植物营养元素循环研究方法

植物营养元素循环研究方法

摘要：本文阐述了植物营养元素的种类，植物营养元素循环的研究方法，及样本营养元素含

量的一般测定方法及操作步骤和注意事项，为今后营养元素循环规律的研究提供理论和技术依据。

关键词： 植物营养元素 营养元素循环 研究方法

1植物营养元素

植物正常生长发育所需要的营养元素有必需元素和有益元素之分；必需元素中又有大量(亦称常量) 元素和微量元素之分。

1.1必需元素

必需元素指植物正常生长发育所必需而不能用其他元素代替的植物营养元素。必须元素是构成植物体内有机结构的组成成分，参与酶促反应或能量代谢及生理调节[1]。如纤维素、单糖和多糖中含有碳、氢、氧；蛋白质中含有碳、氢、氧、氮、磷、硫；某些酶中含有铁或锌；Mg2+和K+是两种不同的酶的活化剂；K+和Cl-对渗透调节具有重要作用，等等[2]。

根据植物需要量的多少，必需元素又分为大量元素和微量元素。

大量元素有碳(C)、氢(H)、氧（O ）、氮（N ）、磷（P ）、硫(S)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、硅（Si ）(最新的植物生理学中说Si 是新增的大量元素)

微量元素有铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、硼(B)、钼(Mo)、氯(Cl)、钠（Na ）、镍(Ni) (最新的植物生理学中说Na 、Ni 是新增的微量元素) 。

1.2有益元素

有益元素指一些植物正常生长发育所必需而不是所有植物必需的元素。如钴等。

2营养元素循环

营养元素循环，是生态系统中鼓重要的结构功能特征，它在生态系统的调节活动中扮演重要角色，是一切全而深人的生态系统研究中必不可少的工作[3]。这方而的工作国内外已开展很多[4]，但多是在纯度和均一性较高的人工林中进行的，而在亚热带北缘的南京地区，尤其是宝华。这样遭受较重的人为破坏后，又加以适当保护发展起来的均一性较差的森林群落中进行类似的研究还是第一次。

2.1研究方法

2.1.1样地布设

选择合适的育苗场地进行试验设计，并选择合适的林木或苗木进行统一管理，为试验做好准备

2.1.2苗木处理

根据具体的试验目的和试验设计对苗木进行处理，如施肥等。

2.1.3采样分析

根据试验设计进行采样，一般采样是定期、定时进行的，具体依试验设计。

土壤调查：在各标准地内挖掘剖面, 按自然发育层次, 于各层均匀取样分析。 营养元素含量分析：

N 含量用凯氏定氮法测定

P 用钒钼黄比色测定

其它元素用500℃高温灰化,1:4盐酸溶解制备系列待测液, 用原子吸收分光光度法测定其含量。

土壤有效Fe,Zn,Cu, 用DTPA 浸提, 土壤速效钾、交换性锰、钙、镁用NH 4OAc 提取, 原子吸收法测定[5]。

2.2研究结果与分析

2.2.1不同营养元素的分布及含量

营养元素的含量随着树种和器官的不同而异。

2.2.2不同营养元素积累速率

林分的养分积累速率, 即年净积累量, 是养分平衡公式中不可缺少的存留量定量指标。

2.2.3林木生态系统的营养元素积累

林木生态系统营养元素积累为生物产量与各器官中营养元素之积, 不仅取决于生物量的大小, 而且取决于营养元素含量的高低。营养元素总积累是森林群落与环境相互作用的结果[6]。

2.2.4营养元素的生物循环

林木生态系统营养元素的生物循环平衡公式为:吸收量=存留量+归还量 式中, 营养元素存留量为锐齿栎林的营养元素年积累量, 营养元素归还量由枯落物年积累量得到, 并可利用如下公式分别计算各循环系数:

吸收系数=年元素吸收量/表土层元素贮量

循环系数=年元素归还量/年元素吸收量

利用系数=年元素吸收量/年元素积累量

元素周转期=现存量中元素贮量/年凋落物中元素量

循环系数用于表征营养元素循环强度, 某营养元素的循环系数越大, 循环强度越大, 林木生长对土壤库存元素的耗费相对就越小[7]。

3营养元素测定常用方法

3.1凯氏定氮法

凯氏定氮法是测定化合物或混合物中总氮量的一种方法[8]。即在有催化剂的条件下，用浓硫酸消化样品将有机氮都转变成无机铵盐，然后在碱性条件下将铵盐转化为氨，随水蒸气馏出并为过量的酸液吸收，再以标准碱滴定，就可计算出样品中的氮量。由于蛋白质含氮量比较恒定，可由其氮量计算蛋白质含量，故此法是经典的蛋白质定量方法[9]。

