第5讲 氮素转化

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2 土壤中氮的含量和形态
一般耕作土壤含N量为0.02－0.2%，大部分 在0.1%以下。 土壤中氮的含量主要决定于气候条件、土壤 质地和耕作管理，它与土壤有机质含量的变化是 一致的。
通常土壤有机质含N约为5%，有机质含量越 高，土壤含N量越高。
2.1 有机态氮（soil organic nitrogen）
• （7）pH
– Microbes can be sensitive to pH – Generally near neutral pH desired – Rapid and sharp pH change is bad to mineralization
• （8）Aeration
– Most mineralizing bacteria are aerobes ie. require O2
• 生物圈：生态系统
1.2 土壤与环境间氮素交换
• 氮在地球各领域间不断进行交换是氮素地
球化学的基本特征。
• 土壤圈和水圈中的氮素转化过程是氮素交
换总过程的基础。
• 领域：涉及到土壤圈、水圈、生物圈和大
气圈
1.2.1 了解氮素交换过程的农学意义
当稳定的农田生态系统建立后，土壤氮库的 库容趋于稳定，因此投入和流出土壤－植物系 统的氮量基本平衡。在氮肥施用时应以这个平 衡为出发点。
D 气态N：主要是土壤空气中的N2，NH3和气态N氧化物如NO2、NO、 N2O等。
土壤中各种形态氮可以相互转化。
土壤中含氮物质通过生物化 学、物理化学、物理和化学的作 用发生形态和状态的变化，称为 土壤中氮素的转化。
Nitrogen Transformations
• • • • • • • •
3.1 矿化的过程
土壤中的含N有机物主要是蛋白质、多肽、氨基酸、氨基 糖等，且以蛋白质和多肽成分最大。 土壤蛋白质的矿化大致可分为氨基化作用和氨化作用两个 过程。
a. 氨基化作用——是指在异养微生物和土壤蛋白 酶作用下，蛋白质水解释放出氨基酸和酰胺的过程。 蛋白质 R-NH2 +CO2 +其它产物+能量
1.2.3 土壤氮素的流出
• 途径：气态损失、NO3 － 的淋失、径流损失、风
蚀、植物收获物移走。氮素损失是影响肥料利 用率的主要原因。
（1）气态损失 包括土壤中N2 、N2O、NOx、NH3 等气态
化合物的释放，是土壤氮素损失的主要途径。 （2）径流和风蚀损失 径流包括地表径流和水田排水 带走的N（水稻土地区和黄土高原）；风蚀发生在干旱 地区。 （3）硝酸盐淋失 包括下渗和侧渗两种途径。 （4）收获物移走
Each transformation is controlled by a different species of microbe
3 氮素矿化与生物固持
mineralization and immobilization of nitrogen
土壤有机态氮的矿化及无机态的生物 固持作用是土壤中不断进行的两个方向 相反的生物学过程。
2.1.1 土壤有机态N的形态及含量
通常采用酸水解的方法（6 mol/L HCl回流水解 土壤），把土壤有机N进行形态分级：
土壤
6 mol/L HCl回流水解
酸解液（酸解性N）
残渣（非酸解性N）
铵态N
氨基酸态N
氨基糖态N
酸解性未知态N
土壤有机N的形态分级
各类含氮有机化合物的组成、来源及在土壤中的分布
矿质元素的土壤化学
Chapter 5 土壤氮素的转化
知识点：
• 掌握土壤氮素存在形态和含量 • 掌握土壤各种形态的转化过程、影响
因素以及对环境的影响
• 重点理解土壤氮素循环过程
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1 土壤氮素平衡
氮素地球化学分布 土壤与环境间氮素交换 土壤氮素转化过程与氮素交换的关系
1.1 氮素地球化学分布（圈层？）
2.1.2 土壤有机态N的有效性
a. 作物难以利用的有机N
这类有机N化合物主要有胡敏酸、富里酸、杂 环化合物。它们很稳定，难以被微生物分解。占有 机N总量的80%左右。
b. 对作物有效的有机N 主要由蛋白质、核酸、氨基酸、酰胺和氨基糖 等组成。由于它们极易矿化，是土壤有效态N的主要 来源。
2.2 无机态N（soil inorganic nitrogen）
土壤中未与碳结合的含N物质总称。一般占土壤全N 量的1%－2%。是土壤中N素的速效性部分。
•
四种形态：
A 水溶性离子：主要是NH4+、NO3-为主，少量NO2-。
B 交换性阳离子：以NH4+为主，吸附于土壤颗粒表面可以进行阳 离子交换的铵离子。
C 固定态铵：存在于土壤粘土矿物晶格中，植物较难利用，当 晶格膨胀或破裂时，NH4+可释放出来为植物利用。
• （6）土壤温度和冻融交替
Maximum: 40 - 50 ℃ (104 - 140°F) • Generally above the optimum for plant growth Minimum: 5 - 10 ℃ (40 - 50°F) • Similar to the minimum for plant growth
• • • • •
Organic N NH4+ NO2NO3Warm temperatures Adequate but not excessive water Substrate for the bacteria If C:N ratio is small
Conditions Enhancing Immobilization
Mineralization
N Uptake or Mineralization (kg/ha) Wheat N Uptake Corn N Uptake
N Mineralization
April
May
June
July
Aug.
Sept.
