氮在土壤中的迁移转化

氮在土壤中的迁移转化

(一)植物对土壤中氮的汲取植物从土壤中汲取氮的过程很复杂，就形

态而言多为铵态氮和硝态氮。普通旱作土壤中硝态氮比铵态氮浓度高，简单通过质流而蔓延到根部，因此硝态氮(NO3--N)是旱地植物养分主要的氮源之一；而对于水田，如种植水稻的水稻土其氮养分主要是铵态氮(NH4+-N)。 (1)硝态氮植物汲取NO3-量高，且为主动汲取；土壤pH 低时更易汲取NO3-，而NH4+可与之竟争削减植物汲取NO3-。植物施用大量NO3-时，体内合成的有机阴离子数量增强，无机阳离子Ca2+、Mg2+和K+的堆积也相应增强，从而促使根际的pH升高。 (2)铵态氮 NH4+是植物一种抱负的氮源，在蛋白质合成中若利用NH4+则比NO3-更为节能。NO3-结合进蛋白质以前必需还原，这是一种消耗能量的过程，还原1分子NO3-需2分子NADH(二磷酸吡啶核苷酸)，而且NH4+在上壤中既不易淋失，也不易发生反硝化作用，损失较少。当pH为7时，植物汲取NH4+较多，酸度增强则汲取量降低。根汲取NH4+后，植物组织中无机阳离子Ca2+，Mg2+和K+浓度下降，而无机阴离子PO43-，SO42-和Cl-浓度增强，从而促使根际pH下降。无论是根际pH升高或下降对根际中营养有效性、生物活性以及污染物的行为都有重要影响。 (二)

土壤中氮素转化的重要过程 1．土壤无机氮的微生物固持和有机氮的矿化土壤无机氮的微生物固持，是指进入土壤的或土壤中原有的NH4+和NO3-被微生物转化成微生物体的有机氮。它不同于土壤的NH4+的矿物固定，也不同于NH4+和NO3-被高等植物的同化。土壤有机氮的矿化，是指土壤中原有的或进入到土壤中的有机肥和动植物残体中的有机氮被微生物分解改变为氨，因此，这一过程又叫氨化过程。有机氮的矿化和矿质氮的微生物固持是土壤中同时举行的两个方向相反的过程，这两者的相对强弱受到许多因素，特殊是可供微生物利用的有机碳化物(即能源物质)的种类和数量的影响。当土壤中易分解的能源物质过量存在时，矿质氮的生物固持作用就大于有机氮的矿化作用，表现为矿质氮的净生物固持(朱兆良等2002)。惟独在矿化作用大于固持作用

时，才干有多余的无机氮化物供应植物养分，这主要取决于环境中有机碳和氮的比率(C/N)。有机物质的C/N比对氨化的影响很大；C/N比小的有机物质氨化较快；C/N比大的有机物质氨化则较缓慢，此时若添加适量的无机氮，能加速氨化的举行。土壤氮库事实上是以有机氮为主体的，不包括土壤矿物固定态铵在内的土壤有机氮库的组成及互相作用(Stevenson 1986)。有机残体腐解及其矿化放出无机氮(NH3和NO3-)，被微生物利用结合到微生物体，构成土壤微生物生物量。一部分微生物生物量氮在死亡后可进一步改变为无机氮和较稳定的有机氮，后者可通过腐殖化过程进一步改变成稳定的腐殖物质。土壤中有机氮化合物的矿化作用主要分两个阶段，第一阶段先把复杂的含氮有机化合物(腐殖质、和核酸等)经多种微生物酶的作用逐级分解成容易的氨基化合物，称之为氨基化阶段，其作用过程可以用下式表示：含氮有机化合物→R-NH2+CO2＋能量＋其他中间产物 (3-5) 其次阶段是在微生物作用下各种容易的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段或氨化作用。氨化作用可以用下式表示： 2．硝化作用硝化作用是微生物在好气条件下将铵氧化为或，或者是由微生物导致的氧化态氮增多的过程，自养和异养微生物均可参加此过程(徐华等2002)。化能自养硝化细菌是硝化作用的主要作用者，它利用CO2、碳酸或重碳酸作为碳源并从NH4+的氧化中获得能量： NH4++2O2→NO3-+2H+H2O+能量 (3-7) 其中NH4+来自土壤有机质的矿化及施肥。硝化作用分两步举行，第一步主要由亚硝酸细菌将氨氧化为NO2-，中间过渡产物为NH2OH，总的反应式如下：NH3+OH-+O2→NO2-＋H2O+2H+△G＝-361.7 kJ (3-8) 其次步由硝酸细菌将NO2氧化为NO3-； NO2-＋H2O→NO3-+2H+ 2H++1/2O2→H2O△G=-74.5kJ (3-9) 与NH4+ N一样，硝化作用形成的NO3--N也是植物简单汲取的氮素，但后者易于淋失而进入地下水；同时，硝化过程可能生成N2O，它具有破坏臭氧层的作用。然而，目前对硝化过程产生N2O的机制向来还在争辩之中，有两个过程可能与硝化作用形成N2O 有关：①铵氧化细菌在O2缺乏的状况下利用NO2-作为电子受体从而

产生N2O；②介于NH4+与NO2之间的中间体或者NO2-本身能化学分解为N2O。异养有机体利用有机物质作为碳源和能量来源，它们能从氧化NHT或有机氮化合物中获得部分能量。真菌是最重要的异养微生物。异养微生物对有机、无机氮的氧化可能有如下途径(Killham 1986)：有机N: RNH2→RNHOH→RNO→RNO2→NO3- (3-10) 无机： NH4+→NH2OH →NOH→NO2-→NO3- (3-11) 与自养硝化相比，异养硝化的作用常被认为是微乎其微的，并且被认为仅仅惟独在试验室举行讨论的意义。然而，Kuenen等(1988)发觉一种异养硝化细菌亦可以举行反硝化，并可能产生相当数量的N2O。另一方面在一定的条件下异养硝化的重要性也会超过自养硝化，例如土壤pH低时似乎是严峻影响自养硝化的因素，在微生物以真菌为主的酸性针叶林土壤中，硝化作用可能是异养型的。硝化作用受多种因素的影响，主要包括酸度、通气性、湿度、温度和有机质等。在排水良好的中性或微酸性土壤中，NO2氧化成NO3-的速率常大于NHA改变为NO2的速率，形成NO2的速率等于或快于形成NH4的速率，因此，土壤中易于堆积。湿度(水分)的大小会影响土壤的通气性进而

也影响硝化作用，土壤水分为最大持水量的50％～60％时，硝化作用最旺盛。温度对硝化作用的影响更大，最适温度为30～35℃；通常，土壤温度在5℃以下和40℃以上时，硝化作用就受到抑制(李良漠等1987)。土壤硝化作用旺盛，土壤中NH4+转化为易自由移动的NO3-随

水流失，这不仅造成植物有效营养的损失，而且可能造成地表和地下

水的污染。 3．反硝化作用土壤中的反硝化作用，包括生物的和化学的反硝化作用，但生物反硝化是主要的。 (1)生物反硝化生物反硝化作用是在厌氧条件下，由兼性好氧的异氧微生物利用同一个呼吸电子

传递系统，以NO3-作为电子受体，将其逐步还原成N2的异化过程。

反硝化作用生化过程的通式可用下式表示： 2NO3-→2NNO2-→2NO→

N2O→N2 (3-12) 生物反硝化作用由反硝化细菌举行。土壤中已知

的能举行反硝化作用的微生物种类有24个属，绝大多数是异养型细菌，亦有少数是自养型。由反硝化微生物引起的反硝化过程是由反硝化微