全 文 ：施加外源稀土元素对土壤中氮形态转化
和有效性的影响*
刘定芳 王子健* * (中国科学院生态环境研究中心国家重点环境水化学实验室,北京 100085)
摘要 通过温室土培试验, 测定了施加不同剂量农用稀土微肥 (常乐)后不同采样时间的土壤有效 N、NH+4
N、NO-3N 含量和土壤脲酶活性. 结果表明,当外源稀土施入量较大时, 土壤有效 N 和 NH+4 N 含量明显降低,
而土壤 NO-3N 的变化不显著. 根据化学品安全性评价方法, 实验确定外源稀土对土壤 NH+4N 和有效 N 浓度
影响的无观察效应浓度( NOEC)应为 5mg!kg- 1风干土.实验观察到土壤 NH+4 N 含量的降低与土壤脲酶活性的
抑制之间有较好的相关性( R2= 0. 87) .外源稀土对土壤 N形态转化和有效性产生影响的主要原因之一, 是外源
稀土施入量较高时抑制了土壤脲酶参与下的氨化作用.土壤生态系统可以通过自适应过程进行自我调节, 恢复
N 供给的能力.
关键词 农用稀土微肥 土壤肥力 N 形态转化 安全性评价
文章编号 1001- 9332( 2001) 04- 0545- 04 中图分类号 S143 文献标识码 A
Influence of rare earth elements on chemical transformation of nitrogen in agricultural soil. L IU Dingfang and
WANG Zijian ( SK LEAC, Resear ch Center f or EcoEnvironmental Sciences , Beij ing 100085) . Chin. J . A pp l .
Ecol . , 2001, 12( 4) : 545~ 548.
Soil available N , NH+4N and NO-3 N contents and soil urease act ivity w ere measured after application of rave earth ele
ments( REEs) . The results show ed t hat the contents of soil available N and NH+4 N were affected by application of
REEs, being significantly differed fr om those in the control when the dosage was higher than 5mg!kg - 1 dry so il. How
ever, soil NO-3 N content in treated plots did not differ ed from that in the control. No observed effect concentration
( NOEC) for the potential influnence o f REEs on the chemical transformation and availability of soil available nitro gen
was found to be 5mg!kg- 1 dry soil. The decrease of soil available N concentration was found closely correlated to the
inhibition of soil urease activit y ( R2= 0. 87) . It was suggested that the inhibition effect of REEs on the enzymatic ni
trogen mineralization should be one of the major causes for t he decline of soil available nitrog en concentration. The de
crease of av ailable nitrogen concentration occur ed shor tly after REEs application, indicating that there should be a self
regulation process to maintain the available nitrog en concentration in so il.
Key words REEs, Soil fertility, Nitrogen, Risk assessment.
* 国家自然科学基金重大资助项目( 2989028023) .
* * 通讯联系人.
1999- 01- 04收稿, 2000- 01- 14接受.
1 引 言
我国稀土资源十分丰富, 从 20世纪 70年代起开
始作为微肥应用于农业生产中, 80年代大面积推广稀
土农用技术,使大量的稀土元素进入环境,并由此引起
了社会和学术界的普遍关注. 近几年,已有许多关于稀
土元素的环境化学行为及生态影响的研究报
道[ 9~ 11, 14, 15] ,但有关稀土元素对土壤生态系统的影响
研究尚少.以往在对重金属污染及其生态效应的研究
中,曾大量讨论过重金属污染对土壤 N 循环和有效性
的影响, 已经发现重金属影响植物生长和养分积
累[ 19] ,并对土壤物理化学性质[ 1, 16]、吸收利用其他营
养元素[ 8]、土壤生物化学[ 4]和酶活性产生影响[ 3] . 本
文通过土培实验,分析测定施加不同浓度稀土后土壤
有效 N、NH+4 N及 NO-3 N 含量和土壤脲酶活性的变
化,探讨外源稀土对土壤 N 循环的影响, 同时给出有
关的安全性评价指标.
2 材料与方法
21 供试材料
实验土壤取自北京北郊中国科学院遗传研究所昌平试验
站,土质为粉质粘壤土(粘粒 34% ,粉粒 42% ,砂粒 24. 4% ) . 有
机质含量为 1. 35% , pH7. 25, 有效 N 含量为 17. 7mg!kg- 1土.
实验用夏玉米(中夏 9 号)由中国农业科学院作物研究所提供,
施加的稀土微肥∀常乐#由中国稀土农用中心提供(表 1) .
