“肥料15N示踪技术”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

肥料15N示踪技术

释义

【肥料15N示踪技术】

拼译：fertilizer¹⁵N tracing technigue

它是一种广泛应用于农业和环境科学的各个分支学科中揭发自然现象和规律的有效手段。生物系统应用肥料¹⁵N示踪技术，可以追踪和区分空气氮、土壤氮、有机肥或无机肥氮各自的行为和交互作用对生物系统发生的效应，使生物圈内各种氮源的结构、储存、迁移、转化和功能机制有一个精确的数量概念；借此阐明农业生态系统土壤－植物－动物含氮物质的循环、土壤圈内的氮素转化和作物的氮素营养理论。

1930年Naude发现同位素¹⁵N、1937年Urey报道¹⁵N的浓集操作方法以后，1938年Schoenheimer等和1939年Viekery等分别将其用于动物和植物生理代谢的研究。1943年，Norman和Werkman最先用于农学研究大豆吸氮。1974年，中国开始在田间条件下研究肥料¹⁵N在土壤－植物系统的平衡；1975年在温室用无机¹⁵N肥标记绿肥的试验；1986年首次成功地用ⁱ⁵N标记黑麦草通过兔子消化吸收后的兔粪尿¹⁵N，在温室进行试验研究(蔡大同等，1989；吴珊眉等，1990；Ruihe Shi等，1990)；翌年又用¹⁵N标记稻谷喂鸡和研究鸡粪¹⁵N的利用(卢学兰等，1991)；还利用¹⁵N标记的土壤研究豆科作物共生固氮(李井葵等，1991)。生物圈的氮素循环研究开始系统化。

自然界存在6种N同位素，质量14和15的是稳定性的，空气中¹⁴N／¹⁵N原子数目的比例相对地固定为272土0．3，用¹⁵N%自然丰度表示为0．3663±0．0004(¹⁴N%为99．634)。稳定性同位素¹⁵N不发生同位素蜕变，试验不受时间限制；没有辐射效应，不危害人体，毋需特殊防护设备和条件，一般实验室都可以应用；不存在残留物处理问题，残留物常用于继续试验，跟踪它的后效和行为。试验不必设置无N处，理作对照，使试验精确度大为提高，因为排除了加N与不加N两个处理之间由于土壤不均匀性和生物个体间差异性引起的误差。在大规模试验时，当示踪物输入试验系统后，短时间内就可以采样分析取得信息。现在生物系统氮素研究的示踪物，几乎都用¹⁵N肥为标记源。4种放射性同位素N的寿命都很短，其中相对长的¹³N半衰期为10．05分min，其他的¹⁶N、¹⁷N和¹²N分别为7．36、4．14和0．0125min。生产和纯化¹³N气体需要的费用大和复杂的设备回旋加速器；用¹³N作示踪源要求在生产的同时进行试验，并且要在2～3h内完成，但它的灵敏度高，可用于研究生物化学过程瞬间的反应速率，或用¹⁵N不能取得满意结果的研究。

1⁵N通过分馏方法与¹⁴N分离后浓集和制成肥料示踪物，它的¹⁵N%丰度超过自然丰度，故名富¹⁵N材料。由于它的商品价格和测试费高，限制了试验规模，多数是在盆钵或田间微区进行，种植密植型作物的多而中耕作物的少。肥料¹⁵N示踪技术用于研究各种作物的氮肥回收率、不同地区的土壤－植物系统ⁱ⁵N平衡、肥料¹⁵N在土壤中转化、生物固氮和作物生理等方面，已积累了大量资料；少数研究氨基酸ⁱ⁵N的营养作用(张夫道，1984)；研究作物对于不同肥料¹⁵N、土壤N和激发N的吸收、转化和植株上各个器官部位的分配(蔡大同，1982；吴毅文等，1991；卢学兰等，1991)，¹⁵N分离后的N气制成的¹⁵N示踪物；由于它的丰度低于自然丰度故名贫¹⁵N材料，它是制造富ⁱ⁵N的副产物，数量多，价廉，适于较大的田间小区种植玉米等高秆的中耕作物，研究农业管理系统下的N平衡。1950年，美国原子能机构制成少量贫¹⁵N硫铵供试验，以后有大量生产(%¹⁵N原子0．009～0．003)用于研究玉米氮素平衡(Hauck and Bremner，1976)。

肥料¹⁵N示踪技术，已从简单试验设计发展为在一个处理内含有多因子试验的交叉标记法。对水稻进行氮肥分期试验的结果(Tokeo Koyama等，1973；Nagarajak等，1975；Fried等，1978；FAO，1980；蔡大同等，1985)表明，水稻植株对幼穗分化期追施的¹⁵N肥利用率高。对小麦的ⁱ⁵N肥分期试验也表明拔节肥的利用率最高，转化到麦粒的肥料¹⁵N相对地高于土壤N(卢学兰等，1991)，后期的¹⁵N肥明显地增加麦粒蛋白质含量主要是合成麦醇性蛋白和麦谷蛋白成分(Yagodin，1984)。交叉标记法应用于有机肥和无机肥不同配比处理的研究，增进了对土壤氮素转化和作物氮素营养的认识深化。黄东迈等(1981)在温室的柽麻和硫铵、莫淑勋等(1983)在田间微区的紫云英和尿素结合试验，都表明粪肥、绿肥和秸秆的¹⁵N素在土壤中残留率均比化肥的残留率高，有机肥与无机肥配合存在着交互作用：有机肥可提高化肥¹⁵N在土壤中的生物固持作用，延长供¹⁵N过程和降低其损失率；无机肥有促进有机肥矿化作用。进一步对有机肥和无机肥残留¹⁵N的后效应及有机化学形态组分的研究，表明化肥残留¹⁵N较有机肥残留¹⁵N的有效性比率高，它们的有效性相对地都大于土壤N；两种肥料残留¹⁵N转化为氨基酸态和酸解未知态两组分，占全部¹⁵N的比率明显地高于土壤N相应组分；第2季作物生长期间，肥料残留¹⁵N的矿化量大部分是来自这两组分有机态¹⁵N，其中化肥残留¹⁵N的矿化率大于有机肥残留¹⁵N的矿化率；这两组有机态¹⁵N与土壤生物量之间存在着统计学的相关性；土壤生物量与化肥¹⁵N残留率呈正相关，而与ⁱ⁵N损失率呈负相关。

