植物營養(yǎng)的物理化學研究方法

關于植物營養(yǎng)的物理化學研究方法第1頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四

第一節(jié)植物營養(yǎng)的熱力學研究方法一、基本原理：（一）自由能：指體系總能量中，具有作有用功本領的那部分能量，或者說可被人們利用的那部分能量。自由能越高越不穩(wěn)定，所以，自由能具有自動降低至最小值的趨勢。第2頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四在土壤這個多組分體系中，自由能（G）是溫度（T）、壓力（P）以及各組分摩爾數（n）的函數，其數學表達式為：

G=f（T、P、n1、n2…nK）K為土壤中各組分摩爾數。當體系中有一個微小的變化時，自由能也隨之有一個微小變化，即對自由能G的全微分：第3頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四由于土壤中養(yǎng)分變化的始態(tài)和終態(tài)都是在同一條件下進行的，所以可視為恒溫恒壓過程，即dT＝0，dp=0,從而上式變?yōu)椋旱?頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四令…第6頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四則上式變?yōu)槭街校悍Q為養(yǎng)分i的化學位（勢），它等于偏摩爾自由能偏摩爾自由能的物理意義：在體系中溫度T、壓力P和除i組分以外各組分的摩爾數nj都保持不變的條件下，體系自由能隨i組分摩爾數而變化的變化率。第7頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（二）化學位（勢）：

是物質轉移的強度因素，也是物質轉移的動力。在土壤養(yǎng)分中的應用：

當土壤中養(yǎng)分從固相向液相轉移時，其偏摩爾自由能即化學位（勢）就發(fā)生變化，土壤這樣不均勻的體系中，養(yǎng)分從化學位勢較高的一相，向化學位勢較低的一相移動，因此，兩相化學位勢之差就可以判斷養(yǎng)分移入液相傾向的強弱，即養(yǎng)分的有效程度。第8頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四在熱力學中，自由能是求不出絕對值的，因此，人為規(guī)定某一狀態(tài)作為參照，稱為標準狀態(tài)，借以求得物質在其它非標準狀態(tài)下自由能的相對值，在溫度為T，壓力為1atm下的純物質，即為該物質在T溫度下的標準狀態(tài)。在標準狀態(tài)下的自由能稱為標準自由能記作G0，此時自由能的表達式：第9頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四對摩爾自由能來說，則有因為代入上式積分后得理論上這個公式適用于氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)第10頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四對理想溶液的化學位勢類似的可得：對非理想溶液時，路易斯引入活度的概念，則上式修改為：式中，fiCi稱為i組分的活度,fi稱為i組分的活度系數.第11頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四二、磷位（勢）及其計算（一）磷位（勢）：是用熱力學中化學位原理來表述土壤磷有效性的一個強度指標。最早提出的磷位是指磷酸一鈣位，其化學位的表達式為：第12頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四則，Ca(H2PO4)2的離子活度為電解質正負離子的平均活度為：第13頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四代入磷酸位表達式，則為：第14頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四將ln化為，并用p代表－得第15頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四整理后得兩種狀態(tài)的化學位差上式中1/2pCa+pH2PO4,稱為磷位，但它不是真正的磷位，因為它缺少一個系數K，但不影響磷位高低的比較

第16頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（二）磷位的意義用來衡量土壤中磷的有效性，通常磷位越低，作物取走養(yǎng)分所付出的功就愈大，其有效性也就愈差。第17頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四適用于中性、弱酸性和酸性土壤；適用于石灰性土壤；石灰位，適用于一切土壤；適用于弱酸性和酸性土壤；第18頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（三）磷位計算實例P1181、計算原理：（1）磷酸解離第一步：H3PO4?H++H2PO4-[H+][H2PO4-]=K1[H3PO4]第二步：H2PO4-?H++HPO42-[H+][HPO4-]=K2[H2PO4-]第三步：HPO4-?H++PO43-

[H+][PO43-]=K3[HPO42-]第19頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四根據這些關系式可求出在不同pH條件下的各種磷酸離子量。因為土壤pH一般在3.5～8.5之間，所以在該范圍內，其磷酸主要以H2PO4-

和HPO42-

兩種形態(tài)存在。此時有效磷濃度等于這兩種形態(tài)磷濃度之和即：第20頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四1、計算原理（2）求活度系數fi及活度根據前面的原理，要求pH2PO4-,必須先求活度，根據活度與摩爾濃度之間的關系，要先求活度系數。

