小区插5片PRS。1.2田间土壤磷钾供应能力测定2000年5月24日小麦灌浆期，我们在河北玉田县4个乡镇的15块地用进口树脂膜根系模拟器在田间原位提取了土壤磷钾含量，提取土壤磷时每块地插5片PRS，提取钾时每块地插4片PRS。2结果与讨论2.1施用钾肥对提高土壤钾素肥力的作用钾肥定位试验结果表明，与只施氮磷肥的处理相比，经过7~8年的连续施用化学钾肥使土壤含钾量有了明显提高。在青海一个栗钙土上用国产树脂膜根系模拟器测定，两个NP区含钾量分别只有5.6和4.1μg/cm2，而NPK区的土壤含钾量则分别达到了7.0和7.3μg/cm，比相应的NP区含钾量分别提高了1.4μg/cm2和3.2μg/cm2，即25.0%和78.0%，平均为51.5%。从测定结果可以看出，同一小区内土壤含钾量也有较大差异，变异系数在22.1%-45.4%之间（表1）。产生这种变异的主要原因可能是土壤肥力的空间变异，也有部分可能来自提取和测定误差，有待于作进一步研究。(表：表1施用钾肥对青海钾肥定位试验国产膜PRS提取土壤含钾量的影响(K,μg/cm2))重复Replication处理Treatment土壤含钾量potassiumcontentinsoil平均含钾量meanvalue变异系数（%）C.V.IIIIIIIVV1NP4.26.44.28.05.05.629.31NPK4.210.44.65.210.47.045.42NP3.63.44.43.65.64.122.12NPK8.44.88.65.69.27.327.0在天津水高庄的一个潮土上进行的蔬菜钾肥定位试验中，无论用国产膜PRS田间原位提取，还是用进口膜PRS田间原位提取，施用钾肥对土壤含钾量的提高均有显著效果（表2）。用国产膜PRS提取试验中的两个小区重复，土壤含钾量从9.0μg/cm2提高到15.2μg/cm2，以及从7.0μg/cm2提高到19.2μg/cm2，平均从8.0μg/cm2提高到17.2μg/cm2，即平均提高了9.2μg/cm2，也就是1.15倍。这与蔬菜年施钾量高有关。用进口膜PRS提取土壤钾，施用钾肥分别使土壤含钾量从5.4μg/cm2提高到7.8μg/cm2，以及从4.8μg/cm2提高到8.0μg/cm2，平均从5.1μg/cm2提高到7.9μg/cm2，即平均提高了2.8μg/cm2，也就是54.9%。测定值的变异系数在15.2%~33.8%之间。按面积计算，用国产膜PRS提取的土壤钾明显高于用进口膜PRS提取的土壤钾，如重复1的NP处理，两者分别为9.0μg/cm2和5.4μg/cm2，前者是后者的1.7倍。这主要是因为国产膜的厚度明显高于进口膜，相应的提取能力也强。(表：表2施用钾肥对天津钾肥定位试验树脂膜提取土壤含钾量的影响(K,μg/cm2))重复Replication处理Treatment土壤含钾量potassiumcontentinsoil平均含钾量meanvalue变异系数(%)C.V.IIIIIIIVV国产膜PRS1NP7.09.29.66.612.89.027.41NPK16.019.414.811.414.415.219.02NP7.29.06.26.06.67.017.32NPK29.614.620.216.415.019.232.6进口膜PRS1NP6.04.45.44.66.25.415.21NPK6.011.46.88.46.87.827.32NP4.04.63.66.85.04.825.82NPK7.67.412.86.85.88.033.8在辽宁的一个草甸土上进行的钾肥定位试验表明，施用钾肥明显提高了土壤含钾量(表3)。用国产膜PRS田间原位提取，在两个重复中土壤含钾量从5.2μg/cm2提高到6.4μg/cm2，和从5.0μg/cm2提高到6.8μg/cm2，即分别提高了23.1%和36.0%。用进口膜PRS田间原位提取，在两个重复中分别使土壤含钾量从3.0μg/cm2提高到3.8μg/cm2和从2.4μg/cm2提高到3.6μg/cm2，即分别提高了26.7%和50.0%，测定值的变异系数为5.8%~30.1%。所以在不使用有机肥料的前提下，施用钾肥是保持和提高土壤钾素肥力的一项重要措施。(表：表3施用钾肥对辽宁钾肥定位试验树脂膜PRS提取的土壤含钾量的影响(K,μg/cm2))重复Replication处理Treatment土壤含钾量potassiumcontentinsoil平均含钾量meanvalue变异系数(%)C.V.IIIIIIIVV国产膜PRS1NP5.65.25.24.85.05.25.81NPK6.45.07.06.67.26.413.42NP4.85.44.64.85.65.08.52NPK6.08.07.27.45.46.815.7进口膜PRS1NP2.62.83.03.62.83.012.81NPK3.23.04.62.65.23.830.12NP2.82.22.22.22.42.411.02NPK3.23.43.44.23.83.611.1需要指出的是，上述列举的是施用效果比较显著的试验，而在有些试验中，施用钾肥并没有使树脂膜PRS提取的土壤含钾量提高，有的反而下降，其原因可能是在树脂膜与土壤接触紧密程度、提取时间和土壤湿度等的掌握上存在较大差异，造成取样误差较大。