22 实验方法
实验方法参照 OECD 化学品安全性评价的测试规范[ 13]在
恒温培养室中进行. 采集的土壤在室内自然风干后过5mm筛
(其中< 20m 粒径颗粒为 17. 4% ) ,取 0. 5kg 干土置于直径为
12cm、深 12cm 的塑料盆中, 每盆种 10棵夏玉米. 在三叶期时,
应 用 生 态 学 报 2001 年 8 月 第 12 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 2001, 12( 4)∃545~ 548
表 1 稀土微肥(常乐)中的稀土元素组成及其对La的比值
Table 1 Composition of REEs and La/ REE ratios in ∀ Changle# ferti lizer
元素
Element
微肥中稀土元素含量
REEs content in the fert ilizer ( mg REE!g - 1) 镧/稀土比La/REE
L a 132. 49
Ce 63. 25 2. 1
Pr 26. 39 5. 0
N d 40. 01 3. 3
Sm 4. 02 33. 0
Gd 2. 46 53. 9
Dy 0. 05 2484. 1
总计 T otal 268. 62
于根部土壤处以液体方式施入稀土微肥, 施用量以混合稀土计,
分别为 0、1、5、10 和 20mg!kg- 1 ,每个实验组设 4 个平行. 实验中
的光照强度为 2500~ 3000lx( 6∃00~ 18∃00) ,每 3d 每盆浇灌 50ml
去离子水以保持土壤湿度.分别采集施加稀土微肥前和第 2 天、
第7 天和第 15 天后的土壤样品, 在实验室条件下风干后分析土
中的有效 N、NH+4N 及 NO-3N 含量和土壤脲酶活性.
23 测试方法
231 NO-3 N 和 NH+4 N测定[ 5, 12] 称取 5g土壤于 100ml离
心管中,加入 50ml 2mol!L- 1KCl溶液, 25 % 恒温振荡 1h, 离心
后取上清液过滤,流动分析仪测定.
232 有效 N 的测定[ 14] 称取 2g 风干土样于扩散皿中,加入
10ml 1mol!L- 1 NaOH 溶液, 40 % 恒温箱碱解扩散 24h, 吸收液
用 0. 01mol!L - 1 H2SO4 标液滴定.
233 脲酶活性测定[ 15, 17] 采用比色法.取 5g 风干土于 50ml
三角瓶中, 加 1ml甲苯, 15min 后加 10ml 10%尿素液和 20ml
pH6. 7 柠檬酸盐缓冲液, 摇匀后 37 % 培养 24h. 再经过滤后取
3ml滤液于 50ml容量瓶, 加苯酚钠和次氯酸钠溶液比色,于波
长 578nm 处测量光密度值, 并换算成脲酶活性.
24 数据处理
数据统计分析用 6. 0 版 SPSS 软件的单因次方差分析, 每
两组试验数据间以 LSD检验及多项式比较判定组间差异的显
著性.
3 结果与讨论
31 不同浓度稀土对土壤 N的影响
由图 1可见,土壤有效 N 和 NH+4 N 浓度随外源
稀土浓度的增加而降低. 当施加稀土浓度到 20mg!
kg- 1时, 土壤有效 N 和 NH+4 N 含量分别比对照低
15%和 40%. 而不同浓度稀土作用下的土壤 NO-3 N
含量几乎未发生变化.从表 2也可看出,当施加稀土浓
度> 10mg!kg- 1时, 实验组与对照组土壤有效 N 和
NH+4 N含量的 T 值概率( P )均< 0. 05, 说明两者之
间存在显著性差异;而土壤 NO-3 N 的 T 值概率远>
0. 05,表明浓度组与对照组之间无显著性差异.
由于土壤中 NH +4 N 和 NO-3 N 的总和约占土壤
有效 N的 95%, 其中的 NH+4 N 含量> NO-3 N(图 1) ,
稀土元素影响下土壤有效 N 含量的降低主要是由于
NH+4 N的降低所致. 表3是对图1数据进行计算后,
图 1 施加稀土对土壤不同 N 形态浓度的影响
Fig. 1 Inf luences of applicat ion of REEs on concentrat ions of dif ferent nit ro
gen forms in soils.
a)第 2天 2nd day, b) 第 7 天 7th day, c)第 15天 15th day. &. NH +4N,∋ . NO-3 N, ( .有效 N Available N.下同 The sam e below .
