农业化学研究方法agrochemical researchmethods

应用于农业化学研究的数学、物理学、化学和生物学的各种方法和技术，主要包括肥料试验技术、分析测试技术和同位素技术等方面，是农业化学学科的重要组成部分。
概况 有记载的在人为控制条件下进行的植物营养试验始于17世纪20年代的柳树试验。17世纪60年代有人采用水培法，证明了植物除需水外，还必需土壤中提供的物质，在这个试验中出现了单一差异进行“比较”的概念。18世纪中叶有人采用盆栽试验方法比较了硝酸盐和钾盐的效果，试验中设置了无肥对照。从19世纪30年代开始J. V. D.布森高(Boussingautt)改进了碳、氮等元素的测定方法，进行了施肥的轮作试验，对收获物和肥料称重及化学测试。1840年J. von李比希根据植物成分的分析资料和农业中物质循环提出矿质营养学说，之后在以下几个领域中促进了农业化学研究技术的发展：❶始于英国洛桑(Rothansted)试验站的长期定位试验比较了有机与无机肥料的效果，此后为了适应于各种肥料试验的需要，肥料试验设计技术和统计方法迅速发展，对推动大规模施用化学肥料起到了重要作用。施肥技术数量化的研究至今十分活跃。
❷以W.克诺普(Knop)为代表首次人工配制了能使植物正常生长的完全培养液，推动了培养试验技术的发展，才有可能对各种营养元素的生理作用进行研究。至20世纪中叶发明了一系列适用于不同用途的人工培养液配方，现代还创造出各种新颖的人工培养技术。
❸早在19世纪40年代就有人探索土壤中速效磷的化学提取法，至今仍有新的土壤有效养分的测试方法的报道。这个领域的进展为科学施肥提供了重要的手段和科学依据。
对农业化学理论的深入研究依赖于同位素技术和仪器分析技术的发展。20世纪20年代G.海维西(Heresy)用天然放射性同位素研究了豆科植物对铅的吸收和分配。30年代掌握了人工生产放射性同位素和从天然同位素中分离产生富集的稳定性同位素技术。40年代末用³²P标记肥料测定了磷肥利用率，用¹⁵N标记材料测定生物固氮和作物的氮肥利用率。50～60年代用同位素稀释原理测定了土壤中可交换性磷及对植物的有效磷，用¹⁵N及其它放射性核素标记化合物测定了土壤中各种有效养分量。70～80年代发展了田间条件下测定生物固氮的15N示踪方法。随着同位素分析技术的发展和应用方法的改进，同位素分析已成为农业化学研究的重要手段。
40年代以来开始采用仪器分析，传统的化学测试方法逐渐被物理化学方法和物理方法所取代，仪器分析逐步取代了重量分析、容量分析和目视的比色分析，操作和计算步骤日趋自动化，分析的准确度、灵敏度和速度日益提高，操作方法更加简便。随着试验条件改善，特别是现代仪器分析技术的应用，又陆续发现了硼、铜、锌、锰、钼和氯等植物必需的营养元素。加之电子显微镜、电子探针、电子计算机等现代仪器设备在农业化学中应用，为在微观领域和分子水平上研究植物的营养问题提供了可能性。
基本内容 肥料试验技术主要有肥料盆栽试验与田间试验两类基本方法。盆栽试验又称培养试验，种类较多，应用最广泛的有土培、水培和砂培，通常用于探索性研究与机理性研究。用于特殊目的的还有灭菌培养、分根培养、流动培养、耗竭试验、幼苗试验等方法。田间试验是肥料试验的主要方法，有单季试验与定位试验的分别。随着肥料科学研究不断深入的需要，各种新的试验设计方法往往首先应用于肥料试验，随机区组、拉丁方、裂区设计、混杂设计、正交设计、回归设计等方法大量应用于肥料试验。适应于试验数据分析的需要，各种回归与相关分析方法及其它统计分析方法得到广泛应用。
