全 文 ：施用尿素引起红壤 pH及铝活性的短期变化 3
曾清如 3 3 　廖柏寒　蒋朝辉　周细红　汤　灿　钟　宁
(湖南农业大学资源环境学院 ,长沙 410128)
【摘要】　酸性红壤在我国南方广泛分布 ,其酸性是限制大多数作物生长的一个主要环境胁迫因子 ,主要原
因是低 p H 条件下土壤中 Al 的溶解所导致的毒性. 对 3 种红壤施用不同浓度的尿素 ,其 p H 值在短期内都
随着施入尿素浓度的增大而急剧上升 ,交换性 Al 随着施用尿素浓度的增大而急剧下降. 交换性 Al 含量与
土壤 p H 值变化呈显著负相关. 动态试验表明 ,p H 值上升的现象是短期的 ,p H 值在达最大值后缓慢下降 ,
下降幅度最大的阶段在第 2～4 周. 短期内 ,施用尿素能显著降低酸性土壤对玉米的铝毒效应.
关键词 　尿素 　土壤 　p H 　活性铝
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 02 - 0249 - 04 　中图分类号 　S15316 　文献标识码 　A
Short2term changes of pH value and Al activity in acid soils after urea fertilization. ZEN G Qingru ,L IAO Bo2
han ,J IAN G Zhaohui ,ZHOU Xihong , TAN G Can ,ZHON G Ning ( College of Resource and Envi ronment , Hun2
nan A gricultural U niversity , Changsha 410128 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (2) :249～252.
Acidic soils are widely distributed in South China ,and their acidity is the major environmental stress factor limit2
ing the growth of most crops. It is well known that soil Al solubilized at low p H is a main toxic factor for plant
growth. Our study with three acidic soils showed that soil p H increased quickly ,while soil exchangeable Al de2
creased sharply with the increasing concentrations of applied urea. The time2course experiment revealed that the
increase of soil p H was short2lived ,with a subsequently slow drop after reached its maximum. Urea fertilization
caused a drastic change of soil p H during 2～4 weeks of the experimental period. There was a negative relation2
ship between soil p H and soil exchangeable Al. Biological toxicity test demonstrated that applying urea to acidic
soils could obviously decrease the aluminum toxicity of maize in a short2term period.
Key words 　Urea , Soil , p H , Active Al.
3 国家“863”计划项目 (2001AA. 246023) 和国家教育部重点资助项
目 (156200209) .3 3 通讯联系人.
2003 - 12 - 26 收稿 ,2004 - 08 - 04 接受.
1 　引 　　言
长期以来 ,土壤酸化一直是一个令人关注的问
题. 在我国酸性红壤广泛分布的南方 ,它是限制大多
数作物生长的一个主要环境胁迫因子 ,原因是低 p H
条件下土壤中 Al 的溶解所导致的植物毒性[1 ,4 ,26 ] .
对土壤酸化原因所作的大量研究表明 ,长期大量施
用生理酸性氮肥及植物自身的生理活动和物质循环
都会导致土壤酸化 ,引起土壤中对植物有毒金属离
子的溶出[2 ,10 ,24 ] . 当土壤 p H 低于一定阈值时 ,土壤
中的离子浓度呈爆发式增加 ,铝将从结合态释放出
来 ,以游离的形式存在 ,在一定浓度下可在器官、组
织和分子水平上影响植物的生命过程 ,成为抑制植
物生长的最重要因素之一[2 ,21 ] . 在一定条件下 ,土
壤长期施用尿素会导致酸化、结构破坏、盐害和生态
系统脆弱等问题[15 ,20 ] . 到目前为止 ,尽管人们对施
用尿 素 所 引 起 的 短 期 效 应 已 做 了 大 量 研
究[6 ,13 ,16 ,29 ] ,但有关氮肥施用与红壤中铝元素有效
性的关系及对植物的危害却少见报道. 本研究主要
探讨施用尿素在短期内对酸性红壤 p H 变化和 Al
元素活性的影响 ,以期为揭示土壤酸化机制和科学
施肥提供实验依据.
2 　材料与方法
211 　土样采集与处理
本试验以我国南方有代表性的酸性红壤为材料 . 土样 1
为红壤性菜园土 (Vegetable garden soil) ,采自湖南农业大学
试验基地 ,土样 2、3 为分别采自试验茶场的老茶园土 (Aged
tea garden soil)和幼茶园土 ( Young tea garden soil) . 土样采集
后 ,置于阴凉干燥处风干 ,磨碎 ,过 20 目筛 ,备用. 土壤的基
本理化性质见表 1.