3.1.1原理

蛋白质是含氮的有机化合物。食品与硫酸和催化剂一同加热消化，使蛋白质分解，分解的氨与硫酸结合生成硫酸铵。然后碱化蒸馏使氨游离，用硼酸吸收后再以硫酸或盐酸标准溶液滴定，根据酸的消耗量乘以换算系数，即为蛋白质含量。

有机物中的胺根在强热和CuSO4，浓H 2SO 4 作用下，硝化生成（NH 4）2SO 4 反应式为：

2NH 2+H2S04+2H＝(NH4) 2S04 （其中CuSO 4做催化剂）

. 在凯氏定氮器中与碱作用，通过蒸馏释放出NH3 ，收集于H3BO3 溶液中 反应式为：

(NH4) 2SO 4+2NaOH＝2NH 3+2H2O+Na2SO 4

2NH 3+4H3BO 3＝(NH4) 2B 4O 7+5H2O

用已知浓度的H 2SO 4（或HCI ）标准溶液滴定，根据HCI 消耗的量计算出氮的含量，然后乘以相应的换算因子，既得蛋白质的含量，反应式为：

(NH4) 2B 4O 7+H2SO 4+5H2O ＝(NH4) 2SO 4+4H3BO 3

(NH4) 2B 4O 7+2HCl+5H2O ＝2NH 4Cl+4H3BO 3

3.1.2试剂

所有试剂均用不含氨的蒸馏水配制：硫酸铜、硫酸钾、硫酸、2%硼酸溶液、混合指示液（1份0.1%甲基红乙醇溶液与5份0.1%溴甲酚绿乙醇溶液临用时混合。也可用2份0.1%甲基红乙醇溶液与1份0.1%次甲基蓝乙醇溶液临用时混合）、40%氢氧化钠溶液、0.025mol/L硫酸标准溶液或0.05mol/L盐酸标准溶液。

3.1.3仪器 定氮蒸馏装置

3.1.4操作方法

1）样品处理：精密称取0.2-2.0g 固体样品或2-5g 半固体样品或吸取10-20ml 液体样品（约相当氮30 ~ 40mg ），移入干燥的100ml 或500ml 定氮瓶中，加入0.2g 硫酸铜，6g 硫酸钾及20毫升硫酸，稍摇匀后于瓶口放一小漏斗，将瓶以45度角斜支于有小孔的石棉网上，小火加热，待内容物全部炭化，泡沫完全停止后，加强火力，并保持瓶内液体微沸，至液体呈蓝绿色澄清透明后，再继续加热0.5小时。取下放冷，小心加20ml 水，放冷后，移入100ml 容量瓶中，并用少量水洗定氮瓶，洗液并入容量瓶中，再加水至刻度，混匀备用。取与处理样品相同量的硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸同一方法做试剂空白试验。

2）装好定氮装置，于水蒸气发生器内装水约2/3处加甲基红指示剂数滴及数毫升硫酸，以保持水呈酸性，加入数粒玻璃珠以防暴沸，用调压器控制，加热煮沸水蒸气发生瓶内的水。

3）向接收瓶内加入10ml 2%硼酸溶液及混合指示剂1滴，并使冷凝管的下端插入液面下，吸取10.0ml 样品消化液由小玻璃杯流入反应室，并以10ml 水洗涤小烧杯使流入反应室内，塞紧小玻璃杯的棒状玻璃塞。将10ml 40%氢氧化钠

溶液倒入小玻璃杯，提起玻璃塞使其缓慢流入反应室，立即将玻璃盖塞紧，并加水于小玻璃杯以防漏气。夹紧螺旋夹，开始蒸馏，蒸气通入反应室使氨通过冷凝管而进入接收瓶内，蒸馏5min 。移动接收瓶，使冷凝管下端离开液皿，再蒸馏1min ，然后用少量水冲洗冷凝管下端外部。取下接收瓶，以0.01N 硫酸或0.01N 盐酸标准溶液定至灰色或蓝紫色为终点。

