植物营养的物理化学研究方法.pptx
第一节 植物营养的热力学研究方法一、基本原理：（一）自由能：指体系总能量中，具有作有用功本领的那部分能量，或者说可被人们利用的那部分能量。自由能越高越不稳定，所以，自由能具有自动降低至最小值的趋势。第1页/共82页在土壤这个多组分体系中，自由能（G）是温度（T）、压力（P）以及各组分摩尔数（n）的函数，其数学表达式为：G=f（T、P、n1、n2nK）K为土壤中各组分摩尔数。当体系中有一个微小的变化时，自由能也随之有一个微小变化，即对自由能G的全微分：第2页/共82页第3页/共82页由于土壤中养分变化的始态和终态都是在同一条件下进行的，所以可视为恒温恒压过程，即dT0，dp=0,从而上式变为：第4页/共82页令第5页/共82页则上式变为式中：称为养分i的化学位（势），它等于偏摩尔自由能偏摩尔自由能的物理意义：在体系中温度T、压力P和除i组分以外各组分的摩尔数nj都保持不变的条件下，体系自由能随i组分摩尔数而变化的变化率。第6页/共82页（二）化学位（势）：是物质转移的强度因素，也是物质转移的动力。在土壤养分中的应用：当土壤中养分从固相向液相转移时，其偏摩尔自由能即化学位（势）就发生变化，土壤这样不均匀的体系中，养分从化学位势较高的一相，向化学位势较低的一相移动，因此，两相化学位势之差就可以判断养分移入液相倾向的强弱，即养分的有效程度。第7页/共82页在热力学中，自由能是求不出绝对值的，因此，人为规定某一状态作为参照，称为标准状态，借以求得物质在其它非标准状态下自由能的相对值，在温度为T，压力为1atm下的纯物质，即为该物质在T温度下的标准状态。在标准状态下的自由能称为标准自由能记作G0，此时自由能的表达式：第8页/共82页对摩尔自由能来说，则有因为代入上式积分后得理论上这个公式适用于气态、固态和液态第9页/共82页对理想溶液的化学位势类似的可得：对非理想溶液时，路易斯引入活度的概念，则上式修改为：式中，fi Ci称为i组分的活度,fi称为i组分的活度系数.第10页/共82页二、磷位（势）及其计算（一）磷位（势）：是用热力学中化学位原理来表述土壤磷有效性的一个强度指标。最早提出的磷位是指磷酸一钙位，其化学位的表达式为：第11页/共82页则，Ca(H2PO4)2的离子活度为电解质正负离子的平均活度为：第12页/共82页代入磷酸位表达式，则为：第13页/共82页将ln化为 ，并用p代表 得第14页/共82页整理后得两种状态的化学位差上式中1/2pCa+pH2PO4,称为磷位，但它不是真正的磷位，因为它缺少一个系数K，但不影响磷位高低的比较 第15页/共82页（二）磷位的意义用来衡量土壤中磷的有效性，通常磷位越低，作物取走养分所付出的功就愈大，其有效性也就愈差。第16页/共82页适用于中性、弱酸性和酸性土壤；适用于石灰性土壤；石灰位，适用于一切土壤；适用于弱酸性和酸性土壤；第17页/共82页（三）磷位计算实例P1181、计算原理：（1）磷酸解离第一步：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18页/共82页根据这些关系式可求出在不同pH条件下的各种磷酸离子量。因为土壤pH一般在3.58.5之间，所以在该范围内，其磷酸主要以H2PO4-和 HPO42-两种形态存在。此时有效磷浓度等于这两种形态磷浓度之和即：第19页/共82页1、计算原理（2）求活度系数fi及活度根据前面的原理，要求pH2PO4-,必须先求活度，根据活度与摩尔浓度之间的关系，要先求活度系数。根据路易斯关于离子强度的定义和德拜和休格尔提出离子强度与活度系数的关系可用下列公式求得f第20页/共82页离子活度可以自己求算，也可以在一些参考书上查找，但要注意离子活度与离子强度（离子浓度有关）第21页/共82页1、计算原理（3）求活度ai：根据磷酸解离反应式和离子活度与浓度的关系式，可求得活度.式中f1,f2分别为H2PO4-和HPO42-的离子活度系数。又因CHPO4=CP-CH2PO4,代入上式得：第22页/共82页经推导整理得：第23页/共82页同样可求出：从而知道了磷的总浓度Cp，pH，f1,f2即可算出第24页/共82页2、计算举例磷位计算方法：称土50g，加100ml0.01mol/LCaCl2，摇动30分钟，过滤，在滤液中测定pH，P，Ca和Mg的含量，在酸性土上则测其Fe、Al含量，设测得Ca=520mg/L，相当于0.520/40=0.013mol/L，则Cca=1.3 x 10-2mol/L，Cl的浓度为Ca的2倍，CCl=2.6 X 10-2mol/LpH=4.85Cp=1.29mgP2O5/L，相当于0.56mgP/L=1.8 X 10-5mol/L第25页/共82页（1）求离子强度和活度系数 因为浸提液是CaCl2，其它离子浓度很低，故这里求离子强度只考虑Ca和Cl离子。