212 　尿素水解对土壤 p H 和 Al 及其他几种元素的影响
取 20 g土样于 250 ml 锥形瓶中 ,分别加浓度为 0、25、50、
100、200 mmol·L - 1的尿素溶液 4 ml ,使尿素在土样中的浓度
为 0、5、10、20、40 mmol·kg - 1 ,土壤湿度约为田间持水量的
80 % ,室温 (25 ℃)放置一周后 ,加蒸馏水 (水土比 2∶1) ,振荡
30 min ,用电极测 pH值.加 1 mol·L - 1 KCl 浸提液 ,液土比为 5
∶1 ,振荡 1 h ,离心过滤 ,测滤液中 Al 含量 ,4 次重复.
应 用 生 态 学 报 　2005 年 2 月 　第 16 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2005 ,16 (2)∶249～252
表 1 　供试土壤的基本理化性质
Table 1 Physical2chemical properties of the tested soil
土壤
Soils
p H 有机质
Organic Matter
(g·kg - 1)
CEC
(cmol·kg - 1)
全 N
Total N
( %)
脲酶活性
Urease activity
(mg·kg - 1·h - 1)
交换性金属
Exchangeable metals(mg·kg - 1)
Al Cu Zn Mn
菜园土 Vegetable garden soil 5150 1817 11103 01122 30172 2619 1117 1181 2311
幼茶园土 Young tea garden soil 4107 1910 7102 01137 43161 38715 0174 1116 3815
老茶园土 Aged tea garden soil 4118 2417 6155 01128 39143 34112 0181 2150 3013
　　测尿素引起土壤 p H 的短期和长期的动态变化时 ,各称
取土样 20 g ,置于 250 ml 锥形瓶中 ,使尿素在土样中的浓度
为 40 mmol·kg - 1土重 ,室温 (25 ℃)放置 ,每天于固定时间取
各处理锥形瓶测定土样 p H 值和交换性 Al 的含量 ,共 7 d. 监
测长期的动态变化时 ,每周采样一次 ,共 7 周 ,4 次重复.
213 　施尿素对植物生长和 Al 积累的影响
供试玉米的培养 :含尿素 0、5、10、20、40 mmol·kg - 1土
重的土样 ,培养一周后用 1 mol·L - 1 KCl 浸提 ,取滤液 10 ml ,
分别稀释到 200 ml (同时取 10 ml 1 mol·L - 1 KCl 溶液也稀
释到 200 ml) . 各挑选 40 颗经沙培发芽一致的玉米种子放入
搪瓷盘中 ,分别加入上述稀释浸提液培养 3 d ,每天更换一次
培养液. 为消除氮素浓度差异对铝毒性的影响 ,添加 KNO3
溶液补齐各处理. 记录培养前后根长、芽长、生长情况. 将 6
组培养后的玉米苗的根分两段剪下 :第一段为距顶端 0～5
mm ,第二段为距顶端 5～30 mm ,称量每一组、每一段的总根
重 ,然后加酸消化 ,定容 ,测定铝含量 [7 ] .
214 　样品处理与分析方法
铝用 Al 试剂比色法测定 [18 ] . 土壤 p H、有机质含量、阳
离子交换量 ( CEC) 、全氮、碱解氮和脲酶活性的测定按文
献[12 ]的方法. 金属元素 Mn、Cu、Zn 用原子吸收分光光度计
(AA2646 ,岛津)测定. 以上试验均 3 次重复 ,所得数据用 SAS
软件进行统计分析.
3 　结果与分析
311 　施用尿素对酸性土壤 p H 和交换性铝含量的
影响
从表 2 可以看出 ,土壤经不同尿素处理后 ,p H
值变化明显. 3 种土壤的 p H 值都随着加入尿素浓度
的增大而上升.
表 2 　土壤 pH值和交换性铝含量随尿素处理浓度的变化
Table 2 Soil pHand exchangeable Al concentrations under different urea concentrations ( mg·kg - 1)
项目
Items
土壤类型
Soil types
尿素浓度 (mmol·kg - 1土)
Urea concentration (mmol·kg - 1 soil)
0 5 10 20 40
p H 菜园土 Vegetable garden soil 5150a 6112b 6179c 7181d 8173c
幼茶园土 Young tea garden soil 4118a 4164b 5118c 5194d 7189e
老茶园土 Aged tea garden soil 4107a 4157b 5103c 6106d 7177e
Al 菜园土 Vegetable garden soil 26192a 17146b 5138c d1l1 d1l1
幼茶园土 Young tea garden soil 341118a 280175b 223149c 78153d 7181e
老茶园土 Aged tea garden soil 387152a 307142b 256115c 83136d 9154e
表中数值为平均值 ,同一行数据中字母相异者表示差异显著 ; d. l. 表示未测出 The data are average values. The data with different letters in the
same row differ significantly. d. l. means below detection limit . 下同 The same below.
