聚合氨基酸對北方水稻土中氧化鐵存在形態(tài)的影響*

查文文, 關(guān)連珠, 張廣才, 張 昀, 高曉丹, 陳偉偉, 吳春龍, 王明達(dá), 姜雪楠, 潘林林, 張 婷, 趙 雅

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聚合氨基酸對北方水稻土中氧化鐵存在形態(tài)的影響*

查文文, 關(guān)連珠**, 張廣才, 張 昀, 高曉丹, 陳偉偉, 吳春龍, 王明達(dá), 姜雪楠, 潘林林, 張 婷, 趙 雅

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點實驗室 沈陽 110866)

為了解不同類型水稻土中氧化鐵含量特征, 探明添加外源聚合氨基酸對水稻土中氧化鐵形態(tài)變化的影響, 本研究以中國北方不同類型水稻土(棕壤型、草甸土型和濱海鹽漬型)為研究對象, 設(shè)置添加占供試土壤干重0.05%的γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸處理, 以不添加氨基酸作為對照。通過室內(nèi)恒溫厭氧培養(yǎng)30 d后, 測定各水稻土全鐵、游離氧化鐵、無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)鐵含量及氧化鐵的活化和絡(luò)合程度。結(jié)果表明: 供試的北方3種典型水稻土中, 游離氧化鐵含量為濱海鹽漬型>草甸土型≥棕壤型, 絡(luò)合態(tài)鐵含量為棕壤型>濱海鹽漬型≥草甸土型, 而無定形氧化鐵含量為棕壤型>濱海鹽漬型>草甸土型。兩種外源聚合氨基酸對不同類型水稻土氧化鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化能力影響存在差異, 與不添加氨基酸的對照相比, 添加γ-聚谷氨酸的棕壤型水稻土無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)鐵含量分別增加27.72%和32.25%, 聚天冬氨酸對無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)鐵含量無顯著促進(jìn)作用; 在草甸土型水稻土中, γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸均能顯著增加無定形氧化鐵含量, 且與對照相比, 絡(luò)合態(tài)鐵含量分別增加136.24%和12.00%; γ-聚谷氨酸能有效促進(jìn)濱海鹽漬型水稻土中無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)鐵的生成?？傊? 添加γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸對水稻土游離氧化鐵的含量沒有明顯影響; 而添加γ-聚谷氨酸能有效增加水稻土中無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)鐵含量, 降低晶膠率, 有利于提高土壤中有效鐵含量, 顯著活化鐵氧化物, 抑制各類型水稻土中鐵的結(jié)晶老化; 而聚天冬氨酸對水稻土無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)鐵沒有明顯的激發(fā)效應(yīng)。

水稻土; 氧化鐵形態(tài); γ-聚谷氨酸; 聚天冬氨酸

氧化鐵是土壤膠體的重要組分, 它在中性和酸性水稻土結(jié)構(gòu)體中起重要作用, 還影響著土壤重金屬等污染物和含氧酸根等養(yǎng)分離子的吸附解吸、沉淀溶解等化學(xué)平衡[1], 進(jìn)而影響土壤中養(yǎng)分有效性及重金屬等污染物的生物毒性, 因而在土壤化學(xué)、環(huán)境化學(xué)及地球生物化學(xué)方面受到廣泛重視[2]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中, γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸作為作物養(yǎng)分增效劑和保水劑已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。作為有機酸和土壤有機氮源, γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸可生物降解, 無毒, 水溶性好, 保水性強; 其含α-羧基多, 可螯合大量的鹽基離子, 能提高化肥利用率和土壤養(yǎng)分有效性[6-9]。姚俊和朱志良等[10-11]的研究表明, γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸能有效螯合活化重金屬離子, 在改善土壤重金屬污染等方面具有極大應(yīng)用價值。

氧化鐵的結(jié)構(gòu)、形態(tài)及性質(zhì)常受黏土礦物、有機質(zhì)等其他土壤組分的影響, 氨基酸作為大分子有機物, 常與氧化鐵相互膠結(jié)、作用, 對土壤環(huán)境系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)有一定的控制。研究外源添加氨基酸對土壤氧化鐵形態(tài)變化及其活化程度的影響, 不僅有助于進(jìn)一步促進(jìn)聚合氨基酸的農(nóng)業(yè)應(yīng)用, 深入認(rèn)識氧化鐵的轉(zhuǎn)化過程, 對人為調(diào)控水田土壤中氧化鐵的活化, 聚合氨基酸在水田土壤上的安全使用都有重要的參考價值, 但目前相關(guān)研究還鮮有報道。