根據路易斯關于離子強度的定義和德拜和休格爾提出離子強度與活度系數的關系可用下列公式求得f第21頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四離子活度可以自己求算，也可以在一些參考書上查找，但要注意離子活度與離子強度（離子濃度有關）第22頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四1、計算原理（3）求活度ai：根據磷酸解離反應式和離子活度與濃度的關系式，可求得活度.式中f1,f2分別為H2PO4-和HPO42-的離子活度系數。又因CHPO4=CP-CH2PO4,代入上式得：第23頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四經推導整理得：第24頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四同樣可求出：從而知道了磷的總濃度Cp，pH，f1,f2即可算出第25頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四2、計算舉例磷位計算方法：稱土50g，加100ml0.01mol/LCaCl2，搖動30分鐘，過濾，在濾液中測定pH，P，Ca和Mg的含量，在酸性土上則測其Fe、Al含量，設測得Ca=520mg/L，相當于0.520/40=0.013mol/L，則Cca=1.3x10-2mol/L，Cl的濃度為Ca的2倍，CCl=2.6X10-2mol/LpH=4.85Cp=1.29mgP2O5/L，相當于0.56mgP/L=1.8X10-5mol/L第26頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（1）求離子強度和活度系數因為浸提液是CaCl2，其它離子濃度很低，故這里求離子強度只考慮Ca和Cl離子。根據前面公式求離子強度及計算活度系數f，對于一價Cl:同樣，可求得f二價＝0.46，fH=0.89。這些數據可從相關表中查得。第27頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（2）求氫離子活度αH測得pH=4.85，那么，[H]=1.5×10-5mol/L。于是，氫離子活度αH=fH.[H]=1.25×10-5mol/L。第28頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（3）求αCa和PCa已知Cca=1.3×10-2mol/L，鈣離子的活度αCa=fCa×Cca=0.598×10-2mol/LpCa=-lgαCa=2.221/2pCa=1.11第29頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（4）求αH2PO4和pH2PO4

=1.48×10-5mol/L則pH2PO4=4.83第30頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（5）計算磷位勢1/2pca+pH2PO4=5.94磷位的大體臨界值為7，當1/2Pca+PH2PO4>7時，土壤可能缺磷。第31頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四

第二節(jié)評價植物營養(yǎng)的其他研究方法一、土壤系統熵研究方法（一）土壤系統熵:是土壤系統中單位物質轉化過程中勢能的耗損。在土壤營養(yǎng)與肥力評判中，土壤系統墑就是表達投入土壤中的能源物質。例如，肥料，能轉變成多少功，有機質或有機肥料是投入土壤中最主要的能源物質，有機質在土壤中的分解與合成實際上就是能量的轉變。土壤系統熵越低（一般是負值），則土壤營養(yǎng)狀況或土壤肥力越高，反之系統熵越高（一般是正值）則土壤營養(yǎng)狀況或土壤肥力越低。第32頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四(二）土壤系統熵的計算SE=S0+S1S0：起始墑,表征土壤基礎肥力，它代表沒有投入前土壤的自然生產力，它可用以評判土壤肥力類型。S1

：投入墑，指在農田種植過程中，由于投入而引起土壤的墑變。它可以用來表征投入后土壤的營養(yǎng)狀況，也可檢驗投入效益。

第33頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四1、土壤系統熵的計算公式：式中DN為腐殖質和有機氮的礦化率，全國DN平均數＝2.75，和k1分別表示腐殖質和農作物種子的析能系數分別為11×106和8×106第34頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四2、河北省曲周縣三種土壤的系統熵及其評判第35頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四土壤

