全 文 ：氮形态转化对豆科植物物料改良茶园土壤酸度的影响
毛　佳 1, 2 ,徐仁扣 2① ,黎星辉 1　(1.南京农业大学茶叶研究所 , 江苏 南京　210095;2.中国科学院南京土壤研究所土壤
与农业可持续发展国家重点实验室 ,江苏 南京　210008)
摘要:采用室内培养试验方法研究了添加紫云英 、刺槐叶和豌豆秸秆对酸性茶园红壤酸度的改良作用 , 探讨了培
养期间豆科植物中氮形态转化对土壤酸度改良效果的影响。结果表明 , 3种豆科植物可不同程度提高酸性茶园红
壤的 pH, 培养试验结束时土壤 pH的增幅与植物物料灰化碱的含量相一致。豆科植物物料中氮的形态转化影响
其对土壤酸化的改良效果 ,有机氮的矿化导致土壤 pH增加 ,而矿化形成的铵态氮通过硝化反应释放质子 , 抵消了
植物物料对土壤酸度的部分改良效果。添加植物物料使土壤交换性盐基阳离子含量明显增加 ,土壤交换性铝含
量明显减少 。
关键词:植物物料;茶园土壤;酸度改良;土壤氮形态转化
中图分类号:S153　　文献标识码:A　　文章编号:1673-4831(2009)04-0042-04
EffectofLegumePlantMaterialsAmelioratingTeaGardenAcidSoilasAffectedbyNitrogenTransformation.
MAOJia1 , 2 , XURen-kou2 , LIXing-hui1(1.InstituteofTeaScience, NanjingAgriculturalUniversity, Nanjing210095, Chi-
na;2.StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture, InstituteofSoilScience, ChineseAcademyofSciences,
Nanjing210008, China)
Abstract:AlaboratoryincubationexperimentwascarriedouttoinvestigateefectsofapplicationofChinesemilkvetch
shoot, blacklocustleaves, andpeastalksonacidityofanUltisolfromateagarden, asafectedbynitrogentransformation
intheseorganicmaterials.ResultsshowthattheapplicationincreasedsoilpHtoavaryingextentcomparedwithcontrol.
Theextenttaliedwiththeamountofashalkaliintheplantmaterials.Themoretheashalkaliintheplantmaterials, the
greatertheincreaseinsoilpH.Nitrogentransformationafectedtheeffectsoftheseplantmaterialsamelioratingsoilacid-
ity.MineralizationoftheorganicNintheplantmaterialsconsumedH+, thusraisingsoilpH, whilenitrificationofNH4 +-
NfrommineralizationoforganicNreleasedH+, thusloweringsoilpH, whichsomewhatofsettheeffectofplantmaterials
amelioratingacidsoil.Theapplicationoftheplantmaterialsincreasedsoilexchangeablebasecationsanddecreasedsoil
exchangeableAlsignificantly.
Keywords:plantmaterial;teagardensoil;ameliorationofsoilacidity;nitrogentransformation
　　茶树起源于我国西南地区的云贵高原 [ 1] ,在亚
热带温和湿润的气候条件下 ,形成了喜酸怕碱的习
性 。茶树适宜在 pH4.5 ～ 6.0范围内的酸性土壤上
生长 ,其中最适 pH值是 5.5[ 2] 。但过强的酸性条件
对茶树生长也会产生不利影响 ,当 pH值低于 4.0
