第二节 土壤氮素与环境质量
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2015-5-4
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施用氮肥对作物品质和人体健康影响
高剂量施用化肥势必造成土壤特性的迅速变化。
土壤特性的变化势必引起作物品质的变化。高剂
量施用单一化肥，将引起土壤中各种元素的比例
失调，最后导致作物产生新的生化过程
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16
土壤氮素损失
——化学脱氮过程
主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如：
a. 氨态氮挥发
NH4+ + OH- NH3 + H2O 在碱性条件下进行
b. 亚硝酸分解反应
3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O 条件：酸性愈强，分解愈快。
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17
土壤氮素损失
速率：硝化作用＞亚硝化作用＞铵化作用。 因此，正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态 第二步：硝化作用 氮及氨的积累。
2NO2-
+ O2
硝化微生物
2NO3- + 40千卡
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13
硝化作用：NH4+或NH3经NO2-氧化为NO3-
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土壤氮素损失 ——反硝化（生物脱氮过程）
过程： NO3
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施用氮肥对土壤健康质量的影响
对于氮肥来说，最易引起土壤变化的性质就是 pH。连续施 用氮肥会导致土壤pH降低，在酸性土壤上问题尤为明显。 酸 性 土 壤 交 换 性 钙 含 量 低 ， 每 加 入 100kg 硫 酸 铵 就 需 要 110kg的碳酸钙去中和由于氮肥所产生的酸度。如果不施加
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9
3. 土壤中氮素的转化
NH3 N2、NO、N2O
反硝化作用 挥发损失
有 机 态 氮
矿化作用
生物固定
铵态氮
吸附固定
硝化作用
硝酸还原作用
硝态氮
生 物 固 定
淋洗损失
有 机 态 氮
吸附态铵或 固定态铵
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水体中的 硝态氮
10
土壤氮素的有效化
•
•
有机氮的矿化（有机氮水解；氨化）
– 适宜施氮量，避免盲目过量施氮 – 氮肥深施、早作上表施氮肥(特别是尿素）立即适量灌水、前氮后 移 – 使用改性氮肥，延长肥效 – 利用作物与微生物共生固氮 ……
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施用氮肥对环境质量的影响
据估计，我国农业中氮损失正以惊人速度增加，如 1969-1973年农业中氮（化肥和有机肥）年损失500万 吨，其中化肥为200万吨，是同期化肥氮用量69%； 1994-1998年，氮年损失2300万吨，其中化肥氮为1900 万吨，为同期化肥氮的84%。 氮损失量增加与氮肥利用率有很大关系，氮肥利用率 低可能是氮肥损失原因，也可能是氮肥损失的结果。 20世纪60年代氮肥利用率为0.6，70至80年代为0.5~0.4， 90年代则进一步下降为0.35~0.32
第三章 土壤中碳、氮、硫、磷 与环境质量
第二节 土壤氮素与环境质量
主要内容
1. 土壤中氮素的含量及其来源
2. 土壤中氮素的形态
3. 土壤中氮素转化过程
4. 土壤氮素管理与环境质量
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1. 土壤氮素的含量及其来源
含量：
一般土壤含量范围：0.02%~0.50% 我国耕地含量：0.04%~0.35% 表层高，心、底土低
来源：
A B C D 生物固氮：包括自生固氮 、共生固氮和联合固氮； 降水：1.5-10.5 kg/hm2.a； 灌水； 施肥；有机肥、无机化肥
目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。
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氮素是土壤中活跃营养元素，作物需求量大。和植物 需求相比，全世界大部分土壤缺氮，氮肥的应用有力 地促进农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。