遼寧省地區(qū)水稻土是東北地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)土壤, 而棕壤型、草甸土型和濱海鹽漬型水稻土是遼寧省地區(qū)典型的水稻土類型, 對不同類型水稻土中氧化鐵存在形態(tài)的研究主要集中于干濕、凍融交替等過程[12-13], 或是通過pH、溫度、光照等因素來比較鐵形態(tài)差異[14-16]。土壤中氧化鐵對添加外源有機酸的響應(yīng)較為敏感[17], 而針對聚合氨基酸對土壤鐵形態(tài)影響的研究還不多見。本文采用室內(nèi)厭氧培養(yǎng)試驗, 以兩種聚合氨基酸——γ-聚谷氨酸和聚天冬氨酸為外源物質(zhì), 通過測定不同類型水稻土中無定形氧化鐵、游離氧化鐵、絡(luò)合態(tài)鐵的含量, 試圖探明添加兩種氨基酸下不同類型水稻土鐵形態(tài)的變化特征, 通過鐵的游離度、活化度的變化進(jìn)一步探討氨基酸對水稻土黏土礦物破壞的影響, 研究結(jié)果對東北地區(qū)水田土壤的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及環(huán)境保護(hù)等都具有重要實踐意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻土采自遼寧省沈陽市和盤錦市, 種稻年限均在40年以上。按照其起源分為棕壤型水稻土、草甸土型水稻土和濱海鹽漬型水稻土。2015年4月耕作前采樣, 采樣深度為0~20 cm。采集土樣經(jīng)風(fēng)干, 去雜, 過1 mm篩備用。兩種供試聚合氨基酸分別為γ-聚谷氨酸(γ-poly glutamic acid, γ-PGA)和聚天冬氨酸(Polyaspartic acid, PASP), 分析純, 南京軒凱生物科技有限公司生產(chǎn)。γ-PGA是由a-氨基和γ-梭基聚合深層發(fā)酵獲得的一種多肽分子, 聚合度達(dá)200~700, 相對分子質(zhì)量為100~1 000 kD, 其分子鏈上有大量高活性游離側(cè)鏈羧基。而PASP是天冬氨酸單體的氨基和羧基縮水而成的聚合物, 相對分子質(zhì)量較小, 為4 300 D。

供試土壤的基本化學(xué)性質(zhì)如表1所示, 土壤各形態(tài)氧化鐵含量如表2所示。

表1 供試3種類型水稻土基本性質(zhì)

表2 供試3種類型水稻土中各形態(tài)氧化鐵含量

不同大寫和小寫字母分別表示不同水稻土類型在<0.01和<0.05水平差異顯著。Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant differences among different paddy soil types at 0.01and 0.05 levels, respectively.

1.2 試驗方案及方法

試驗于2015年7月份開始實施, 共設(shè)置3個處理, 分別為γ-聚谷氨酸(γ-PGA)處理、聚天冬氨酸(PASP)處理和去離子水(CK)處理。稱取3種供試水稻土各1 kg放于培養(yǎng)杯中, 依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中兩種氨基酸的常用量(450 kg?hm-2)即干土重的0.05%添加兩種供試聚合氨基酸, 充分混勻, 每個處理各做3次重復(fù), 添加蒸餾水并保持土面上有2 cm深度的水層, 充氮5 min, 去除瓶中氧氣, 加橡膠塞及鋁蓋密封。在30 ℃培養(yǎng)箱中恒溫淹水培養(yǎng)30 d。

1.3 測試方法

培養(yǎng)結(jié)束后將土樣取出, 置于通風(fēng)處均勻攤開并自然風(fēng)干, 過60目篩測定各形態(tài)氧化鐵含量。

游離氧化鐵的測定采用由Mehra和Jackson提出的連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法(DCB法)[18], 無定形氧化鐵的測定采用草酸-草酸銨(pH3.2)浸提法(Tamms法)[18], 絡(luò)合態(tài)鐵的測定采用焦磷酸鈉提取法[18], 全鐵的測定采用HF-HClO4-HNO3三酸消煮[19], 溶液中鐵采用原子吸收分光光度法測定。