　　土壤中的铝 ,按其化学形态可分为离子态、非晶
态及晶态 3 类 ,有不少研究者采用 110 mol·L - 1 KCl
溶液浸提的交换性铝含量来指示酸性土壤是否存在
铝毒[16 ,28 ] . 不同浓度尿素处理对 3 种土壤的交换性
铝影响相似 (表 2) ,随着尿素浓度的升高 ,土壤中可
提取铝的含量越来越低 ,这一趋势与土壤施尿素引
起的 p H 变化密切相关. 3 种土样中 ,菜园土的 p H
值最高而交换性铝含量最低 ,当施尿浓度为 40
mmol·kg - 1时 ,1 周后菜园土的 p H > 8100 ,土壤中
交换性铝未测出. 铝占地壳重量的 711 % ,原生含铝
矿物风化后释放出铝 ,在一定条件下 ,这种铝又重新
沉淀为次生铝和氢氧化铝 ,有人证明 ,当 p H 为 412
时 ,上述原生和次生矿物溶解 ,交换态铝含量迅速增
加 3 倍左右[27 ] .
312 　施用尿素对土壤 p H 和交换性铝动态变化的 影响短期动态变化数据结果显示 ,土壤交换性铝含量与 p H 变化同步 (表 3) ,可见 ,通过施用尿素改变土壤 p H 值可以控制铝的有效性. p H 不但直接影响各种无机金属化合物的溶解度 ,而且还通过它影响土壤其它性质 ,进而影响铝的各种反应机制[17 ,22 ] .另外 ,尿素的水解使 p H 上升 ,当上升到一定值时 ,另一水解产物 HCO3 - 转化成 CO32 - ,CO32 - 与 Al3 +结合为溶解度很低的碳酸铝.　　但从长期来看 ,施用尿素导致土壤酸化 ,从表 4可看出 ,一周后 p H 上升到最大值 ,然后下降. 各处理 p H 下降速度最快的时间集中在 2～4 周 ,第 5 周下降的幅度不大 ,也就是说硝化作用集中在第 2～4周 ,其原因是尿素水解产生的 N H +4 可以通过细菌的作用转化为亚硝酸或硝酸盐 ,并产生H + ,降低土
052 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
表 3 　施入尿素后土壤 pH和交换性铝含量的短期变化
Table 3 Change of pHand exchangeable Al in soils by fertilizing urea( mg·kg - 1)
项目
Items
土壤类型
Soil types
培养时间 Cultivated time (d)
0 1 2 3 4 5 6 7
p H 菜园土 Vegetable garden soil 5150 7105 7191 8130 8164 8176 8156 8143
幼茶园土 Young tea garden soil 4118 5165 6169 7161 7185 7158 7155 7151
老茶园土 Aged tea garden soil 4107 5154 6151 7149 7172 7151 7146 7142
Al 菜园土 Vegetable garden soil 26192 4126 1107 d1l1 d1l1 d1l1 d1l1 d1l1
幼茶园土 Young tea garden soil 341138 214154 114159 20130 7165 1101 0153 1188
老茶园土 Aged tea garden soil 387152 227186 120166 60112 15133 1172 0172 2147
表 4 　施入尿素后土壤 pH和交换性铝含量的长期变化
Table 4 Long2term change of pHand exchangeable Al in soils by fertilizing urea( mg·kg - 1)
项目
Items
土壤类型
Soil types
培养时间 Cultivated time (weeks)
0 1 2 3 4 5 6 7
p H 菜园土 Vegetable garden soil 5150 8143 8109 7117 5186 5132 5103 4158
幼茶园土 Young tea garden soil 4118 7151 7133 6142 5114 4131 4104 3197
老茶园土 Aged tea garden soil 4107 7142 7128 6135 5107 4126 3191 3188
Al 菜园土 Vegetable garden soil 26192 d1l d1l 1182 17106 32181 51134 72167
幼茶园土 Young tea garden soil 341138 1188 5126 11119 54172 187158 356121 377185
老茶园土 Aged tea garden soil 387152 2147 7103 17185 68163 205142 394147 439133
壤 p H 值. 鲁如坤等[13 ]证实 ,在施肥后 10 d 硝化作
用加速进行 ,到 30 d 时 ,即有 80 %转化成硝态氮 ,从
第 30 天后硝化作用以较慢的速度进行. 土壤 p H 下
降幅度与土壤中铝元素的有效性明显相关 ,即随时
间的延长 ,土壤 p H 不断下降 ,而土壤中交换性铝含
量逐步上升.