同时吸取10.0ml 试剂空白消化液按3操作。

3.1.5计算

X =(（V1-V2）*N*0.014)/( m*（10/100）) *F*100%

X ：样品中蛋白质的百分含量，g ；

V1：样品消耗硫酸或盐酸标准液的体积，ml ；

V2：试剂空白消耗硫酸或盐酸标准溶液的体积，ml ；

N ：硫酸或盐酸标准溶液的当量浓度；

0.014：1N 硫酸或盐酸标准溶液1ml 相当于氮克数；

m ：样品的质量（体积），g （ml ）；

F ：氮换算为蛋白质的系数。蛋白质中的氮含量一般为15～17.6%，按16%计算乘以6.25即为蛋白质，乳制品为6.38，面粉为5.70，玉米、高粱为6.24，花生为5.46，米为5.95，大豆及其制品为5.71，肉与肉制品为6.25，大麦、小米、燕麦、裸麦为5.83，芝麻、向日葵为 5.30。

3.1.6注意事项

1）样品应是均匀的。固体样品应预先研细混匀，液体样品应振摇或搅拌均匀。

2）样品放入定氮瓶内时，不要沾附颈上。万一沾附可用少量水冲下，以免被检样消化不完全，结果偏低。

3） 硝化时如不容易呈透明溶液，可将定氮瓶放冷后，慢慢加入30%过氧化氢（H 2O 2）2~3ml，促使氧化。

4） 在整个消化过程中，不要用强火。保持和缓的沸腾，使火力集中在凯氏瓶底部，以免附在壁上的蛋白质在无硫酸存在的情况下，使氮有损失。

5） 如硫酸缺少，过多的硫酸钾会引起氨的损失，这样会形成硫酸氢钾，而不与氨作用。因此，当硫酸过多的被消耗或样品中脂肪含量过高时，要增加硫酸的量。

6） 加入硫酸钾的作用为增加溶液的沸点，硫酸铜为催化剂，硫酸铜在蒸馏时作碱性反应的指示剂。

7） 混合指示剂在碱性溶液中呈绿色，在中性溶液中呈灰色，在酸性溶液中呈红色。如果没有溴甲酚绿，可单独使用0.1%甲基红乙醇溶液。

8） 氨是否完全蒸馏出来，可用PH 试纸试馏出液是否为碱性。

9） 吸收液也可以用0.01当量的酸代表硼酸，过剩的酸液用0.01N 碱液滴

定，计算时，A 为试剂空白消耗碱液数，B 为样品消耗碱液数，N 为碱液浓度，其余均相同。

10） 以硼酸为氨的吸收液，可省去标定碱液的操作，且硼酸的体积要求并不严格，亦可免去用移液管，操作比较简便。

11） 向蒸馏瓶中加入浓碱时，往往出现褐色沉淀物，这是由于分解促进碱与加入的硫酸铜反应，生成氢氧化铜，经加热后又分解生成氧化铜的沉淀。有时铜离子与氨作用，生成深l 蓝色的结合物[Cu(NH3) 4]2+。[10]

12） 这种测算方法本质是测出氮的含量，再作蛋白质含量的估算。只有在被测物的组成是蛋白质时才能用此方法来估算蛋白质含量[11]。

3.2钒钼黄比色法

采用磷钒钼黄水相比色和有机相萃取比色相结合的方法，适于测定磷酸盐含量相差很大的样品的分析[12]。比法具有干扰少，操作简便，快速等特点。

在0.5~1.5N 硝酸介质中，使磷酸盐与钒，钼酸铵生成黄色络合物(P2O 5.V 2O 6.nMoO 3.NH 2O) 。可用分光光度计进行比色测定。水相比色用460毫微米波长，有机相用420毫微米。络合物颜色可稳定24小时以上[13]。可测范围为0.5~80.0毫克/升。

3.2.1仪器

72型或721型分光光度计;50毫升具塞磨口比色管，250毫升锥形瓶，小漏斗等。

3.2.2试剂

硝酸(比重1.42) ：需煮沸除去氧化氮。

钒钼酸铵混合显色剂，称取100克钼酸铵溶于1000毫升水中。另称取3克偏钒酸铵溶于500毫升热水中，放冷后加入500毫升l:3硝酸，冷却至室温。然后将钼酸铵溶液在搅拌下倾入偏钒酸铵溶液中。再加入180毫升煮沸过的浓硝酸，摇匀。

磷酸盐标准溶液:称取1.4330克磷酸二氢钾120℃烘干三小时，溶于少量水中，加入5毫升浓硫酸，然后转移1000毫升容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。此溶液为1豪克PO 43-/毫升。用于萃取比色时可再稀释10倍[14]。