1.4 計算方法

游離度=Fe/Fe(1)

活化度=Fe/Fe[20](2)

絡(luò)合度=Fe/Fe(3)

晶膠率=(Fe-Fe)/Fe(4)

式中:Fe為全鐵含量,Fe為游離氧化鐵含量,Fe為無定形氧化鐵含量,Fe為絡(luò)合態(tài)鐵含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010處理, 統(tǒng)計分析采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源聚合氨基酸對水稻土游離氧化鐵的影響

外源γ-聚谷氨酸(γ-PGA)處理和聚天冬氨酸(PASP)處理后, 不同類型水稻土中游離氧化鐵含量變化見圖1。由圖1可以看出, 經(jīng)PASP處理厭氧培養(yǎng)后, 與初始值相比(表2), 各水稻土中游離氧化鐵含量均有不同程度下降, 其中, 棕壤型水稻土PASP處理下游離氧化鐵含量最高。經(jīng)γ-PGA和PASP處理后, 草甸型水稻土游離氧化鐵含量分別為11.27 g?kg-1、10.44 g?kg-1; 且PASP處理的游離氧化鐵含量顯著低于CK, 說明PASP能有效降低草甸土型水稻土中游離氧化鐵含量。而在鹽漬型水稻土中, 所有處理土壤的游離氧化鐵含量均高于棕壤型和草甸型水稻土, 且各處理之間游離氧化鐵含量無顯著差異。

2.2 外源聚合氨基酸對水稻土無定形氧化鐵的影響

由圖2可以看出, 經(jīng)一段時間的厭氧培養(yǎng)后, 3種水稻土的無定形氧化鐵含量均有提升。棕壤型水稻土無定形氧化鐵含量最高, 經(jīng)γ-PGA處理后顯著增加, 達(dá)6.25 g?kg-1, 而經(jīng)PASP處理后與CK無顯著差異。草甸土型水稻土經(jīng)兩種氨基酸處理后無定形氧化鐵含量較CK顯著增加, 但總量不及棕壤型水稻土, 這是因為遼中區(qū)草甸型水稻土有機質(zhì)含量偏低, 不能持續(xù)提供能量及溶解氧化鐵的電子物質(zhì)。濱海鹽漬型水稻土中, 經(jīng)γ-PGA處理后其無定形氧化鐵含量與另外兩處理相比, 差異呈顯著變化。3種水稻土添加PASP后, 無定型氧化鐵含量增加不如γ-PGA處理明顯, 與CK處理無顯著差異, 可見PASP不能有效促進(jìn)氧化鐵活化。而γ-PGA處理對3種水稻土中無定形氧化鐵積累均有促進(jìn)作用, 表明γ-PGA易被微生物吸收利用, 促進(jìn)了水稻土氧化鐵活化。濱海鹽漬型水稻土有機質(zhì)含量雖高于棕壤型水稻土, 但各處理培養(yǎng)后生成的無定型氧化鐵含量卻較棕壤型低, 這可能是由于濱海鹽漬型水稻土中鹽基離子豐富, 一些金屬離子, 如錳離子, 易在鐵還原轉(zhuǎn)化中與鐵離子相互競爭電子, 使氧化鐵活化進(jìn)程受到一定抑制。

γ-PGA: γ-聚谷氨酸; PASP: 聚天冬氨酸。不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。γ-PGA: γ-poly-glutamic acid; PASP: poly aspartic acid. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

γ-PGA: γ-聚谷氨酸; PASP: 聚天冬氨酸。不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。γ-PGA: γ-poly-glutamic acid; PASP: poly aspartic acid. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

2.3 外源聚合氨基酸對水稻土絡(luò)合態(tài)鐵的影響

由圖3可以看出, 與初始值相比(表2), 經(jīng)聚合氨基酸處理培養(yǎng)后, 不同類型水稻土絡(luò)合態(tài)鐵含量均有升高。其中, 經(jīng)γ-PGA處理后, 各類型水稻土產(chǎn)生的絡(luò)合態(tài)鐵均為最高, 且較CK、PASP處理, 其含量均顯著增加。經(jīng)PASP處理后, 各類型水稻土中氧化鐵的絡(luò)合程度不同, 其中, 棕壤型水稻土中絡(luò)合態(tài)鐵含量較CK處理顯著降低; 而在草甸土型水稻土, PASP和CK處理得到的絡(luò)合態(tài)鐵含量無明顯差異, 均在0.2 g?kg-1左右; 濱海鹽漬型水稻土中經(jīng)PASP處理氧化鐵的絡(luò)合效果較CK顯著增加。