分析测试技术主要包括土壤分析、植物分析和肥料分析三个方面。土壤分析主要是土壤的基本农业化学特性的分析，包括化学组成、有效养分等各种肥力特性、交换性能、酸碱度、盐分等。植物分析主要包括两个方面，一是植物养分含量分析，以了解植物体内各种养分的分布与变化；二是生物化学分析，包括蛋白质、糖分、油分等各种品质分析以及植物体内代谢过程中各类成分的动态变化。肥料分析用于确定肥料中某一营养成分的总量或其有效养分的含量。肥料成分的分析可以了解养分含量和堆制贮存过程中的养分变化。许多常规农业化学测试项目的操作过程都已规范化。仪器分析主要有光谱分析法、色谱分析法、电化学分析法、流动注射分析法等。以上每类仪器分析方法又可根据分析原理与仪器不同进一步分为多种方法。例如光谱分析法又有比色分析法、紫外分光光度法、红外分光光度法、原子吸收分光光度法、原子发射光谱法、原子荧光法、X射线荧光分析法、荧光分析法、核磁共振法、电子能谱法、电子探针等。
由于同位素技术具有灵敏度高、样品制备简单、测定方便、能区分植物吸收养分的来源、区分养分在土壤中的去向，能揭示其他方法所不能揭示的农化规律，所以应用十分广泛。在农业化学研究中应用的主要方法有放射性与稳定性同位素示踪技术、放射性自显影、同位素稀释分析法和中子活化分析法等。在农业化学研究中应用可归纳为三方面：❶根据同位素稀释原理进行养分的定量评价，例如土壤肥力评价，土壤可交换性养分和对植物有效养分测定、肥料残效、肥料有效性和田间的生物固氮力测定。
❷应用同位素标记的化合物追踪植物对养分的吸收、运转、分配、代谢过程，施入土壤中肥料养分的命运，土壤中养分的移动和转化等。
❸利用放射性同位素标记材料及放射性探测技术研究土壤侵蚀和植物根系分布和活力等。
研究现状 回归设计是现代肥料试验广为采用的多因素多水平试验的设计技术，可为多种肥料的合理配合及计算机推荐施肥提供最基本的参数。它的特点是以尽可能少的处理组合数的部分实施试验方案取得统计性质较好的肥料效应函数的各项数据。当试验要求处理组合在因子空间分布较均匀，并在一定因子空间区域内误差方差基本相等时，常采用二次通用旋转设计；要求处理组合数更少且统计性质更好，但允许处理组合在因子空间中分布不均匀时，常采用最优设计。在农业化学研究中，依试验要求不同而采用相应的设计方案。回归设计的另一特点是在实验单元数相等的前提下，常采用增加处理组合数目或增加试验点数来扩增信息量和提高参数精度，而较少采用增加重复次数，因此肥料试验网的多点协作常采用回归设计。以统一设计的试验方案同时进行试验，再对大量试验资料进行数值分类、求得不同类型生产条件的推荐施肥模型，建立电子计算机推荐施肥系统，分类指导施肥。现代施肥技术研究的另一特点是综合运用多种农业化学研究技术。一项有一定深度的科研项目，必然将肥料试验技术与仪器分析、同位素技术等密切结合，方能做出既有实用价值又有理论深度的成果。
现代分析测试技术的任务不仅要做成分分析，而且要作状态、价态、结构、微粒、微区、薄层、纵深分析。近30多年来，仪器分析技术的发展极为迅速，新的分析技术如原子吸收光谱、离子选择电极、气相色谱—质谱联用、流动注射分析等相继出现，老的仪器分析法（如原子发射光谱分析）也不断有新的突破。其中不少分析技术的灵敏度已高到能测定几十亿甚至几万亿分之一的超微量测试水平，分析试样的速度已进入以秒来计算的时代。电子计算机的应用则使分析操作、仪器控制和数据处理进一步自动化，这些都对土壤、植物和其它生物组织试样分析的改进起到极大的促进作用。有些分析技术（如流动注射分析）正在使土壤植物分析发生革命性的变化。原子吸收光谱仪、X荧光光谱仪等应用于土壤、植物无机元素分析，建立了土壤植物多元素同时分析技术，获得了关于土壤、植物、动物元素组成的大量知识。色谱—质谱联用仪、核磁共振波谱仪、红外光谱仪等应用于研究土壤有机质结构、土壤氮素转化、农药降解产物、土壤中营养元素的结合状态以及有机物质和无机物质的结合等，使土壤农业化学科学取得不少进展。探针—扫描电镜、激光光谱应用于研究土壤原状微区和根土界面的元素分布，获得了用以往的常规实验手段所不能得到的认识。