根据前面公式求离子强度及计算活度系数f，对于一价Cl:同样，可求得f二价0.46，fH=0.89。这些数据可从相关表中查得。第26页/共82页（2）求氢离子活度H测得pH=4.85，那么，H=1.510-5mol/L。于是，氢离子活度H=fH.H=1.2510-5mol/L。第27页/共82页（3）求Ca和PCa已知Cca=1.310-2mol/L，钙离子的活度Ca=fCaCca=0.59810-2mol/LpCa=-lgCa=2.221/2 pCa=1.11第28页/共82页（4）求H2PO4和p H2PO4 =1.4810-5mol/L则p H2PO4=4.83第29页/共82页（5）计算磷位势1/2pca+pH2PO4=5.94磷位的大体临界值为7，当1/2Pca+PH2PO47时，土壤可能缺磷。第30页/共82页 第二节 评价植物营养的其他研究方法一、土壤系统熵研究方法（一）土壤系统熵:是土壤系统中单位物质转化过程中势能的耗损。在土壤营养与肥力评判中，土壤系统墒就是表达投入土壤中的能源物质。例如，肥料，能转变成多少功，有机质或有机肥料是投入土壤中最主要的能源物质，有机质在土壤中的分解与合成实际上就是能量的转变。土壤系统熵越低（一般是负值），则土壤营养状况或土壤肥力越高，反之系统熵越高（一般是正值）则 土壤营养状况或土壤肥力越低。第31页/共82页(二）土壤系统熵的计算SE=S0+S1S0：起始墒,表征土壤基础肥力，它代表没有投入前土壤的自然生产力，它可用以评判土壤肥力类型。S1：投入墒，指在农田种植过程中，由于投入而引起土壤的墒变。它可以用来表征投入后土壤的营养状况，也可检验投入效益。第32页/共82页1、土壤系统熵的计算公式：式中DN为腐殖质和有机氮的矿化率，全国DN平均数2.75 ，和k1分别表示腐殖质和农作物种子的析能系数分别为11106和8106第33页/共82页2、河北省曲周县三种土壤的系统熵及其评判第34页/共82页土壤土壤 有机质有机质 全全NN施氮量施氮量 施施P P2 2O O5 5量量 对照产量对照产量 施施N N产量产量土壤系统熵土壤系统熵10106 6J J（%）（kg/0.07hakg/0.07ha）S S0 0SS1 1SSE E1.340.08700282.9-145.91.340.08700282.9-145.980362.4-39.5-185.480362.4-39.5-185.4160368.0-2.6-148.4160368.0-2.6-148.484.5422.0-99.2-245.184.5422.0-99.2-245.11.080.07700196.6-93.31.080.07700196.6-93.380242.5-5.9-99.280242.5-5.9-99.2160236.5+19.9-73.4160236.5+19.9-73.484.5333.3-96.7-19.084.5333.3-96.7-19.00.920.0640082.3+33.40.920.0640082.3+33.480108.2+14.1+47.580108.2+14.1+47.5160103.2+29.3+62.7160103.2+29.3+62.784.5150.6-28.3+5.184.5150.6-28.3+5.1第35页/共82页二、土壤电超滤（EUF）研究方法（一）研究概况EUF法是Electro-ultrafiltration的缩写，是电渗析与超微孔过滤相结合的物理化学方法。1925年由德国Bechold首次提出，1929年以后，Kottgen等人将此法应用于土壤测试，并不断改进；1971年德国Nemeth根据田间试验校验结果，把原EUF的恒电压和恒温装置改为可变压和变温的电子计算机自控程序仪器；1976以来，EUF不断改进和应用，在推荐施肥中取得了良好的效果。第36页/共82页（二）EUF的特点（与常规传统化学浸提方法相比）1、以水作为浸提剂，通过变温变压近似地模拟植物根系在土壤中通过质流和扩散吸取土壤溶液中养分的过程，避免了化学试剂对土壤矿物组成及理化性质的影响，从而达到较合理地提取土壤养分的目的。