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6
无机态氮
数量少、变化大，表土中占全氮 1~2% ，最多不超过5~8%。
• 铵态氮(NH4+ — N)：可被土壤胶体吸附，一般不易流失，
但在旱田中，铵态氮很少，在水田中较多。 在土壤里有三种存在方式：游离态、交换态、固定态。 • 硝态氮(NO3- — N) ：移动性大；通气不良时易反硝化损失； 速效氮：土壤溶液中的铵、 在土壤中主要以游离态存在。 交换性铵和硝态氮因能直接 • 亚硝态氮(NO2 — N)：主要在嫌气性条件下才有可能存在， 被植物根系所吸收，常被称 而且数量也极少。在土壤里主要以游离态存在。 为速效态氮。 • 其他，氨态氮、氮气及气态氮氧化合物。
石灰校正土壤酸度，锰和铝的过量释放将会产生对植物的
毒害作用
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施用氮肥的水体污染
施用化肥对水体环境影响多方面，如水体富营养化、NO3-和
NO2-污染等。一般来说，在封闭性湖泊和水库水中，氮（N）
浓度超过0.2 mg/L，磷（P）浓度达到0.015mg/L时就可能引 起“藻化”现象。从土壤学角度看，这两个浓度很易达到。
土壤中氮可以通过一系列化学反应和物理过程以各种
形态进入大气和水体，对局部乃至全球环境产生种种
负面影响。围绕施用氮肥产生的效益与弊端的讨论一 直是土壤、肥料、地球物质循环、农产品品质、环境 科学等多个研究领域密切关注的问题。
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2. 土壤中氮素的形态
有机态氮
• 可溶性有机氮 < 5%； • 水解性有机氮50~70%； • 非水解性有机氮30~50%。
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几个概念
全氮：土壤中氮素的总量。
有效氮：能被当季作物利用的
氮素，包括无机氮(<2％)和易分 解的有机氮 碱解氮：测得的有效氮。
速效氮：土壤溶液中的铵、交
换性铵和硝态氮因能直接被植物 根系所吸收，常被称为速效态氮。
速 效 氮
有 效 氮
全 氮
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8
中国不同地区耕层土壤的全氮含量
无机态氮
• 铵态氮(NH4+)； • 硝态氮(NO3-)； • 亚硝态氮(NO2-)。
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有机态氮
占全氮的绝大部分，95%以上。
• 可溶性有机氮 < 5%，
主要为： 游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物；
• 水解性有机氮50~70%，用酸碱或酶处理而得。
包括：蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类； • 非水解性有机氮30~50%， 主要可能是杂环态氮、缩胺类 。
硝化（亚硝化；硝化）
土壤氮素的损失
• • 反硝化——生物脱氮 化学脱氮（亚硝酸分解；氨挥发）
•
• •
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粘粒对铵的固定
生物固定 氮素淋洗
11
土壤氮素有效化 ——有机氮矿化：
定义：含氮的有机合化物，在多种微生物的作用下
降解为简单的氨态氮的过程。它包括：
a. 水解：
蛋白质
水解 朊酶
多肽
水解 肽酶
目前氮和磷是我国湖泊富营养化的主要诱因，五大淡水湖泊
（太湖、洪泽湖、鄱阳湖、洞庭湖和巢湖）水体中营养盐均
远超过氮磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度高达10倍以上。 我国几乎所有的江湖河海和局部的地下水都不同程度遭到了
氮和其化合物的污染 。
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施用氮肥的大气污染
氮肥施入土壤后，部分会以气态形式损失掉，如NH3、 NO、N2和N2O等。在近地面的环境中，NOx在阳光下 与氧气反应，形成臭氧，组成化学烟雾，刺激人、畜 的呼吸器官；在农田则对农作物产生危害 大气中N2O正以0.25%的年增长率上升，其中，热带和 农业土壤被认为是全球重要的N2O释放源，贡献率达 70%~90%。在美国，来自农田的N2O大约有405kt1011kt。 近20年来，农业生产的N2O的释放及其影响因素的研 究成为氮素生物化学循环研究的新热点。
——其他损失途径
• 粘粒矿物对铵的固定
北方的土壤中，能固铵的粘粒矿物较多，但其土壤中铵极少，而 南方水田的铵态较多，而能固定铵的粘土矿物不多。因此，铵的 粘土矿物固定在我国的意义不大。