313 　短期尿素不同浓度处理对茶园土壤铝毒性的
影响
被植物根吸收的铝主要分布在根内 ,只有较少
的铝被转移至地上部分. 因此 ,根部受铝毒害首当其
冲 ,根部性状 (主根长、总根长、根干重、根鲜重等减
少百分率)可作为作物耐铝毒害评价指标[2 ,9 ,11 ] . 通
过室内短时间水培 ,测定根长是一种简便、准确的作
物耐铝毒鉴定方法. 试验结果表明 ,无或低浓度尿素
处理的培养玉米其铝毒危害明显重于高浓度尿素处
理 ,受害玉米苗的突出症状是生长受抑制 ,根尖肿
大 ,严重的没有侧根和根毛 ,主根根尖变粗 ,叶老化 ,
幼叶卷曲 ,叶尖发黄坏死 (图 1) ,这些伤害症状与别
　
图 1 　尿处理土壤的铝毒变化
Fig. 1 Change of Al toxicity induced by fertilizing urea in soil.
　
图 2 　土壤尿素处理与玉米苗根段铝含量的关系
Fig. 2 Effect of urea on Al content in maize roots.
人的试验结果极为相似[5 ,8 ,25 ] . 比较各处理的培养
玉米苗生长情况 ,尿素处理浓度从 5 mmol·kg - 1增
加到 40 mmol·kg - 1 ,而根的伸长从 216 cm 增加到
512 cm ,与培养液中的交换性铝含量密切相关. 图 2
显示 ,根尖 (0～5 mm 段)的 Al 含量显著下降 ,5～30
mm 根段的含铝量则无明显影响 ( P < 0101) . 有研
究认为 ,铝对植物根的毒害效应很快 ,在供给铝一小
时后 ,根的伸长便受到抑制 ,而根尖是铝毒害的最初
位点 ,只有将根尖置于含铝的介质中 ,根的伸长才受
到抑制 ,而供铝给根尖以外的根段 ,根的伸长不受抑
制[25 ] . 铝的最初作用对象与细胞壁、原生质膜、DNA
的合成有关[19 ] ,包括细胞分裂、细胞伸长、和营养运
输 ,但细胞壁是 Al 的主要积累场所 ,可高达细胞积
累总量的 99199 %. 玉米是对铝毒敏感的品种 ,铝结
合在细胞壁上可直接抑制细胞的伸长[14 ,16 ] . 施加尿
素至 20 和 40 mmol·kg - 1处理的玉米苗生长较为正
常 ,这表明土壤施用尿素后由于 p H 值上升 ,可交换
1522 期 　　　　　　　　　　　　曾清如等 :施用尿素引起红壤 p H 及铝活性的短期变化 　　　　　　　　　　　
性铝含量下降 ,铝的生物活性受到了抑制 ,减轻了铝
毒伤害.
4 　讨 　　论
　　一直以来 ,人们对于环境的酸化机制进行了较多
的研究 ,认为长期施用大量生理酸性氮肥能导致土壤
酸化、pH 值降低、交换性铝含量和铝饱和度上
升[3 ,6 ,13 ,15 ] .本次研究证明 ,施用尿素在短期内能引起
土壤 pH 值的急剧上升 ,造成交换性铝含量明显下
降 ,进而降低酸性土壤中铝的毒性. 一直到大约 4 周
左右 ,土壤的pH值都高于施尿素前的水平 ,尽管这一
效应持续时间并不长 ,但足以能影响到植物的生长发
育.从较长时间来看 ,施入尿素可导致土壤酸化 ,土壤
pH值在施尿素一周后上升达到最大值 ,然后逐步下
降 ,下降速度最快的时间集中在第 2～4 周 ,5～6 周后
土壤 pH值降到比原来更低的程度. 土壤交换性铝的
变化过程基本与土壤 pH 值的变化同步 ,即随时间的
延长和土壤 pH的下降 ,土壤中交换性铝元素的含量
逐步上升 ,铝的毒性随之增强 ,施尿素的盆栽玉米苗
在 4 周后开始死亡.酸性红壤在我国南方有广泛的分
布 ,它的铝毒问题是限制大多数作物生长的一个重要
环境胁迫因子[23 ] .而施尿素引起土壤 pH 值和铝毒的
这种动态变化特征 ,对我国南方酸性红壤区这个特定
的生态系统产生显而易见的影响. 目前 ,世界氮肥的
主要种类是尿素 ,我国也是如此 ,因而进一步全面了
解施用尿素对我国酸性土壤中铝的形态转化、土壤酸
化、植物营养状况改变和酸性土壤环境质量的演变规
律具有重要的理论意义.
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作者简介 　曾清如 ,男 ,1964 年生 ,湖南农业大学环境科学
系教授 ,中国科学院生态环境研究中心在职博士研究生. 从
事环境污染化学的教学与科研 ,发表论文 30 余篇. E2mail :
qrzeng @163. net
252 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