第37页/共82页2、EUF法与传统浸提方法相比，更近似于土壤在生长季节中养分的自然运移状态。3、由于采用了变温变压，浸提出养分有效性不同，随着浸提过程的不断进行，浸提出的养分在电压与减压抽滤的作用下不断地被移出中室，不致发生土壤容易中养分的再吸附，因此EUF法是一种非平衡的浸提方法。不仅可以测定浸出养分的量，而且可以测出养分的释放速率，反应养分的供应动态。第38页/共82页（三）EUF仪器构造与工作原理原理：在可变电场的作用下，阳离子为阴极所吸引，而阴离子为阳极所吸引，由于溶解和吸附的离子不能达到平衡，使吸附的离子不断释放到溶液中，阳离子的解吸速率和磷酸盐，碳酸盐的溶解速率与所加电压成正比与土壤对离子的结合成反比。第39页/共82页第40页/共82页反应：阴极：吸引阳离子，发生还原反应2Na+2e2Na02Na+2H202NaOH+H2+Q其它阳离子的作用与Na相似，均以氢氧化物存于阴极室。除K、Na、Ca外，大部分Mg及重金属元素以氢氧化物沉淀积在阴极滤纸上，并不进入虑液。第41页/共82页阳极：吸引阴离子，发生氧化反应。NO3-e NO3.NO3.+H2ONO3-+OH.+H+2OH.H2O+1/2O2两极反应产生的H+和OH-不断随着溶液排出中室，中室pH的变化减至最小程度。第42页/共82页电压变化：0-5min 电压50v 温度205-30min 电压200v 温度2030-35min 电压400v温度20或80前两项浸提出的为有效养分（其结果与生物有效养分有较好的相关性），最后一项浸提出的是贮备态养分。第43页/共82页注意：若测定其中的K、Na、Ca则每5分钟取阴极室中的K、Na、Ca，（同时把阳极室中提取液丢弃，或用于分析其中的NO3-和SO42-等阴离子的含量）测定其中的K、Na、Ca，据此做出EUF-K解吸曲线 第44页/共82页第45页/共82页说明1、010分钟解吸的钾量表示强度因素（溶液中浓度）2、035分钟解吸的钾量表示容量因素3、510分钟内解吸的钾量，即曲线上的线段AB。4、3035分钟内解吸的钾量即曲线上的线段CD。表示缓冲容量，CD越大，则整个生长季节土壤溶液中钾的浓度也越高，所以，AB/CD越大，则土壤对钾的固定能力越低，若AB/CD3,则土壤不固定钾。第46页/共82页（四）EUF法在土壤肥力与植物营养学科中的应用第47页/共82页1、鉴定土壤中的碳酸盐用三组分超滤即0-10min（20），10-30min（20），30-35min（80）在控流条件下测试EUF-K和EUF-P，并按下式计算和判别：碳酸盐土壤非碳酸盐土壤第48页/共82页2、指导镁肥的施用按常规分别测定镁（Mg），超滤后把阴极（K）的滤纸浸在1mol/LHCl中，24h再测定Mg，把三组分Mg的量与超滤后阴极滤纸浸在1mol/lHCl中测定Mg的量之和为该土壤中Mg的总量，若Mg的总量0.5-1.0 伊利石类型第51页/共82页5、根据EUF-NO3换算土壤剖面无机氮（Nmin）根据德国Gissen大学Mengel教授的研究，可从EUF-NO3换算Nmin，为氮肥推荐施肥提供依据，换算公式如下：Nmin=0.95 EUFNO320-0.44 r=+0.96*第52页/共82页6、EUF-吸光量（EUF-Q)表征土壤有效氮的测定第53页/共82页三、植物根对养分离子吸收的动力学研究一、研究目的和意义 通过测定植物根系养分离子吸收动力学参数可以描述根系养分吸收特性、阐明吸收效率的机理，预测根系对养分的吸收（由养分吸收动力学方程式和根系从土壤中吸收养分的数学模型共同得出），评价植物基因型对环境养分状况的适应性。第54页/共82页例如:（1）具有高Vmax和低Km的植物能适应广泛的营养条件；Vmax和Km均高的植物适于高浓度的养分条件，低Vmax和Km的植物适应低养分状况，低Vmax和高Km植物在任何条件下都是不利的）.第55页/共82页（2）可以鉴定和筛选吸收高效基因型从理论上讲高Vmax、低Cmin（Cmin称为临界浓度，该值越小，植物吸收能力越强，耐瘠能力越大）和Km意味着高效率的养分吸收，筛选高Vmax、低Cmin和Km的品种或用这些性状来育种，可以改善品种的吸收效率）。