时茶树生长受到抑制[ 3] 。因此 ,对强酸性茶园土壤
进行改良 ,将土壤酸度调节到合适范围可以提高茶
叶的产量和品质 。
近年来的研究表明 ,某些植物物料对土壤酸度
有一定的改良效果 ,但到目前为止多数研究采用农
业土壤进行 [ 4-6] ,对酸性茶园土壤的研究较少 [ 7] 。
有研究表明 ,在加入土壤的初期 ,豆科植物物料改良
效果优于非豆科植物 ,但随着时间延长其改良效果
逐渐减弱 [ 5] 。产生这一现象的原因主要与豆科植
物所含有机氮在土壤中的形态转化有关[ 5] ,但其机
制还有待进一步探讨。与无机改良剂相比 ,植物物
料是一类温和的酸性土壤改良剂 ,特别适合茶园土
壤酸度的调节 。我国农业固体废弃物资源丰富 ,利
用植物秸秆改良酸性土壤不仅可为茶园土壤改良提
供新途径 ,而且有利于农业废弃物的合理利用。笔
者以红壤地区的酸性茶园土壤为材料 ,研究了 3种
豆科植物物料加入土壤后氮的形态转化对土壤酸度
的影响 ,并探讨其机制。
基金项目:国家自然科学基金(30821140538);国家 “十一五 ”科技支
撑计划(2006BAJ10B06)
收稿日期:2009-03 -23
①通讯联系人 E-mail:rkxu@issas.ac.cn
　生态与农村环境学报　2009, 25 (4):42-45, 99JournalofEcologyandRuralEnvironment
1　材料与方法
1.1　土壤和植物物料
土壤为采自江西鹰潭市郊茶园的红壤 ,发育于
第四纪红色黏土 。采集 0— 10 cm表层土壤样品 ,自
然风干后研磨过 1 mm孔径筛备用 。土壤 pH为
4.54[ m(土)∶V(水)为 1∶2.5] ;用重铬酸钾 -容
量法测定的有机质含量为 25.7 g· kg-1;用醋酸铵
法测定的土壤 CEC为 8.7 cmol· kg-1。土壤性质
测定方法参见文献 [ 8] 12-36。
3种植物物料分别为刺槐叶 、豌豆秸秆 、紫云
英 ,于 80 ℃下烘干 、磨细后过 2 mm孔径筛备用 。
植物物料中灰化碱采用马弗炉灰化 、酸溶解和
NaOH返滴定法测定[ 9] 。将 2.0 g植物样品置于 50
mL陶瓷坩埚中 ,在马弗炉中慢慢加热至 200 ℃并维
持 1 h,然后再加热至 500 ℃并维持 4 h。将灰化的
样品溶于 20 mL1.0 mol· L-1标准 HCl溶液中 ,取 5
mL酸溶溶液用 0.25 mol· L-1 NaOH滴定至中性 ,
根据酸碱滴定的结果计算灰化碱含量。另取一份植
物灰化物的酸溶液 ,采用原子吸收光谱法测定植物
物料 Ca、Mg含量 ,采用火焰光度法测定 K、Na含量。
植物物料的总碳和总氮含量采用碳氮分析仪测定。
植物物料化学成分列于表 1。
表 1　植物物料的化学成分
Table1　Chemicalcompositionandashalkalioftheplantmaterialsused
植物物料 灰化碱 /(cmol· kg-1)
Ca/
(g· kg-1)
Mg/
(g· kg-1)
K/
(g· kg-1)
Na/
(g· kg-1)
盐基总量 /
(g· kg-1)
总碳 /
(g· kg-1)
总氮 /
(g· kg-1)
紫云英 84.00 5.80 1.40 12.64 0.23 20.07 438.7 43.9
刺槐叶 91.20 31.30 0.52 9.20 0.31 41.33 475.0 27.5
豌豆秸秆 61.60 6.93 1.56 21.21 0.30 30.00 430.3 36.2
1.2　培养试验
称取 350 g风干土 ,以 2 g· kg-1的比例加入植
物物料并充分混合均匀后放入塑料烧杯中 ,添加去
离子水将土壤含水量调节至土壤田间持水量的
70%,用中间留 1个小孔的保鲜膜封口 ,以便气体交
换并减少水分损失。然后将塑料杯置于 25 ℃培养
箱中恒温培养 ,每隔 3 d称重并补充水分 ,以保持土
壤含水量恒定。在培养试验开始后的第 1、3、5、10、
20、30、40、50、60天取出 2份新鲜土样 ,其中 1份测
定 pH值;另 1份放入室内自然风干 ,磨细后测定土
壤铵态氮和硝态氮含量 。所有处理均设置 3次重
复 ,并设不加植物物料的处理作为对照。培养结束
后将土壤样品取出 ,风干 、研磨 ,过 1 mm孔径筛
备用。
土壤铵态氮和硝态氮采用 2 mol·L-1氯化钾溶
液浸提 [ 8] 106-107 ,流动分析法测定;土壤交换性酸和
交换性铝采用 1 mol· L-1氯化钾溶液浸提 ,标准