研究作物对氮肥回收率，往往出现用差值法的高于用同位素法的结果，这种现象称为“激发效应”(或作用)。Lohnis(1926)在对绿肥进行试验时已觉察但未被人重视；后用同位素¹⁴C和¹⁵N示踪技术所证实。当土壤加¹⁵N处理的植株吸收或培养试验提取的土壤N大于未加¹⁵N处理的为正效应，反之为负效应。土壤加入其他盐类也会出现对土壤N“激发作用”。认为真的“激发效应”是由于微生物矿化作用和作物根系伸展，导致植株累积的土壤N增加或减少；与此相反的则认为“激发效应”是物质交换或同位素生物交换过程的“表观”现象(Jenkinson，1985)。这2种意见都未能对所有的试验结果给予完全满意的解释。Laure(1974，1975)提出物理化学作用的“质子迁移”假说(Hauck等，1976；Cmpbell，1978)，但多半带有臆测。测定作物生长周期的激发量动态变化(蔡大同，1982；卢学兰，1991)指出：植株生长初期出现负效应，随后不久上升为正效应并达到一高峰，而后下降至作物全部收获时的激发量已不大或趋于零。

·“A”值概念，它的原理是假定植物从肥料和土壤两个来源吸收的养分，与加入的肥料和土壤中的有效性养分数量呈正比关系(Fried and Dean，1952)，植物吸收两个来源的养分保持一定的比例，就必须再假设：施用的肥料在土壤中的转化与土壤中有效性养分的行为完全相同并成一定比例关系。事实上，许多试验发现作物吸收肥料¹⁵N和土壤N的比例是随生育期推移而减小；施用的肥料种类、化学形态、物理性状、施用时间、数量、位置、方法和其它农业措施等都会影响肥料¹⁵N的利用率。“A”值是肥料利用率的函数，所以应用“A”值时要详细说明测定的条件(Broadbent，1970)。

过去应用¹³N或¹⁵N₂气已证明土壤固氮微生物和根瘤菌共生固氮作用，但因应用¹³N的条件要求很高，应用¹⁵N₂只能测定某一段时间的固氮作用(Tomio yoshida，等1980)。应用肥料N方法易行，可靠性较高(Fried等，1975)。供试的固氮作物与参比作物中，施用ⁱ⁵N肥量相同的称为同位素稀释法(Smith等，1987)；固氮作物施¹⁵N少而参比作物施¹⁵N多的称为“A”值法(George等，1982)；不施¹⁵N肥而利用¹⁵N%自然丰度在两个体系内的变化亦属于同位素稀释法(Rennie，1983)。

氮肥从土壤－植物系统中损失是众人关心的问题。普遍用差值法计算施入的¹⁵N量减去作物和土壤的回收量所得出的结果，误差较大。现在田间条件下应用¹⁵N肥示踪技术和微气象学的质量平衡法，直接测定¹⁵NH₃挥发量，再从¹⁵N肥总损失量减去挥发量作为反硝化作用的损失量(Cai Gui-xin等，1987；朱兆良等，1989；Zhu Zhao-liang等，1989)。研究结果指出，石灰性土壤上¹⁵NH₃挥发损失为主要，而在中性土壤上反硝化作用大于氨挥发损失。用差减法计算的反硝化作用的数量，比直接用N示踪－电弧法测得的结果大得多(Cai，1990)。造成水稻田氨损失的主要原因是氮肥使水层H⁺浓度下降，稻田藻类繁殖也是一个重要原因(Schrier等，1987)。

农业生态系统的物质循环，尤其是氮素问题显得更突出。弄清楚不同农业系统生物之间食物链的氮素流的相互关系，为建立高效低耗的农业生产结构的科学依据。扩大应用同位素¹⁵N交叉标记和¹⁴C－¹⁵N双标记技术，研究有机肥料在土壤生物圈内的氮素转化，可能会更深刻地认识土壤有机质矿化作用－生物固持作用的实质(Camplell，1978；Jansson，1982)。

【参考文献】：

1 Fried M，H Broeshart．Plant Soil．1975，43：707～711

2 Hauck R D，J M Bremner．Adv．Agro，1976，28：219～261

3 朱兆良，蔡贵信，俞金洲．科学通报，1977，11：503

4 黄东迈，高家骅，朱培立．土壤学报，1981，18(2)：107～121

5 Freney J R，Trevitt A C F．土壤学报，1987，24(2)：142～151

6 蔡贵信，朱兆良，朱宗武．Trevitt A C F，J R Freney．土壤，1985，17(5)：225～229

7 蔡大同，吴毅文，史瑞和．南京农业大学学报，1989，(2)：66～72

8 吴珊眉，倪苗娟．应用生态学报，1990，(1)：67～74

9 卢学兰，蔡大同，史瑞和．南京农业大学学报，1991，14(3)：79～82

10 王岩，蔡大同，史瑞和．土壤学报，1993，30(1)：19～25

(南京农业大学蔡大同研究员撰)

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