γ-PGA: γ-聚谷氨酸; PASP: 聚天冬氨酸。不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。γ-PGA: γ-poly-glutamic acid; PASP: poly aspartic acid. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

2.4 外源聚合氨基酸對水稻土氧化鐵特征參數(shù)的影響

游離度是指游離氧化鐵(Fed)占全鐵(Fet)的比例, 是用來表征土壤風(fēng)化程度的重要指標(biāo)。土壤中游離氧化鐵的形成與氣候條件密切相關(guān), 而其活化程度與pH、Eh、有機質(zhì)或利用方式等有關(guān)。表3結(jié)果表明: 在未添加外源氨基酸處理時, 草甸土型水稻土中鐵的游離度較高, 而棕壤型和濱海鹽漬型水稻土則較低。添加γ-PGA和PASP后, 各類型水稻土中氧化鐵的游離度變化不明顯。

活化度是無定形氧化鐵(Feo)占游離氧化鐵的比例, 它也是用來表征土壤風(fēng)化程度的指標(biāo)。表3結(jié)果表明, γ-PGA處理的各類型水稻土的氧化鐵活化度提升明顯, 而在棕壤型和鹽漬型水稻土中, PASP處理后, 氧化鐵活化度降低, 沒有對氧化鐵的活化起促進(jìn)作用。

氧化鐵的絡(luò)合度表征了與有機質(zhì)結(jié)合的氧化鐵占游離氧化鐵的比例, 與土壤有機質(zhì)含量變化密切有關(guān)。γ-PGA處理后土壤鐵的絡(luò)合度增加(表3)。棕壤型水稻土氧化鐵的絡(luò)合度明顯高于另兩類水稻土, 這與土壤本身有機質(zhì)含量較高有關(guān), 添加γ-PGA進(jìn)一步促進(jìn)了氧化鐵的絡(luò)合; 而經(jīng)PASP處理后, 所有水稻土鐵的絡(luò)合度無明顯變化。

表3 兩種外源氨基酸處理下各類型水稻土中氧化鐵的特征參數(shù)

氧化鐵的晶膠率是指鐵的氧化物及其水合物的晶質(zhì)態(tài)和無定形氧化鐵的比值, 它與土壤中鐵氧化物的存在形態(tài)及氧化鐵的活化與老化密切相關(guān)。表3結(jié)果表明, 各類型水稻土經(jīng)聚合氨基酸處理后其鐵氧化物的晶膠率有不同程度變化。經(jīng)γ-PGA處理后, 晶膠比降低, 說明γ-PGA對水稻土中氧化鐵的結(jié)晶化起抑制作用, 能夠有效抑制氧化鐵的老化。

3 討論

水稻土淹水厭氧條件是鐵還原過程發(fā)生的重要環(huán)境因素之一, 不同起源的水稻土因其成土過程不同從而導(dǎo)致土壤性質(zhì)存在差異。東北地區(qū)棕壤型水稻土發(fā)育于酸性母質(zhì)的殘積坡積物, 土體母質(zhì)經(jīng)歷沉積和風(fēng)化或成土過程, 有明顯的淋溶、黏化作用和較強的生物積累作用。無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)氧化鐵有較多的累積, 一方面這可能是由于土壤較強的黏化作用增加了土壤中的膠體數(shù)量, 提升氧化鐵的活化程度; 另一方面, 土壤中無定形氧化鐵和絡(luò)合氧化鐵的生成與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān), 有機質(zhì)分解時部分氧化鐵被還原, 其中部分成為水溶性鐵, 再經(jīng)水解或氧化而生成無定形的氫氧化鐵, 同時有機質(zhì)有抑制氧化鐵結(jié)晶化的作用[21]。草甸土型水稻土主要起源于松嫩平原及遼河下游平原的沙質(zhì)沖積物, 土壤顯微堿性, 全量組成中鐵、鋁的含量稍低, 無定形氧化鐵和絡(luò)合氧化鐵含量相對較少。而濱海鹽漬型水稻土位于東北濱海平原, 其成土母質(zhì)為沖積海相沉積物, 含鹽量高, 堿性較強, 土壤中的鐵更多是以氧化物及其水合物的晶質(zhì)態(tài)存在, 而對土壤酸堿性較為敏感的鐵元素, 在鹽漬土上的有效性較低, 因此, 被絡(luò)合的氧化鐵含量相對較低。