NaOH滴定法测定[ 8] 146 -163。土壤交换性盐基离子用
1 mol· L-1醋酸铵提取 ,提取液中钙和镁用原子吸
收分光光度法测定 ,钾和钠用火焰光度法测定 。
1.3　数据处理
采用 SPSS15.0软件对数据进行统计分析。
2　结果与讨论
2.1　植物物料对茶园土壤 pH的影响
　　3种植物物料与土壤混合培养过程中土壤 pH
的动态变化趋势如图 1所示。
图 1　土壤与植物物料混合培养过程中土壤 pH的动态变化
Fig.1　VariationofsoilpHduringtheincubationof
thesoilincorporatedwithplantmaterials
　　由图 1所示 ,从不加植物物料的对照来看 ,随着
培养时间增加 ,土壤 pH逐渐降低 ,约在 40天时达
到稳定状态 ,随后变化很小。由于所用土样采自表
层 ,含有一定量的铵态氮 ,培养过程中铵态氮的硝化
·43·　第 4期　　　　　　　　　　 毛　佳等:氮形态转化对豆科植物物料改良茶园土壤酸度的影响
反应是 pH下降的主要原因 ,这也是目前公认的铵
态氮肥过量施用加速土壤酸化的原因 [ 10] 。加入紫
云英 、刺槐叶和豌豆秸秆 3种植物物料可使土壤 pH
显著增加(P<0.01),特别是在培养试验前期 。至培
养 20天时 ,紫云英 、豌豆秸秆和刺槐叶分别使土壤
pH比对照提高 0.86、0.65和 0.90。但从第 20天开
始 ,随着培养时间的进一步增加 ,土壤 pH减小。特
别是添加紫云英和豌豆秸秆处理 ,在 20 ～ 50天之间
土壤 pH显著减小 ,而加刺槐叶处理土壤 pH变化较
小。培养试验结束时刺槐叶 、紫云英和豌豆秸秆分别
使土壤 pH比对照提高 0.90、0.32和 0.23。
植物物料对土壤酸度的改良作用主要得益于植
物物料所含的碱性物质。由表 1可知 , 3种植物物
料灰化碱含量为:刺槐叶 >紫云英 >豌豆秸秆 ,此与
这 3种植物物料改良土壤酸度的效果大小顺序一
致 。由于植物物料中碱性物质很容易释放 ,所以添
加植物物料后土壤 pH值迅速上升 。豆科植物物料
所含有机氮的矿化也是培养试验前期土壤 pH升高
的原因之一 ,矿化产生的铵态氮的硝化反应是培养
试验后期土壤 pH下降的主要原因 [ 4] 。因为有机氮
的矿化是消耗质子的过程(R-NH2 +H2O+H+ =
NH4 + +R-OH),而铵态氮的硝化反应过程则释放质
子(NH4 + +2O2 =NO3 - +2H+ +H2O)。虽然有机物
料分解过程中产生的有机酸也可能对培养后期土壤
pH降低有贡献 ,但有机酸多为弱酸 ,仅当土壤初始
pH较高时 ,它们才会对土壤产生明显的酸化作用 ,而
在较低 pH下有机酸根阴离子是一种碱 ,它们与 H+
的缔合作用会使土壤 pH升高[ 11] 。因此 ,可以认为在
本试验条件下有机酸对土壤酸化的贡献很小。
2.2　植物物料对土壤铵态氮和硝态氮的影响
土壤与植物物料混合培养过程中铵态氮和硝态
氮的变化趋势如图 2和图 3所示。对于不加植物物
料的对照而言 ,培养开始时铵态氮高于添加植物物料
处理 ,但随着培养时间增加 ,铵态氮含量逐渐降低 ,而
硝态氮呈相反的变化趋势(图 3)。这说明对照体系
中土壤铵态氮在培养过程中发生了硝化反应 ,即铵态
氮在土壤硝化细菌作用下氧化为硝态氮 , 1 mol铵态
氮氧化释放 2 mol质子 ,因此 ,这一过程导致土壤 pH
降低。这是图 1对照体系中土壤 pH随培养时间增加
而降低的主要原因。在培养试验期间 ,加刺槐叶处理
铵态氮和硝态氮含量均低于对照 ,这是该处理在培养
试验后期土壤 pH随培养时间增加变化很小的主要
原因 。添加紫云英和豌豆秸秆处理在培养试验期间
铵态氮和硝态氮均发生很大变化 。从图 2可以看出 ,
这 2个处理土壤铵态氮随培养时间增加而增加 ,约在
30天时达到最大 ,随后逐渐减小。图 3中 2种处理土
壤硝态氮一直随培养时间增加而增加。这说明在培
养试验前期 ,添加紫云英和豌豆秸秆处理植物物料中
所含有机氮发生了矿化反应 ,形成铵态氮 。在培养试
验后期 ,有机氮矿化产生的铵态氮发生硝化反应 ,形
成硝态氮 。有机氮的矿化反应是一个消耗质子的过
程 ,这一过程会导致土壤 pH升高 。但铵态氮的硝化
反应是一个释放质子的过程 ,这是培养试验后期添加
紫云英和豌豆秸秆处理土壤 pH随培养时间增加而
显著降低的主要原因 [ 5] 。
　　由表 1可以看出 ,由于豆科植物的生物固氮作
用 , 3种植物物料的氮含量均较高 ,为培养试验期间