田间原位提取土壤钾素的技术有待作更细致的研究。2.2河北玉田某些地块土壤磷钾供应能力2.2.1磷预备试验表明，在当前农户小规模土地经营体制下，每块地（0.15~0.2ha）插5片根系模拟器即可反映该地块的土壤速效磷钾状况。2000年5月24日在河北玉田县小麦灌浆期用进口树脂膜制成的植物根系模拟器在田间原位提取了土壤速效磷，土壤类型为潮土。树脂膜用0.5mol/LNaHCO3溶液饱和，在田间将根系模拟器插入土中，浇去离子水至土壤饱和后提取1小时，根系模拟器洗净后带回实验室解吸测定。结果表明，四个乡镇的15块地土壤速效磷含量变幅为0.17~0.61μg/cm2，平均为0.31μg/cm2，最高与最低相差3.6倍，地块间变异系数为45.2%，乡镇平均值之间变异系数为24.3%（表4）。可见，在同一个县的不同地块土壤速效磷含量差异很大。实际上，即使是同一块地土壤速效磷含量也有变异，有的地块变异较小，如2号地块和3号地块变幅为0.18~0.24μg/cm2，最高与最低只相差1.3倍，变异系数只有9.5%；而有的地块内部变异较大，如14号地块土壤速效磷变幅为0.34~1.16μg/cm2，最高与最低相差3.4倍，变异系数高达58.3%。15个农户地块内土壤速效磷的变异系数平均为22.4%，明显低于地块间的变异系数。严格地说，在土壤速效磷含量空间变异较小的地块，插5片根系模拟器已足以反映该地块的磷素肥力，而在空间变异大的地块则不一定够，需作更多的研究。(表：表4河北玉田县进口膜根系模拟器提取的土壤速效磷含量(K,μg/cm2))编号No.取样地点Location户主Farmer第一片PRS1第二片PRS2第三片PRS3第四片PRS4第五片PRS5平均Mean变异系数C.V.(%)1虹桥镇孟庆丰0.340.260.300.260.240.2814.32虹桥镇张玉明0.200.180.220.220.240.219.53虹桥镇李振国0.220.240.220.180.200.219.54虹桥镇张庆元0.200.260.200.300.260.2416.75虹桥镇张书铭0.280.260.220.160.200.2222.76虹桥镇常俊存0.260.200.360.300.240.2722.27杨家套乡陈兆海0.180.320.240.220.220.2420.88杨家套乡代明文0.220.200.160.240.240.2114.39杨家套乡安翠英0.400.480.600.320.420.4422.710林南仓镇张华0.260.340.280.420.300.3218.811林南仓镇张青柱0.240.200.240.580.560.3652.812林南仓镇0.760.580.660.560.500.6116.413彩亭桥镇郝继俊0.300.400.300.320.240.3119.414彩亭桥镇杨海先0.340.361.160.700.420.6058.315彩亭桥镇郝继良0.140.200.180.140.180.1717.62.2.2钾用进口离子交换树脂膜PRS田间原位提取土壤钾，结果表明，15块地的土壤含钾量变幅为3.2~8.3μg/cm2（表5），平均为5.5μg/cm2，最高与最低相差2.6倍，地块间变异系数为27.4%，小于地块间土壤磷的变异系数（45.2%）。同一地块内土壤含钾量也有不同程度的差异，以5号地块变异最小，4个采样点变幅为3.0~3.2μg/cm2，变异系数只有3.2%，说明该地块的钾素肥力相当均匀；而10号地块土壤含钾量变异很大，变幅3.8~10.2μg/cm2，最高与最低相差2.7倍，变异系数高达51.4%。地块内土壤含钾量变异系数15块地平均为20.9%，低于地块间土壤含钾量的变异系数。(表：表5河北玉田县进口树脂膜根系模拟器提取的土壤速效钾含量(K,μg/cm2))编号No.取样地点Location户主Farmer第一片PRS1第二片PRS2第三片PRS3第四片PRS4平均Mean变异系数C.V.(%)1虹桥镇孟庆丰6.64.46.24.85.519.32虹桥镇张玉明7.68.210.45.88.023.83虹桥镇李振国6.65.43.86.25.522.54虹桥镇张庆元3.63.83.64.03.85.15虹桥镇张书铭3.23.03.23.23.23.26虹桥镇常俊存5.25.03.66.25.021.47杨家套乡陈兆海4.44.66.44.65.018.88杨家套乡代明文4.64.03.83.84.19.49杨家套乡安翠英10.26.65.46.47.229.410林南仓镇张华10.25.23.84.05.851.711林南仓镇张青柱6.66.24.