• 生物固定
• 氮素的淋洗
硅铝片 NH4+ 硅铝片
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淋 洗
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4. 土壤氮素管理与环境质量
现状：氮肥生产效率趋于下降，农业环境污染则趋于加重 任务：保障粮食安全和农产品供应，减少农业环境污染环境 目标：降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率 途径：
-
硝酸盐 还原酶
NO2
-
硝酸盐 还原酶
NO
氧化氮 还原酶
N 20
氧化亚氮 还原酶
N2
N2
+ 2H+ -2H2O
2NO
- 4H+
+2H2O
N2O
- H20 厌氧 微生物
厌氧微生物 HN03 +4H+ - 2H2O
2HNO2 +4H+ -2H2O
H2N2O2
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反硝化作用：硝酸盐等较复杂含氮化合物 转化为N2、NO、N2O
氨基酸
b. 氨化：
氨化微生物 RCHNH2COOH + O2 RCH2COOH + NH3 + 能量 酶
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土壤氮素有效化 ——硝化过程：
定义：将土壤中的氨、胺、酰胺等微生物的作用下氧化
为硝酸的生物化学过程。
第一步：亚硝化作用
2HN4+ + 3O2
亚硝化微生物
2NO2- + 2H2O + 4H+ + 158千卡
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施用氮肥对作物品质和人体健康影响
高剂量施用化肥势必造成土壤特性的迅速变化。
土壤特性的变化势必引起作物品质的变化。高剂
量施用单一化肥，将引起土壤中各种元素的比例
失调，最后导致作物产生新的生化过程
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土壤氮素损失
——化学脱氮过程
主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如：
a. 氨态氮挥发
NH4+ + OH- NH3 + H2O 在碱性条件下进行
b. 亚硝酸分解反应
3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O 条件：酸性愈强，分解愈快。
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土壤氮素损失
速率：硝化作用＞亚硝化作用＞铵化作用。 因此，正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态 第二步：硝化作用 氮及氨的积累。
2NO2-
+ O2
硝化微生物
2NO3- + 40千卡
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硝化作用：NH4+或NH3经NO2-氧化为NO3-
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土壤氮素损失 ——反硝化（生物脱氮过程）
过程： NO3
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施用氮肥对土壤健康质量的影响
对于氮肥来说，最易引起土壤变化的性质就是 pH。连续施 用氮肥会导致土壤pH降低，在酸性土壤上问题尤为明显。 酸 性 土 壤 交 换 性 钙 含 量 低 ， 每 加 入 100kg 硫 酸 铵 就 需 要 110kg的碳酸钙去中和由于氮肥所产生的酸度。如果不施加
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3. 土壤中氮素的转化
NH3 N2、NO、N2O
反硝化作用 挥发损失
有 机 态 氮
矿化作用
生物固定
铵态氮
吸附固定
硝化作用
硝酸还原作用
硝态氮
生 物 固 定
淋洗损失
有 机 态 氮
吸附态铵或 固定态铵
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水体中的 硝态氮
10
土壤氮素的有效化
•
•
有机氮的矿化（有机氮水解；氨化）
– 适宜施氮量，避免盲目过量施氮 – 氮肥深施、早作上表施氮肥(特别是尿素）立即适量灌水、前氮后 移 – 使用改性氮肥，延长肥效 – 利用作物与微生物共生固氮 ……
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施用氮肥对环境质量的影响