氮的转化提供了丰富的氮源 。但与紫云英和豌豆秸
秆处理不同 ,添加刺槐叶处理氮的转化过程很慢 ,其
原因还有待今后的进一步研究。
·44· 　　　　　　　　　　　　　　生　态　与　农　村　环　境　学　报　　　　　　　　　　　　　　第 25卷
2.3　植物物料对土壤交换性酸和交换性盐基阳离
子的影响
培养试验结束时各处理土壤交换性酸和交换性
铝含量如图 4所示 。结果表明 ,加入 3种植物物料
均显著降低土壤交换性酸和交换性铝含量 (P<
0.01)。刺槐叶处理降幅大于紫云英和豌豆秸秆处
理 ,这与它们对土壤 pH的影响相一致(图 1)。土
壤交换性酸由交换性铝和交换性氢 2部分组成 ,由
图 4可知 ,茶园红壤交换性酸主要为交换性铝 ,交换
性氢所占比例很小 ,在 5%以下 ,这与以往报道的关
于酸性矿质土壤的研究结果一致[ 12] 。
培养试验结束时 ,各处理土壤交换性盐基阳离
子含量见表 2。结果表明 ,加入 3种植物物料使土
壤交换性盐基阳离子总量 、交换性钙和交换性钾显
著增加(P<0.05),但交换性镁增幅较小 。这与植
物物料所含盐基阳离子数量一致。由表 1可知 , 3
种植物物料所含钙和钾量高于镁含量 ,所以它们对
土壤交换性钙和钾的贡献大于交换性镁。由表1还可
看出 ,刺槐叶中钙含量比紫云英和豌豆秸秆高得多 ,
它对土壤交换性钙的贡献也大于其他 2种植物物
料。前者使土壤交换性钙增加 1.81倍 ,而紫云英和
豌豆秸秆分别使土壤交换性钙比对照增加 65%和
64%。紫云英和豌豆秸秆钾含量高于刺槐叶 ,它们
对土壤交换性钾的贡献大于刺槐叶。因此 ,不同植
物物料中盐基离子含量不同 ,它们对土壤交换性盐
基阳离子的影响也不同 。
图 4　植物物料对土壤交换性酸和交换性铝含量的影响
Fig.4　Effectofplantmaterialsonexchangeable
acidandexchangeablealuminum insoil
表 2　植物物料对土壤交换性盐基阳离子含量和土壤 ECEC的影响
Table2　Effectofplantmaterialsonexchangeablebasecationsandeffectivecationexchangecapacityofthesoil
处理 交换性钙 /(cmol· kg-1)
交换性镁 /
(cmol· kg-1)
交换性钾 /
(cmol· kg-1)
交换性钠 /
(cmol· kg-1)
交换性盐基阳离子总量 /
(cmol· kg-1)
ECEC/
(cmol· kg-1)
交换性盐基阳离子
总量占 ECEC比例 /%
对照 1.73 0.41 0.44 0.46 3.04 8.89 34.2
刺槐叶 4.86 0.75 1.06 1.08 7.75 9.90 78.3
紫云英 2.86 0.89 2.02 0.57 6.34 10.07 63.0
豌豆秸秆 2.84 0.71 1.83 1.11 6.49 10.03 64.7
ECEC—有效阳离子交换量 ,其数值等于交换性酸与交换性盐基阳离子量之和。
　　土壤有效阳离子交换量 (ECEC)是指在某一
pH时土壤表面可交换阳离子的总量。可变电荷土
壤中 , ECEC随土壤 pH变化而变化。由图 1和表 2
可以看出 ,由于加入植物物料提高了土壤 pH,使土
壤 ECEC有所增加;另一方面 ,植物物料本身带有一
定量的负电荷 , 它们的进入也直接增加土壤的
ECEC。添加植物物料使土壤交换性盐基阳离子增
加 ,土壤交换性铝减少 ,因此交换性盐基阳离子占
ECEC的比例明显增加 ,而交换性铝所占比例明显
减小。因此 ,添加植物物料可以提高土壤 pH,增加
盐基性养分含量 ,改善土壤质量 。
3　结论
3种豆科植物均不同程度提高酸性茶园红壤
pH,培养试验结束时土壤 pH的增幅与植物物料所
含灰化碱的大小相一致 。豆科植物物料中氮的形态
转化影响这些物料对土壤酸度的改良效果 ,有机氮
的矿化导致土壤 pH增加 ,而矿化形成的铵态氮通
过硝化反应释放质子 ,抵消了植物物料对土壤酸度
的部分改良效果。添加植物物料增加了土壤交换性
盐基阳离子含量 ,降低了土壤交换性铝含量 。
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·45·　第 4期　　　　　　　　　　 毛　佳等:氮形态转化对豆科植物物料改良茶园土壤酸度的影响
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