本研究結(jié)果表明, γ-PGA和PASP都影響了土壤中氧化鐵形態(tài)的轉(zhuǎn)化, 其中γ-PGA能顯著增加水稻土中無定形氧化鐵含量, 有效促進(jìn)氧化鐵的活化絡(luò)合, 而PASP對各水稻土中氧化鐵的活化、絡(luò)合效果沒有γ-PGA顯著。兩種氨基酸對氧化鐵形態(tài)的作用存在一定的差異, 與其分子量有關(guān)。李學(xué)垣和Stevensen等[22-23]的研究表明, 土壤有機質(zhì)通過改變氧化鐵表面的化學(xué)性質(zhì), 進(jìn)而影響其在土壤中的分散遷移、凝聚沉積過程。γ-PGA和PASP都是具有很高活性的有機物質(zhì), 其活性基團(tuán)包括羥基、氨基和羧基, 氧化鐵通常與有機酸以氫鍵、靜電吸附、表面配體交換等作用力相結(jié)合[24]。氧化鐵及其水合物有較大的比表面積, 帶負(fù)電荷的有機酸可與氧化鐵邊緣終端的—OH鍵進(jìn)行配體交換, 釋放出OH-, 而親和力較強的OH-可與H+發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng), 此時, 金屬離子由于脫去水分子, 表面羥基發(fā)生質(zhì)子化, 更容易與有機酸進(jìn)行配位。γ-PGA的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)與PASP相似[25-26], 但由于PASP的分子量較γ-PGA小, 其側(cè)鏈游離的羥基、氨基和羧基等基團(tuán)數(shù)量少, 因而與氧化鐵進(jìn)行配位交換的幾率和能力較γ-PGA低, 對氧化鐵的活化及絡(luò)合作用沒有γ-PGA效果好。

γ-PGA和PASP對不同類型水稻土中氧化鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化能力不同。γ-PGA能一定程度降低棕壤型水稻土中游離氧化鐵含量, 使晶膠率下降, 促進(jìn)氧化鐵的活化及絡(luò)合, 這表明氨基酸在分解過程中形成的有機酸加速了土壤中難溶性氧化鐵的溶解, 使土壤中可溶性鐵含量增加[27]。在3種類型水稻土中, 兩種氨基酸對棕壤型水稻土中氧化鐵的活化及絡(luò)合效果最好, 這或許與土壤pH有關(guān)。熊毅等[18]的研究表明, 土壤pH與土壤活化度呈顯著負(fù)相關(guān)。酸性土壤沉積鐵的溶解度提高, 有利于鐵的還原, 土壤的低pH還原環(huán)境促進(jìn)不溶性Fe(Ⅲ)向可溶性Fe(Ⅱ)轉(zhuǎn)化, 因此, 呈酸性的棕壤水稻土更有利于氧化鐵的活化, 這也與許中堅等[28]由酸雨對紅壤的淋溶試驗而得出的酸性土壤有利于提高土壤活性鐵含量與土壤活化度的結(jié)論一致。另外, pH=5時, 80%的Fe3+可與強酸性的羧基和羥基形成絡(luò)合螯合物[29], 因而酸性條件更有利于鐵的絡(luò)合。而在濱海鹽漬型水稻土中, γ-PGA和PASP對游離氧化鐵轉(zhuǎn)化的影響效果不明顯, 這可能是由于濱海鹽漬型水稻土中含有大量NH4+、Na+、Mg2+、Ca2+等鹽基離子, 兩種氨基酸都具有吸附陽離子特性, 因此, 減弱了對鐵的吸附溶解。另外, pH是制約鐵化物活度的直接因素。而在草甸土型水稻土中, 施用這兩種氨基酸均能有效降低游離氧化鐵含量, 促進(jìn)氧化鐵的活化絡(luò)合, 這可能是由于草甸土型水稻土中有機質(zhì)含量偏低, 因此對外源添加的有機物料響應(yīng)較敏感。