同位素示踪是以追踪个别原子的行为来研究物质运动和变化规律的，因此是在分子水平甚至在原子水平上的研究。放射性探测器能对原子核衰变进行粒子计数，可检测到10-¹⁴～10^-18克示踪物质的量。放射性自显影技术由于粒子对照相乳胶累积作用的结果，可检测到极微量的放射性。液体闪烁测量技术不仅提高了对发射高能β的³²P的探测效率，而且解决了³H、¹⁴C、³⁵S和⁴⁵Ca等的测量问题。这些核素发射低能β射线，不需要外照射的防护，操作比较安全，因此扩大了放射性示踪技术的应用。电镜技术和低能核素应用相结合的电镜放射性自显影，能探测细胞超微结构乃至生物大分子中的标记部位，使放射性示踪深入到微观营养的领域。固体闪烁仪和γ能谱仪促进了示踪法和中子活化分析在土壤和植物微量营养研究中的应用，对某些微量元素的分析大大超过原子吸收光谱的灵敏度，用于研究微量元素在土壤各相间的分布及其在有机复合物中的重要性。双标记或多标记技术能对植物养分代谢、转化进行更深入的研究和了解养分间的相互作用。同位素组成分析技术的改进、稳定性同位素示踪的应用已扩展到贫化同位素和同位素天然丰度变异的应用，现代双束质谱仪能准确测量0.002原子百分超的¹⁵N。另一方面杜马燃烧放电管的制作，能用光谱仪检测仅0.2微克N的微量样品的¹⁵N丰度，有利于土壤中氮素转化和植物氮素代谢的深入研究。自动化光谱仪能在短期内分析大量样品，也促进了¹⁵N示踪技术的应用。
发展趋势 通过在大量肥料试验中应用回归设计，发现还存在需要改进之处。饱和的D-最优设计屈从于统计性质的优良性迫使各实验单元的水平组合分布在因子空间表面。在专业要求最关心的因子编码值中上水平附近的因子空间内没有一个实验单元，只得依靠回归方程作计算估计。因此与农业化学专业需要相结合，今后肥料试验技术要解决以下问题：❶研究出试验方案中各实验单元尽可能多地分布在专业要求最关心的因子空间内并达到较优的统计性质。
❷研究出实验单元数量少的试验方案，以便在肥料试验网内得到广泛的应用。
❸研究出饱和设计及无重复试验数据的误差估计方法及不同试验的数值分类方法。
❹研究出科学地将非典型曲面的肥料效应函数校正为典型曲面的参数估计方法。
今后分析测试技术的发展趋势是：❶物理方法逐渐取代化学方法，实现样品无损分析，同时进行多元素检测。
❷多种方法和仪器联合使用，组成综合的实验体系。
❸分析过程、数据处理以及图谱检索、图形解释的计算机化。
❹激光应用于测试分析。
同位素技术经过近70年的发展，各项技术渐趋成熟，已成为农业化学研究的常规技术。将随农业化学各分支学科的发展而得到越来越多的应用，成为深入的农业化学研究不可缺少的手段。今后它将在以下领域中进一步应用：❶养分在土壤一植物系统中的吸收、运输、代谢、残效、相互关系及生态平衡研究。
❷彩色放射性自显影与光镜、电镜、冰冻切片的放射性自显影技术，为双标记或多标记样品的检测以及为植物中游离养分的分布提供重要手段。
❸同位素示踪技术将进一步渗透到植物营养遗传基因分析、生物固氮基因的分离、植物品种营养特性的改良等研究之中。