第56页/共82页二 、养分离子吸收动力学方程的建立(一）原理：Ep-stein（埃普斯坦）等认为根系对离子吸收的动力学过程可以用描述酶促反应的米氏（Michelis-Menten）方程模拟：K1 K3M+R MR R+M+K2 K4第57页/共82页 S EESE P底物 酶 酶底物 酶 产物 S C ES C S 离子(外)载体 离子载体 载体 离子(内)K1K3K2K1K3K2 第58页/共82页 离子泵假说图示ATP酶阴离子载体ATPH2PO3 ADP +H2O OH+ADPK、Na HOH 阴离子H2OHH3PO4 外界 膜 细胞质 离子运输过程可见：阳离子的吸收实质上是 H的反向运输；阴离子的吸收实质上是OH的反向运输第59页/共82页H+-ATPase第60页/共82页设离子从膜内向外部运输是可以忽略的，即K4=0，则其中Km称为米氏常数，可反应载体对离子的亲和性，该值越大，说明载体对离子的亲和力越 小，反之。第61页/共82页离子吸收速率可由下式描述其中，V为离子吸收速率，Vmax为最大吸收速率，C是介质离子浓度。介质离子浓度与吸收速率关系的饱和曲线如图所示。第62页/共82页根系吸收离子动力曲线1/2ImaxKm离子浓度（C）Km等于V=1/2Vmax时的介质离子浓度 第63页/共82页第64页/共82页（二）离子吸收动力学方程建立的技术 要建立动力学方程关键是确定米氏方程的有关参数：方法是对式两边取倒数使其变为线性方程：第65页/共82页然后：绘成 对 坐标图后可获得一条斜率为 的直线（如图），进而求出参数Vmax和Km（当V=1/2Vmax时的介质浓度）第66页/共82页 斜率=Km/Vmax1/C 1/V 截距=1/Vmax 1/Km第67页/共82页第68页/共82页修正后的养分吸收动力学方程为 Vn 进入植物根的离子净流入量，称为净吸收速率；Vmax 离子的最大吸收速率；C 介质（土壤溶液或营养液）的浓度；Cmin 称为临界浓度或最低平衡浓度，是离子的吸收速率等于零时，介质中该离子的最低浓度；Km 为米氏常数，其意义是当离子吸收速率等于最大吸收速率一半，Vn=1/2Vmax时介质的离子浓度；第69页/共82页第70页/共82页（三）获得离子吸收动力学方程参数常用的方法 1、耗竭试验法2、同位素标记试验法3、流动培养法等 第71页/共82页（四）用耗竭试验法求养分吸收动力学参数1、测定方法：使植株在无该养分离子培养液或无离子水中培养一段时间，使植物处于饥饿状态。然后移至一定浓度的培养液中，并按一定时间间隔测定植物对养分离子吸收量。得到耗竭时间和离子浓度变化的关系曲线。第72页/共82页2、参数求解方法（1）图解法：以养分离子浓度C为纵坐标，以耗竭时间t为横坐标，绘制浓度时间的变化曲线，根据原理可得养分离子吸收动力学方程。第73页/共82页第74页/共82页（2）、统计法首先：据耗竭试验结果，建立养分离子浓度C对耗竭时间t的回归方程，常用的方程是一元二次多项式：第75页/共82页然后:对该方程求负导数得到浓度变化速率方程（离子吸收速率Vn为C对t的一阶导数）第76页/共82页 将Vn=1/2Vmax代入上述导数方程，求出时间t，此时为吸收速率达到最大吸收速率一半时的时间，将时间t代入回归方程求出的C值即为Km。第77页/共82页(四）动力学参数方程的测定例解P1351、小麦根系吸磷动力学特性测定选长势一致的玉米（或其它有2周左右苗龄的植物）苗，移入Hoagland完全营养液中培养，3周后，将植物移入无磷Hoagland营养液中，24h（或时间更长）后，向盆钵溶液中加入1毫升1000ug/mlP溶液（使溶液中起始P浓度在330ug/ml之间）每隔30min测定一次溶液中磷的浓度，例如：课本P135。得到离子浓度和耗竭时间的离子消耗曲线。根据此消耗曲线求植物吸磷动力学参数。第78页/共82页第79页/共82页2、根系吸收铵态氮动力学参数的测定从稀CaSO4（0.02mmol/L）培养液中取30株2叶小苗，使之分成6组，用吸水纸吸干根系后分别放入6只50毫升三角瓶中，按浓度梯度分别加入50mlpH5.1吸收液。吸收液显NH4+-N浓度分别为3、6、9、12、15、18ug/ml，1小时后停止吸收，分别定容取样测定经吸收后吸收液里的NH4+-N浓度，称量干根重。第80页/共82页吸收速率V(mol/L根重/秒)=用图解法，以每一组小苗1/C、1/V作图，作出相关直线方程，再分别求出该方程x、y轴上的截距，即得Km、Vmax第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页