γ-PGA和PASP均能不同程度地促進(jìn)土壤中各類型氧化鐵的形態(tài)轉(zhuǎn)化, 但這兩種聚合氨基酸對氧化鐵活化絡(luò)合、結(jié)晶的作用機理仍不是十分清楚, 仍需做進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

1)兩種氨基酸對水稻土中氧化鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化能力不同。添加γ-PGA和PASP對水稻土游離氧化鐵的含量沒有明顯影響; 而添加γ-PGA能有效增加水稻土中無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)氧化鐵的含量, 有利于提高土壤中有效鐵含量; 而PASP對水稻土無定形氧化鐵和絡(luò)合態(tài)氧化鐵沒有明顯的激發(fā)效應(yīng)。

2)不同類型水稻土的氧化鐵形態(tài)對添加兩種氨基酸的響應(yīng)程度不同。γ-PGA能有效促進(jìn)土壤中無定形氧化鐵和絡(luò)合氧化鐵的生成, 而兩種氨基酸側(cè)鏈游離的基團(tuán)對濱海鹽漬型水稻土中較多的鹽基離子有強烈的吸附作用, 因此減弱了對氧化鐵的吸附溶解。

3)氧化鐵的活化與絡(luò)合具有一定的聯(lián)系, 活化度越高, 鐵的結(jié)晶程度越低, 生成的可溶性鐵越易于被絡(luò)合。

[1] 王建林, 劉芷宇. 重金屬在根際中的化學(xué)行為——Ⅱ.土壤中吸附態(tài)銅解吸的根際效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 1990, 1(4): 338–343 Wang J L, Liu Z Y. Chemical behavior of heavy metals in rhizosphere Ⅱ. The rhizosphere effect of desorption of adsorbed Cu in soils[J]. Journal of Applied Ecology, 1990, 1(4): 338–343

[2] 陳家坊, 何群, 邵宗臣. 土壤中氧化鐵的活化過程的探討[J]. 土壤學(xué)報, 1983, 20(4): 387–393 Chen J F, He Q, Shao Z C. Study on the activation process of iron oxides in soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 1983, 20(4): 387–393

[3] Kinnersley A M, Koskan L P, Strom D J, et al. Method for more efficient uptake of plant growth nutrients: US, 5593947[P]. 1997-01-14

[4] Kubota H, Nambu Y, Endo T. Alkaline hydrolysis of poly(γ-glutamic acid) produced by microorganism[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 1996, 34(7): 1347–1351

[5] 侯毛毛, 邵孝侯. EM保水劑施用對烤煙的影響及其施用制度的優(yōu)選研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2016, 24(5): 628–636 Hou M M, Shao X H. Optimization of EM water-retention agent application in flue-cured tobacco[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(5): 628–636

[6] 張文, 張樹清, 王學(xué)江. γ-聚谷氨酸的微生物合成及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2014, 30(6): 40–45 Zhang W, Zhang S Q, Wang X J. The Microbial synthesis of γ-polyglutamic acid and its application in agricultural production[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(6): 40–45

[7] 許峰, 沈劍, 賴清云. 聚天冬氨酸在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2011, (6): 305–306 Xu F, Shen J, Lai Q Y. Study on application of poly aspartate in rice production[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2011, (6): 305–306

[8] 楊永輝, 武繼承, 吳普特, 等. 保水劑用量對小麥不同生育期根系生理特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22(1): 73–78 Yang Y H, Wu J C, Wu P T, et al. Effects of different application rates of water-retaining agent on root physiological characteristics of winter wheat at its different growth stages[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(1): 73–78

[9] 陳守文, 喻子牛, 陳雄, 等. 聚-γ-谷氨酸作為肥料吸收促進(jìn)劑在農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用: 中國, CN1827560A[P]. 2006- 09-06 Chen S W, Yu Z N, Chen X, et al. Use of poly-gamma- glutamic acid as fertilizer absorbefacient in agricultural planting: China, CN1827560A[P]. 2006-09-06

[10] 姚俊, 陳寬婷, 魏欽俊, 等. 一株γ-聚谷氨酸合成菌的篩選與鑒定[J]. 微生物學(xué)通報, 2011, 38(2): 164–168 Yao J, Chen K T, Wei Q J, et al. Screening and identification of a novel γ-polyglutamic acid producing strain[J]. Microbiology China, 2011, 38(2): 164–168

