陆地生态系统氮循环

微生物生物量的
C ：N
• 微生物生物量的C:N约为10:1. • 微生物分解有机物时，底物中约40%的碳转化为 微生物的生物量，并通过呼吸作用将另外60%的 碳以CO2的形式返回大气。 • 在这种40%生长效率的情况下，微生物需要的C:N 约为25:1。 • 25:1常被认为临界C:N。高于这个值，为氮限制， 没有净氮释放；低于这个值，则为碳限制。 • 实际上，微生物生长过程中， C:N总是变化的—— 细菌为5~10，真菌为8~15。
• 氮的侵蚀丧失——氮素丧失的自然 途径
• 在那些不稳定的边坡和暴露于大风中的区 域尤为明显。
谢
谢
硝酸盐的归宿
• • • • 1、植物和微生物的吸收 2、与土壤中阴离子交换点位发生交换 3、反硝化作用 4、通过淋溶丧失
氮的时空变异性
• 在精细尺度上的生态控制会导致氮循环的 巨大时间和空间变异性。 • 氮素矿化作用的季节性一般与植物氮吸收 的季节性不一致。 植物处于休眠季，土壤中的微生物能继 续矿化氮，为植物活动准备有效氮。
氮的系统内循环
• • • • 矿化作用概况 溶解有机氮的产生和归宿 铵的产生和归宿 硝酸盐的产生和归宿
矿化作用概况
在自然生态系统中，大部分（>99%）土壤氮来源于植 物、动物和微生物死的有机体。
溶解有机氮（DON）：微生物分解死的有机物时，在胞外酶的作用下释放出来 的氮。 死有机体中的大部分氮分配在复杂聚合体(如蛋白质、核酸）中的，但是 他们太大而不能穿过微生物膜，因此微生物必须分泌胞外酶(蛋白酶等)去裂 解聚合体变成小的水溶性的亚单位(如氨基酸和核酸)才能被微生物细胞吸收。 固持作用：无机氮（NH4+ 或NO3-）被微生物吸收和化学固定的过程。
铵的产生和归宿
• 总矿化作用：通过矿化作用释放的氮总量。 • 净矿化作用：在特定时间内，无机氮进入土壤溶 液的净积累。 土壤溶液是土壤中水分及所含溶质的总称， 是土壤的液相部分，主要包括无机离子、有机离 子和聚合离子以及他们的盐类。 • 铵的产生：矿化作用、反硝化作用 • 微生物通过矿化作用将DON中的氮变为NH4+ ，微 生物维持自身生长需要消耗氮，所以关于微生物 对NH4+ 的吸收和释放存在着一定的机制。
铵的归宿
• 1、被植物或微生物吸收 • 2、吸附到土壤矿物和带负电的有机体表面 • 3、固定到某些铝-硅酸盐黏土或络合到稳定 土壤有机质中（很难利用） • 4、挥发出氨气 • 5、硝化作用
硝酸盐的产生和归宿
• 硝酸盐的产生：硝化作用
硝化作用
含亚硝基类（铵 亚硝酸盐） 自养型 含硝基类（亚硝酸盐 硝酸盐） 硝 化 细 菌 异养型 —— 从有机质中获得能量进行硝化作用 使用硝化作用产 生的能量固定 CO2，从而获得 碳
氮损失的途径
• 以气体形式丧失 • 以溶液形式丧失 • 侵蚀丧失
氮以气体形式的丧失
• 主要途径：氮挥发、硝化作用和反硝化作用
• 氨气能从土壤和叶片中散发。 农田使用的铵肥和尿素一般会有20%~30% 的氮以氨气形式丧失。
• 硝化作用中，会产生NO和N2O等副产品，他 们占得比率为10%~20%。
氮素矿化作用：微生物裂解DON，同时释放NH4+ 到土壤的过程。
也称氮素铵化作用，铵是直接产物。 硝化作用：从铵到硝酸盐的转化过程。
反硝化作用：从硝酸盐到铵的转化过程。
陆地氮循环简化示意图
溶解有机氮的产生和归宿
• 从不溶解的有机氮到溶解的有机氮(DON)的转化是 氮素矿化作用最初的一步，也通常是限速步骤。 因为所有的有机氮在它能被微生物吸收和矿化前 ，首先必须变成溶解态的。所以就生态系统的氮 通量而言，通过DON的氮通量应该是很大的。 • 产生机理前面DON定义时有介绍。 尿素经尿素酶作用生成氨气和二氧化碳。 • 归宿： 1、被微生物吸收利用 2、微生物矿化作用（DON => NH4+ ） 3、吸附到土壤交换复合体 4、淋溶进入地下水
硝化作用的控制因素
要的直接因素。 肥料输入和铵沉降是铵输入到许多生态系统的 额外来源。 2、氧是控制硝化作用的另一重要因素，因为大 多数硝化细菌需要有氧才能氧化NH4+ 。
由上图可知： 1、 NH4+ 的可利用性是决定硝化作用速率最重
• 不同生态系统间矿化作用中氧化成硝酸盐 部分的比例变化很大。
森林对阻止土壤中氮等营养物质流失的作用
无植被期，营 养物质大量流失。 随着植被逐渐 恢复，营养物质的流 失也得到了逐步缓解， 并最终基本达到初始 水平。Байду номын сангаас
• 硝酸盐进入地下水，被还原会形成亚硝酸 盐，人和动物饮用后，会减弱体内血红蛋 白运输氧的能力，导致贫血。 • 大量的硝酸盐进入河流，会增加河流的生 产力和碎屑累积，同时分解作用又导致氧 气浓度下降，会大量杀死鱼虾。
反硝化作用
• 反硝化作用需要三个条件： 低氧、高硝酸盐浓度和可以用的有机碳 NO3- 还原的序列为： NO3- ==> NO2- ==>NO==>N2O ==>N2
最后三个产物，会以气体形式释放到大气中
土壤反硝化作用的主要控制因素
• •
火灾也会造成大量气态氮的丧失 氮素气体在大气中的角色 NH3 => NH4+ 与空气中的酸（硫酸）发生反
铵化作用过程
• 通过微生物的铵是净吸收（净固持作用） 还是净释放（净矿化作用）取决于碳的状 态。 • 当微生物生长是碳限制时，微生物主要利 用DON中的碳，同时释放铵，即发生净矿化 作用。 • 当微生物生长是氮限制时，微生物则主要 利用DON中的氮，就没有了铵的释放，即发 生净固持作用。
氨化作用的控制因素
应，中和空气酸度。 NOX可作为CO+O2=>O3的催化剂，而O3是产 生对流层光化学烟雾的重要成分。 N20活性较低，在大气中具有150年的“寿 命”，同时也是温室气体，对红外线的吸收， 是CO2的200倍。
氮以溶液形式的丧失（淋溶）
• 大多数生态系统中，以溶液形式丧失的氮 主要是硝酸盐和溶解有机氮。 • 硝酸盐淋溶的上升是氮饱和的特征之一。