有機質

全N施氮量

施P2O5量

對照產量

施N產量

土壤系統熵×106J

（%）

（kg/0.07ha）

S0S1SE

Ⅰ1.340.08700282.9--145.980362.4-39.5-185.4160368.0-2.6-148.484.5422.0-99.2-245.1Ⅱ1.080.07700196.6-93.380242.5-5.9-99.2160236.5+19.9-73.484.5333.3-96.7-19.0Ⅲ0.920.0640082.3+33.480108.2+14.1+47.5160103.2+29.3+62.784.5150.6-28.3+5.1第36頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四二、土壤電超濾（EUF）研究方法（一）研究概況EUF法是Electro-ultrafiltration的縮寫，是電滲析與超微孔過濾相結合的物理化學方法。1925年由德國Bechold首次提出，1929年以后，Kottgen等人將此法應用于土壤測試，并不斷改進；1971年德國Nemeth根據田間試驗校驗結果，把原EUF的恒電壓和恒溫裝置改為可變壓和變溫的電子計算機自控程序儀器；1976以來，EUF不斷改進和應用，在推薦施肥中取得了良好的效果。第37頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（二）EUF的特點（與常規(guī)傳統化學浸提方法相比）1、以水作為浸提劑，通過變溫變壓近似地模擬植物根系在土壤中通過質流和擴散吸取土壤溶液中養(yǎng)分的過程，避免了化學試劑對土壤礦物組成及理化性質的影響，從而達到較合理地提取土壤養(yǎng)分的目的。第38頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四2、EUF法與傳統浸提方法相比，更近似于土壤在生長季節(jié)中養(yǎng)分的自然運移狀態(tài)。3、由于采用了變溫變壓，浸提出養(yǎng)分有效性不同，隨著浸提過程的不斷進行，浸提出的養(yǎng)分在電壓與減壓抽濾的作用下不斷地被移出中室，不致發(fā)生土壤容易中養(yǎng)分的再吸附，因此EUF法是一種非平衡的浸提方法。不僅可以測定浸出養(yǎng)分的量，而且可以測出養(yǎng)分的釋放速率，反應養(yǎng)分的供應動態(tài)。第39頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（三）EUF儀器構造與工作原理原理：在可變電場的作用下，陽離子為陰極所吸引，而陰離子為陽極所吸引，由于溶解和吸附的離子不能達到平衡，使吸附的離子不斷釋放到溶液中，陽離子的解吸速率和磷酸鹽，碳酸鹽的溶解速率與所加電壓成正比與土壤對離子的結合成反比。第40頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四反應：陰極：吸引陽離子，發(fā)生還原反應2Na++2e→2Na02Na+2H20→2NaOH+H2+Q其它陽離子的作用與Na相似，均以氫氧化物存于陰極室。除K、Na、Ca外，大部分Mg及重金屬元素以氫氧化物沉淀積在陰極濾紙上，并不進入慮液。第42頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四陽極：吸引陰離子，發(fā)生氧化反應。NO3--e→[NO3].[NO3].+H2O→NO3-+[OH].+H+

2[OH].→H2O+1/2O2兩極反應產生的H+和OH-不斷隨著溶液排出中室，中室pH的變化減至最小程度。第43頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四電壓變化：0-5min電壓50v溫度20℃5-30min電壓200v溫度20℃30-35min電壓400v溫度20℃或80℃前兩項浸提出的為有效養(yǎng)分（其結果與生物有效養(yǎng)分有較好的相關性），最后一項浸提出的是貯備態(tài)養(yǎng)分。第44頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四注意：若測定其中的K、Na、Ca則每5分鐘取陰極室中的K、Na、Ca，（同時把陽極室中提取液丟棄，或用于分析其中的NO3-和SO42-等陰離子的含量）測定其中的K、Na、Ca，據此做出EUF-K解吸曲線第45頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第46頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四說明1、0－10分鐘解吸的鉀量表示強度因素（溶液中濃度）2、0－35分鐘解吸的鉀量表示容量因素3、5－10分鐘內解吸的鉀量，即曲線上的線段AB。4、30－35分鐘內解吸的鉀量即曲線上的線段CD。表示緩沖容量，CD越大，則整個生長季節(jié)土壤溶液中鉀的濃度也越高，所以，AB/CD越大，則土壤對鉀的固定能力越低，若AB/CD≧3,則土壤不固定鉀。第47頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（四）EUF法在土壤肥力與植物營養(yǎng)學科中的應用第48頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四1、鑒定土壤中的碳酸鹽用三組分超濾即0-10min（20℃），10-30min（20℃），30-35min（80℃）在控流條件下測試EUF-K和EUF-P，并按下式計算和判別：碳酸鹽土壤非碳酸鹽土壤第49頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四2、指導鎂肥的施用按常規(guī)分別測定鎂（Mg），超濾后把陰極（K）的濾紙浸在1mol/LHCl中，24h再測定Mg，把三組分Mg的量與超濾后陰極濾紙浸在1mol/lHCl中測定Mg的量之和為該土壤中Mg的總量，若Mg的總量<4-5mg/100g土時必須施用鎂肥（德國指標）第50頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四3、土壤全氮與EUF-NO3的換算

換算式：EUF-NO3（20℃）=0.0029Nkj+0.03r=0.93**EUF-NO3（80℃）=0.007Nkj-0.057r=0.97**第51頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4、EUF-K對土壤粘土礦物類型的判別

分別在20℃和80℃控流條件下測定EUF-K量并按下式計算和判別：80℃EUF-K值/20℃EUF-K值=0.1-0.2高嶺土類型80℃EUF-K值/20℃EUF-K值>0.5-1.0伊利石類型第52頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四5、根據EUF-NO3換算土壤剖面無機氮（Nmin）