[11] 朱志良, 張榮華, 王慧, 等. 一種分離及回收污泥及土壤中重金屬的新工藝: 中國, CN1676635A[P]. 2005-10-05 Zhu Z L, Zhang R H, Wang H, et al. Process for separating and recovering sludge and heavy metals in soil: China, CN1676635A[P]. 2005-10-05

[12] 蘇玲, 章永松, 林咸永. 干濕交替過程中水稻土鐵形態(tài)和磷吸附解吸的變化[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2001, 7(4): 410–415 Su L, Zhang Y S, Lin X Y. Changes of iron oxides and phosphorus adsorption-desorption in paddy soils under alternating flooded and dried conditions[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2001, 7(4): 410–415

[13] 王展, 張玉龍, 鄒洪濤, 等. 凍融交替對土壤中不同形態(tài)氧化鐵的影響[J]. 土壤通報, 2014, 45(1): 1–5 Wang Z, Zhang Y L, Zou H T, et al. The effect of the freezing/thawing cycles on iron oxide forms in the soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2014, 45(1): 1–5

[14] 李金珠, 王旭剛, 袁雪紅, 等. pH與石灰性水稻土鐵氧化還原過程的關(guān)系[J]. 土壤學(xué)報, 2014, 51(1): 143–149 Li J Z, Wang X G, Yuan X H, et al. Relationship between pH and iron redox cycle in calcareous paddy soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(1): 143–149

[15] 孫麗蓉, 曲東, 衛(wèi)亞紅. 光照對水稻土中氧化鐵還原的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2008, 45(4): 628–634 Sun L R, Qu D, Wei Y H. Effect of illumination on iron oxide reduction in anaerobic paddy soils[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(4): 628–634

[16] 張麗新. 溫度對水稻土中異化鐵還原過程的影響[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2008 Zhang L X. Effect of temperature on iron reduction in paddy soil[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2008

[17] Cornell R M. Comparison and classification of the effects of simple ions and molecules upon the transformation of ferrihydrite into more crystalline products[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 1987, 150(5): 304–307

[18] 熊毅, 張敬森, 傅積平, 等. 土壤膠體——第二冊——土壤膠體研究法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1985 Xiong Y, Zhang J S, Fu J P, et al. Soil Colloid (2)[M]. Beijing:

Science Press, 1985

[19] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1999 Bao S D. Soil Agricultural Chemistry Analysis[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1999

[20] Schwertmann U. Use of oxalate for Fe extraction from soils[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1973, 53(2): 244–246

[21] 孫麗蓉, 曲東, 易維潔. 多糖對水稻土中異化Fe(Ⅲ)還原過程的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 39(6): 62–66 Sun L R, Qu D, Yi W J. Effect of polysaccharide concentration on dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction in paddy soils[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2010, 39(6): 62–66

[22] 李學(xué)垣. 土壤化學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001 Li X Y. Soil Chemistry[M]. Beijing: Higher Education Press, 2001

[23] Stevensen F J. Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions[M]. 2nd ed. New York: Wiley, 1994

[24] Gu B H, Schmitt J, Chen Z H, et al. Adsorption and desorption of natural organic matter on iron oxide: Mechanisms and models[J]. Environmental Science & Technology, 1994, 28(1): 38–46

[25] Kinnersley A M, Koskan L P, Strom D J, et al. Composition and method for enhanced fertilizer uptake by plants: US, 5350735[P]. 1994-09-27

[26] 冷一欣, 芮新生, 何佩華. 施用聚天冬氨酸增加玉米產(chǎn)量的研究[J]. 玉米科學(xué), 2005, 13(3): 100–102 Leng Y X, Rui X S, He P H. Study of the yield increasing of maize by using polyaspartic acid[J]. Journal of Maize Sciences, 2005, 13(3): 100–102

[27] 李玉梅. 長期不同施肥條件下白漿土耕層微量元素變化趨勢[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005(6): 22–24 Li Y M. The dynamic trend of microelements content and forms in albic soil under long-term fertilization[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2005(6): 22–24