3.2.3步骤

1) 标准曲线的绘制

准确吸取不同量的磷酸盐标准溶液(水相比色取250~4000微克; 有机相比色取25~300微克) 于250毫升三角瓶中，加人1.0毫升10N 硫酸，5毫升5%过硫酸钾溶液，锥形瓶口放一短颈漏斗，加水至总体积约为60 ~ 70毫升。在电炉上消煮45一60分钟，继续加热至总体积约10毫升，放冷，洗涤漏斗及锥形瓶内壁。加1滴1%酚酞溶液，用6N 氢氧化钠中和至出现粉红色，然后滴加10N 硫酸至红色退去。转人比色管中，使总体积为30~35毫升。加入2.0毫升煮沸过的

浓硝酸，10.0毫升混合显色剂，稀释至刻度，摇匀一分钟。水相放置30分钟后用72型分光光度计在460毫微米波长处，用1厘米比色槽进行测定。若用有机相比色测定，则应在放置30分钟后加入20.0毫升正丁醇，振摇一分钟，等分层后，吸取有机相于2厘米比色槽中，在420毫微米波长处进行比色测定(均以试剂空白为参比) 。以吸光度为纵坐标，磷酸根含量为横坐标，分别绘制水相和有机相比色的标准曲线。

2) 水样分析

准确吸取水样25~100毫升，放于250毫升三角瓶中，以下按准曲线绘制法进行消解，显色和测定。

若水样磷酸盐含量很高，可少取水样或经稀释后取分样进行侧定[15]。

3.2.4计算

对样品进行比色测定后，从标准曲线上查得相应的含量. 用下列公式计算磷酸盐含量：

磷酸盐(以PO 43-计，毫克/升)=测得磷酸盐量(微克)/取样量(毫升)

准确度及精密度：回收率接近100%，变异系数在±l%以下。

3.2.5注意事项

1) 比色时硝酸酸度的合适范围为0.5~1.5N，酸度过高，显色速度减慢，一般加入显色剂后30分钟显色完全。

2) 铁(Ⅲ) ，铜，镍，铅，铝，钙，镁，锶，钡，钾，钠，按，汞(Ⅰ) ，汞(Ⅱ) ，钖(IV)，锌，镉，银，氟离子，醋酸根，焦磷酸盐，钼酸盐，四硼酸盐，柠檬酸盐，硒酸盐，水扬酸物，草酸盐，硅酸盐，酒石酸盐，亚硝酸盐，氰化物，硫酸盐，亚硫酸盐等在1000毫克/升以内不干扰测定。五价砷对水相比色测定无影响，但对有机相萃取比色有严重干拢。

3.3原子吸收分光光度法

原子吸收分光光度法（atomic absorption spectrophotometry ，AAS ）, 又称原子吸收光谱法（atomic absorption spectrometry ，AAS ），是基于蒸汽相中待测元素的基态原子对其共振辐射的吸收强度来测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。它是测定痕量和超痕量元素的有效方法[16]。具有灵敏度高、干扰较少、选择性好、操作简便、快速、结果准确、可靠、应用范围广、仪器比较简单、价格较低廉等优点，而且可以使整个操作自动化，因此近年来发展迅速，是应用广泛的一种仪器分析新技术[17]。

它能测定几乎所有金属元素和一些类金属元素，此法已普遍应用于冶金、化工、地质、农业、医药卫生及生物等各部门，尤其在环境监测、食品卫生和生物机体中微量金属元素的测定中，应用日益广泛[18]。

3.3.1材料与试剂

硝酸、高氯酸均为分析纯; 试验用水均为双蒸水或纯净水。

3.3.2仪器

微型植物粉碎机、TAS-990型原子吸收分光光度计

注:试验所用所有玻璃仪器均经稀硝酸浸泡12 h以上, 然后经自来水、蒸馏水、纯净水依次洗净烘干备用。

3.3.3样品处理

用蒸馏水反复冲洗原料, 把不同材料分开处理, 于60℃恒温箱中干燥, 用微型植物粉碎机分别粉碎后备用[19]。

3.3.4标准添加曲线的绘制

准确称取样品粉末5000g ，采用确定的最佳消化条件进行样品消化, 消化后定容至50ml 容量瓶中, 用定量滤纸过滤2次, 用移液管分别取5ml 样品溶液于5个10 ml容量瓶中, 分别加入一定量标准溶液。之后用石墨炉原子吸收法分别测定各样品中营养元素含量。添加标准曲线的回归方程和相关系数。

3.3.5结果与分析

1）检出限 对空白试样进行连续20次测量, 得出特征浓度和检出限。

2）准确度试验 取已知含量的样品6份, 分别加入标准溶液进行试验, 记录回收率测定结果。

3）精密度试验 取多份样品连续进样7次, 计算相对标准偏差。

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