表 2 不同处理组间土壤 N形态含量的单因次方差显著性检验
Table 2 One wayANOVA analysis for concentration di fferences of soil ni
trogen forms between control and treatment groups( P< 0. 05)
时间
Time
N形态
N itrogen forms
T 值概率 Tprobability( P* ) ( n= 4)
1mg!kg- 1 5mg!kg- 1 10mg!kg- 1 20mg!kg- 1
第 2天 NH+4 N 0. 158 0. 690 0. 079 0. 102
2n d day NO
-
3 N 0. 435 0. 876 0. 778 0. 729
有效 N Available N 0. 213 0. 714 0. 131 0. 314
第 7天 NH+4 N 0. 320 0. 246 0. 009 0. 004
7 th day NO
-
3 N 0. 931 0. 966 0. 698 0. 704
有效 N Available N 0. 652 0. 374 0. 018 0. 040
第 15天 NH+4 N 0. 060 0. 238 0. 010 0. 015
15 th day NO
-
3 N 0. 314 0. 824 0. 099 0. 687
有效 N Available N 0. 961 0. 968 0. 067 0. 449
得到的不同浓度外源稀土对土壤不同 N 形态浓度的
变化率.从表 3可以看出,外源稀土对土壤 NH+4 N 和
有效 N 浓度的影响较为明显. 而对 NO-3 N 的影响不
明显,浓度变化基本在实验误差范围内.对上述实验数
据进行单因次方差分析和 LSD检验( P< 0. 05, n= 4) ,
对土壤有效N 或 NH+4 N 浓度影响的无观察效应浓度
( NOEC)应为5mg!kg- 1 (以第7天数据和稀土微肥中
546 应 用 生 态 学 报 12卷
表 3 施加不同浓度稀土后第 7天对土壤不同N 形态的相对抑制率*
Table 3 Inhibition effects of REEs on concentrations of different nitrogen
forms in soil at 7th day of incubation
N 形态
Nit rogen
forms
施加稀土浓度 REEs applied( mg!kg- 1)
1 5 10 20
NO-3 N - 0. 8 ) 3. 7 - 0. 3 ) 14. 0 - 3. 3 ) 11. 3 - 3. 2 ) 8. 2
NH+4 N 8. 4 ) 10. 2 10. 8 ) 10. 3 29. 2 ) 12. 2 40. 7 ) 7. 4
有效 N
Available N
0. 6 ) 4. 3 2. 8 ) 6. 5 11. 5 ) 6. 6 15. 5 ) 4. 3
* 相对抑制率( % ) = ( Ci - Cd ) / Cd ∗ 100% . 其中, Ci 为处理组土壤不
同形态 N 含量; Cd 为对照组土壤不同 N 形态含量. Inhibit ion( % ) = ( Ci
- Cd ) / Cd ∗ 100% , w here C i is the concentrat ion of a nit rogen forms in
experimental group an d Cd is the concentrat ion of a nit rogen forms in con
t rol group.
的混合稀土浓度计) .
施加稀土降低了土壤 NH+4 N 的浓度, 原因一是
外源稀土可能抑制了土壤 N 的矿化作用(已有文献报
道,重金属元素如 Hg、Ag、Cu、Cd 等[ 6, 7]对 N 的矿化
有抑制作用.虽然稀土元素在物理化学行为上与这些
金属元素有相似之处,但是否会抑制土壤 N 的矿化作
用还有待进一步验证) .二是适量施加外源稀土会增加
植物根系对土壤有效 N 或NH+4 N的吸收[ 2, 20] ,因此,
可能会因为植物对根系附近有效态 N 的吸收速率超
过了土壤有效 N的供给速率, 在施加稀土后的一段时
间和某个局部造成土壤有效态 N 短缺.
32 土壤不同 N 形态含量随时间的变化
图2是施入外源稀土 10mg!kg- 1时, 不同培养时
间内土壤中不同形态 N 浓度的变化. 土壤 NO-3 N 浓
度在全部实验时期内基本保持不变, 而有效 N 或
NH+4 N 在第 7天时均明显降低( P< 0. 05,表 4) ,差异
显著 . 其中 , NH+4 N比施前降低38% , 有效N降低
表 4 浓度组与对照组土壤 N形态含量的比较
Table 4 One wayANOVA analysis for concentration of soil nitrogen forms
between control and treatment groups
N 形态
Nit rogen forms
T 值概率 Tprobabilit y( P* ) ( n= 4)
第 2d 2nd day 第 7d 7th day 第 15d 15th day
NH+4 N 0. 951 0. 000 0. 073
NO-3 N 0. 812 0. 996 0. 482有效 N AvailableN 0. 904 0. 004 0. 067
图 2 施加稀土后不同形态 N 浓度随时间的变化
Fig. 2 T imedependent variation of concent rat ions of diff erent nit rogen
forms in soils after applicat ion of REEs( 10mg!kg- 1) .