根據德國Gissen大學Mengel教授的研究，可從EUF-NO3換算Nmin，為氮肥推薦施肥提供依據，換算公式如下：Nmin=0.95EUF—NO320℃-0.44r=+0.96***第53頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四6、EUF-吸光量（EUF-Q)表征土壤有效氮的測定第54頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四三、植物根對養(yǎng)分離子吸收的動力學研究一、研究目的和意義通過測定植物根系養(yǎng)分離子吸收動力學參數可以描述根系養(yǎng)分吸收特性、闡明吸收效率的機理，預測根系對養(yǎng)分的吸收（由養(yǎng)分吸收動力學方程式和根系從土壤中吸收養(yǎng)分的數學模型共同得出），評價植物基因型對環(huán)境養(yǎng)分狀況的適應性。第55頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四例如:（1）具有高Vmax和低Km的植物能適應廣泛的營養(yǎng)條件；Vmax和Km均高的植物適于高濃度的養(yǎng)分條件，低Vmax和Km的植物適應低養(yǎng)分狀況，低Vmax和高Km植物在任何條件下都是不利的）.第56頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（2）可以鑒定和篩選吸收高效基因型從理論上講高Vmax、低Cmin（Cmin稱為臨界濃度，該值越小，植物吸收能力越強，耐瘠能力越大）和Km意味著高效率的養(yǎng)分吸收，篩選高Vmax、低Cmin和Km的品種或用這些性狀來育種，可以改善品種的吸收效率）。第57頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四二、養(yǎng)分離子吸收動力學方程的建立(一）原理：Ep-stein（埃普斯坦）等認為根系對離子吸收的動力學過程可以用描述酶促反應的米氏（Michelis-Menten）方程模擬：

K1K3M++R?MR?R`+M+K2K4第58頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四

S＋E ES E＋P底物酶酶－底物酶產物

S’＋C ES C＋S

離子(外)

載體離子－載體

載體離子(內)K1 K3K2K1 K3K2

第59頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四

離子泵假說圖示ATP酶陰離子載體ATPH2PO3＋＋ADP－

+H2OOH－+ADPK＋、Na＋H＋OH－陰離子＋H2OH＋＋H3PO4

① ②外界膜細胞質②離子運輸過程可見：陽離子的吸收實質上是H＋的反向運輸；

陰離子的吸收實質上是OH－的反向運輸第60頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四H+-ATPase第61頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四設離子從膜內向外部運輸是可以忽略的，即K4=0，則其中Km稱為米氏常數，可反應載體對離子的親和性，該值越大，說明載體對離子的親和力越小，反之。第62頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四離子吸收速率可由下式描述其中，V為離子吸收速率，Vmax為最大吸收速率，C是介質離子濃度。介質離子濃度與吸收速率關系的飽和曲線如圖所示。第63頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四根系吸收離子動力曲線1/2ImaxKm離子濃度（C）Km等于V=1/2Vmax時的介質離子濃度第64頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第65頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（二）離子吸收動力學方程建立的技術

要建立動力學方程關鍵是確定米氏方程的有關參數：方法是對式兩邊取倒數使其變?yōu)榫€性方程：第66頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四然后：繪成對坐標圖后可獲得一條斜率為的直線（如圖），進而求出參數Vmax和Km（當V=1/2Vmax時的介質濃度）第67頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四

斜率=Km/Vmax1/C

1/V

截距=1/Vmax1/Km第68頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第69頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四修正后的養(yǎng)分吸收動力學方程為

Vn—進入植物根的離子凈流入量，稱為凈吸收速率；

Vmax—離子的最大吸收速率；

C—介質（土壤溶液或營養(yǎng)液）的濃度；Cmin—稱為臨界濃度或最低平衡濃度，是離子的吸收速率等于零時，介質中該離子的最低濃度；

Km—為米氏常數，其意義是當離子吸收速率等于最大吸收速率一半，Vn=1/2Vmax時介質的離子濃度；

第70頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第71頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（三）獲得離子吸收動力學方程參數常用的方法

1、耗竭試驗法2、同位素標記試驗法3、流動培養(yǎng)法等第72頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四（四）用耗竭試驗法求養(yǎng)分吸收動力學參數1、測定方法：使植株在無該養(yǎng)分離子培養(yǎng)液或無離子水中培養(yǎng)一段時間，使植物處于饑餓狀態(tài)。然后移至一定濃度的培養(yǎng)液中，并按一定時間間隔測定植物對養(yǎng)分離子吸收量。得到耗竭時間和離子濃度變化的關系曲線。第73頁，共83頁，2023年，