Oct
Conditions Enhancing Mineralization
b. 氨化作用 ——是指氨基酸或酰胺被土壤异养微 生物和土壤酶转化为氨（NH3）的过程。氨溶于水生 成NH4+，可被植物吸收利用。 R-NH2 + H2O NH3+R-OH +能量
3.2 影响有机氮矿化的因素
• （1）土壤有机质的C:N 比
– N is essential for microbial growth – If N in organic matter exceeds the needs of the microbes there will be a net release of N – C:N Ratio = %C / %N in organic matter
Organic N ( e.g., N in microbe proteins)
NH3
mineralization immobilization N fixation NH4+
Volatilization
nitrification immobilization NO3-
N2
denitrification
Fixation（固定） Mineralization（矿化） Immobilization （生物固持） Nitrification（硝化） Denitrification（反硝化） Volatilization（气态损失） Leaching（淋失） Runoff（径流）
Nitrogen Transformation in Soil
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1.3 土壤氮素转化与氮素交换的关系
• 土壤氮素转化是土壤与环境间氮素交换的基础。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 各转化过程的方向和强度直接影响氮素气态和溶质交换
的强度。
• 氮素转化过程中，生物转化过程（以氮素的同化、异化、
氧化-还原为中心）最为重要，一些化学过程必不可少 （包括铵的固定与释放、吸附与解吸、氨的挥发、硝酸 盐的淋失）。
土壤中与碳结合的含氮物质的总称。 含量占全N量的90%以上，与土壤有机质含量成 正相关。 土壤中绝大部分有机态N存在于土壤固相，只有 少量存在于土壤液相中。
存在状态有4种：
①与其他土壤有机质组分（如木质素、单宁、醌类和 还原糖类等）结合；②与粘土矿物相结合；③与多价 阳离子（如铁）形成复合体；④存在于生物体中。
High C:N （low N）
straw, bark, sawdust
Carbon Nitrogen Ratios of Organic Materials Material C : N Ratio 8 10 12 20 60 80 300
Soil microorganisms Soil organic matter Alfalfa Rotted manure Corn residue Grain straw Sawdust
• C:N ratio < 20:1 = net mineralization
• C:N ratio > 30:1 = net immobilization
Interpretation:
C/N ratio <8 8 -10 Level Very low Low Rate of organic matter breakdown rapid decomposition rapid decomposition
及时补充移走的氮素，防止土壤氮素亏缺； 氮肥施用量要合理，减少能源消耗、防止环境
污染。
1.2.2 土壤氮素的投入
• 来源：共生和非共生生物固氮、工业合成肥料氮、
大气沉降、动植物残体及其他废弃物施用、土壤和 植物对气态氮化合物的吸收。
（1）生物固氮 占进入土壤氮素的65%。在自然生态中所
占比例高，在农田生态系统中所占比例较低。 （2）肥料氮 是土壤氮素的第二大来源，是农业土壤的首 要来源，我国氮肥投入量是农田生物固氮量的6－7倍。 （3）大气沉降 约占土壤氮素收入的10%，包括干沉降和 湿沉降。 （4）有机废弃物 在我国相当于化肥氮投入量的20%左右
Effect of soil temp. on decomposition
high
Decomposition
low 20 30 Temperature º C 40
Effect of soil moist. on decomposition
high
Decomposition
low
25 36 Moisture (v, %) 40
• （3）肥料氮的施用 氮肥的激发效应（＋－） • （4）土壤生物的类型和活性
（5）土壤水分和干湿交替
– 干土效应：土壤干湿交替过程的频繁发生促进土 壤氮的矿化作用称干土效应。
– 机理：
a 干燥过程杀死部分微生物，当湿润开始后，这部分 微生物是其他土壤生物的食物，被利用，促进N的矿 化和释放； b 干燥-湿润过程促进土壤有机氮化合物的溶解，并 易被土壤生物所利用； c 干湿交替打破水稳性团粒结构，增加微生物与土壤 有机物质的接触面，提高了有机氮的微生物有效性和 矿化。
11 – 15 16 - 25
> 25
Medium High
Very high
normal for arable soils slow decomposition
little or no decomposition
28
Low C:N （high N content）
Alfalfa, peas, grass
• 岩石圈：
• 大气圈：
量：2%总N；形式：NH3；位臵：地球深处；作用：对土壤 生态环境中的氮素平衡影响不大，但地壳中的NH3是土壤氮 素的最初来源。
• 土壤圈和水圈：
量：98%总N；形式：N2为主，极少数以结合态NO、NO2、 NH3和N2O存在；作用：绝大多数生物不能利用。 量：极少，0.01%总N；形式：水圈以N2为主，也有NH4＋、 NO2－、NO3－和少量可溶性有机态氮；土壤圈中N以有机态 为主，其次以NH4＋形式固定在粘土矿物晶格中；作用：是 最活跃部分，尤其是土壤圈中的氮。
• （2）植物根系
双重作用：I 促进氮的生物固持 II 促进氮的矿化 I 根系分泌有机物质 微生物C源 微生物 与根竞争N 减少N素矿化（固持） II 3方面：a 根与微生物竞争N，减少已矿化N 的微生物再固持；b 根际效应促进微生物生长， 原有有机氮释放加快；c 植物对水分吸收促使干 湿交替过程频繁发生，促进有机氮矿化
• • • •
NO3- NO2NH4+ Organic N Incorporating high C residues Manure with lots of bedding Adding material with C:N ratio > 30