25% .在施加后第 15天, 有效 N 或 NH +4 N 得到一定
程度的恢复, 与对照组相比差异显著性减弱 ( P <
0. 10) .但 NH +4 N 和有效 N浓度仍比对照组分别降低
了 13%和 7%, 表明外源稀土对土壤有效 N 供给的影
响是暂时的,会因土壤自身的适应性调节,在一定时间
后逐渐恢复.
33 不同浓度稀土对土壤脲酶活性的影响
为探讨外源稀土对土壤 N 的影响机制, 测定了施
加不同浓度稀土后土壤脲酶活性的变化(图 3) . 施加
低浓度稀土( 1mg!kg - 1)时, 土壤脲酶活性在第 2天、7
天和 15天时分别比对照组增加 0. 8、4. 2和 13% ,而
当施加浓度达到 10mg!kg- 1时, 则分别降低了 20、
17. 2和 14. 4%(表 5) , 与对照组相比均有显著差异( P
< 0. 05) . 这表明施加稀土在低剂量时对土壤尿酶活性
有刺激作用,而在高剂量施加时对酶活性有抑制作用.
图 3 施加稀土对土壤脲酶活性 ( & )和 NH+4 N 浓度( ∋ )影响的量效关系
Fig. 3 Dosedependent variat ions of concentrat ion of enzymat ic act ivity( & )
and NH+4 N( ∋ ) of soil urease.
以施加稀土后第 7天为例, 不同稀土施加浓度组
的土壤脲酶活性与对土壤NH+4 N浓度之间存在线性
5474 期 刘定芳等:施加外源稀土元素对土壤中氮形态转化和有效性的影响
表 5 不同处理组间土壤脲酶活性差别的单因次方差显著性检验
Table 5 One wayANOVA analysi s for concentration differences of soil
urease activi ty between control and treatment groups( P< 0. 05)
T 值概率 Tprobabilit y( P* ) ( n= 4)
1mg!kg- 1 5mg!kg- 1 10mg!kg- 1 20mg!kg- 1
脲酶活性 第 2天 2nd day 0. 607 0. 234 0. 017 0. 034
U rease 第 7天 7th day 0. 339 0. 840 0. 007 0. 005
act ivity 第 15天 15th day 0. 160 0. 222 0. 005 0. 013
相关关系( R2= 0. 87, n= 4) ,表明土壤 NH+4 N 含量减
少与脲酶活性降低有内在联系. 外源稀土对土壤酶作
用下氨化作用的抑制, 应该是导致土壤 NH+4 N 降低
的原因之一.但本次实验结果并不排除其他影响因素,
如稀土刺激植物根系吸收 N, 引起根际土壤 NH +4 N
浓度下降.
图4是施加稀土 10mg!kg- 1时, 不同采样时间土
壤脲酶活性和 NH +4 N的变化,可以看出,土壤脲酶活
性的降低发生在第 2 天, 比对照组降低了 28%, 随后
逐渐恢复.而土壤 NH+4 N 浓度的变化主要发生在第 7
天,随后逐步恢复. 比较土壤脲酶活性与土壤 NH +4 N
浓度随时间的变化规律可以看出,土壤 NH+4 N 浓度
降低较土壤脲酶活性的变化滞后, 但在降低和再恢复
的自适应过程机制上有相似之处. 对实验组和对照组
进行的显著性分析结果也说明了这一现象(表 6) , 土
壤脲酶活性与施加前比较,显著性降低发生在第 2天;
而土壤NH+4 N的显著降低则发生在第7天. 一般而
言, 稀土或重金属元素对土壤酶活性的影响是其对土
表 6 施加稀土后NH+4 N和土壤脲酶活性差别的单因次方差显著性检验
Table 6 One wayANOVA analysis for concentration of NH+4 N and enzy
matic activities of soi l urease after adding REEs( 10mg!kg- 1)
T 值概率 Tprobabilit y( P* ) ( n= 4)
第 2天
2nd day
第 7天
7th day
第 15天
15th day
NH+4 N 0. 951 0. 000 0. 073
脲酶活性 Urease act ivity 0. 000 0. 004 0. 017
图 4 土壤脲酶活性( & )和 NH +4N浓度( ∋ )随时间的变化
Fig. 4 T im edependent variat ion of concent rat ion of enzymat ic act ivity( & )
and NH+4 N( ∋ ) of soil urease after applicat ion of REEs( 10mg!kg- 1) .
壤微生物影响的结果[ 18] .
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作者简介 刘定芳, 男, 1970 年 4 月生, 硕士生, 主要研究稀土
对土壤氮磷生物有效性的影响.发表论文多篇 .
548 应 用 生 态 学 报 12卷