[28] 許中堅, 劉廣深, 喻佳棟, 等. 模擬酸雨對紅壤結(jié)構(gòu)體及其膠結(jié)物影響的實驗研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2002, 16(3): 9–11 Xu Z J, Liu G S, Yu J D, et al. Effects of acid rain on aggregate and its cemedins of red soil by simulated experiments[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2002, 16(3): 9–11

[29] 袁可能. 土壤化學(xué)[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1990 Yuan K N. Soil Chemistry[M]. Beijing: Agricultural Press, 1990

Effect of aggregated amino acid on the form of iron oxide in paddy soils in North China*

ZHA Wenwen, GUAN Lianzhu**, ZHANG Guangcai, ZHANG Yun, GAO Xiaodan, CHEN Weiwei, WU Chunlong, WANG Mingda, JIANG Xuenan, PAN Linlin, ZHANG Ting, ZHAO Ya

(Northeast Key Laboratory of Arable Land Conservation and Improvement, Ministry of Agriculture / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources / College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

The purpose of this study is to characterize the amount of iron oxide in different types of paddy soil and investigate the effect of exogenous polymeric amino acids on their forms transformation. Different types of paddy soil (brown soil, meadow soil and littoral saline soil) in North China were chosen as the research object. An incubation experiment was carried out by adding γ-poly-glutamic acid and poly aspartic acid, according to 0.05% of dry soil weight to these three paddy soils. After constant temperature and anaerobic incubation for 30 days, the content of total iron oxide (Fe), free iron oxide (Fe), amorphous iron oxide (Fe) and complexed iron oxide (Fe) were measured, and the activation and complexing degree of iron oxide were calculated in three paddy soils. Simultaneously, no addition of amino acids was set as the control. The results showed that (1) the content of free iron oxide in three typical paddy soils from high to low was: littoral saline soil > meadow soil ≥ brown soil; the sequence of complex iron oxide content was brown soil > littoral saline soil ≥ meadow soil; and the sequence of amorphous iron oxide was brown soil > littoral saline soil > meadow soil. (2) The content of amorphous iron oxide and complexed iron oxide increased by 27.72% and 32.25%, respectively, in paddy soil derived from brown soil with γ- poly-glutamic acid application compared with that of control; but there was no significant change for those adding poly aspartic acid. The content of amorphous iron oxide could be significantly increased by adding both γ-poly-glutamic acid and poly aspartate acid in paddy soil derived from meadow soil, and the complexed iron oxide increased by 136.24% and 12.00% compared with that of control, respectively. The addition of γ-poly-glutamic acid effectively increased the content of amorphous and complex iron oxide in paddy soil derived from littoral saline soil. In conclusion, no significant difference in the content of free iron oxide was observed in the three paddy soils with treatment of γ-poly-glutamic acid addition. While the addition of γ-poly-glutamic acid effectively increased the contents of amorphous and complex iron oxide, but decreased the crystallization rate of iron oxide, which is helpful to improve the content of available Fe. Furthermore, it also activated the iron oxide significantly and restrained the crystallization of iron oxide in three paddy soils. While the application of poly aspartic acid had no obvious excitation effect on complexed and amorphous iron oxide.

Paddy soil; Iron oxide form; γ-Poly glutamic acid; Polyaspartic acid

10.13930/j.cnki.cjea.160773

S157.4

A

1671-3990(2017)04-0616-07

2016-08-31

2016-11-03

Aug. 31, 2016; accepted Nov. 3, 2016

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201503118-10)資助

* The research was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503118-10).

** Corresponding author, E-mail: glz1960@163.com

**通訊作者:關(guān)連珠, 主要研究方向為土壤肥力。E-mail: glz1960@163.com

查文文, 主要從事土壤養(yǎng)分循環(huán)與耕地保育研究。E-mail: 13304055086@163.com

查文文, 關(guān)連珠, 張廣才, 張昀, 高曉丹, 陳偉偉, 吳春龍, 王明達(dá), 姜雪楠, 潘林林, 張婷, 趙雅. 聚合氨基酸對北方水稻土中氧化鐵存在形態(tài)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(4): 616-622

Zha W W, Guan L Z, Zhang G C, Zhang Y, Gao X D, Chen W W, Wu C L, Wang M D, Jiang X N, Pan L L, Zhang T, Zhao Y. Effect of aggregated amino acid on the form of iron oxide in paddy soils in North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(4): 616-622