据估计，我国农业中氮损失正以惊人速度增加，如 1969-1973年农业中氮（化肥和有机肥）年损失500万 吨，其中化肥为200万吨，是同期化肥氮用量69%； 1994-1998年，氮年损失2300万吨，其中化肥氮为1900 万吨，为同期化肥氮的84%。 氮损失量增加与氮肥利用率有很大关系，氮肥利用率 低可能是氮肥损失原因，也可能是氮肥损失的结果。 20世纪60年代氮肥利用率为0.6，70至80年代为0.5~0.4， 90年代则进一步下降为0.35~0.32
第三章 土壤中碳、氮、硫、磷 与环境质量
第二节 土壤氮素与环境质量
主要内容
1. 土壤中氮素的含量及其来源
2. 土壤中氮素的形态
3. 土壤中氮素转化过程
4. 土壤氮素管理与环境质量
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1. 土壤氮素的含量及其来源
含量：
一般土壤含量范围：0.02%~0.50% 我国耕地含量：0.04%~0.35% 表层高，心、底土低
来源：
A B C D 生物固氮：包括自生固氮 、共生固氮和联合固氮； 降水：1.5-10.5 kg/hm2.a； 灌水； 施肥；有机肥、无机化肥
目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。
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氮素是土壤中活跃营养元素，作物需求量大。和植物 需求相比，全世界大部分土壤缺氮，氮肥的应用有力 地促进农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。
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无机态氮
数量少、变化大，表土中占全氮 1~2% ，最多不超过5~8%。
• 铵态氮(NH4+ — N)：可被土壤胶体吸附，一般不易流失，
但在旱田中，铵态氮很少，在水田中较多。 在土壤里有三种存在方式：游离态、交换态、固定态。 • 硝态氮(NO3- — N) ：移动性大；通气不良时易反硝化损失； 速效氮：土壤溶液中的铵、 在土壤中主要以游离态存在。 交换性铵和硝态氮因能直接 • 亚硝态氮(NO2 — N)：主要在嫌气性条件下才有可能存在， 被植物根系所吸收，常被称 而且数量也极少。在土壤里主要以游离态存在。 为速效态氮。 • 其他，氨态氮、氮气及气态氮氧化合物。
石灰校正土壤酸度，锰和铝的过量释放将会产生对植物的
毒害作用
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施用氮肥的水体污染
施用化肥对水体环境影响多方面，如水体富营养化、NO3-和
NO2-污染等。一般来说，在封闭性湖泊和水库水中，氮（N）
浓度超过0.2 mg/L，磷（P）浓度达到0.015mg/L时就可能引 起“藻化”现象。从土壤学角度看，这两个浓度很易达到。
土壤中氮可以通过一系列化学反应和物理过程以各种
形态进入大气和水体，对局部乃至全球环境产生种种
负面影响。围绕施用氮肥产生的效益与弊端的讨论一 直是土壤、肥料、地球物质循环、农产品品质、环境 科学等多个研究领域密切关注的问题。
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2. 土壤中氮素的形态
有机态氮
• 可溶性有机氮 < 5%； • 水解性有机氮50~70%； • 非水解性有机氮30~50%。
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几个概念
全氮：土壤中氮素的总量。
有效氮：能被当季作物利用的
氮素，包括无机氮(<2％)和易分 解的有机氮 碱解氮：测得的有效氮。
速效氮：土壤溶液中的铵、交
换性铵和硝态氮因能直接被植物 根系所吸收，常被称为速效态氮。
速 效 氮
有 效 氮
全 氮
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中国不同地区耕层土壤的全氮含量
无机态氮
• 铵态氮(NH4+)； • 硝态氮(NO3-)； • 亚硝态氮(NO2-)。
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有机态氮
占全氮的绝大部分，95%以上。
• 可溶性有机氮 < 5%，
主要为： 游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物；
• 水解性有机氮50~70%，用酸碱或酶处理而得。
包括：蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类； • 非水解性有机氮30~50%， 主要可能是杂环态氮、缩胺类 。
硝化（亚硝化；硝化）
土壤氮素的损失
• • 反硝化——生物脱氮 化学脱氮（亚硝酸分解；氨挥发）
•
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粘粒对铵的固定
生物固定 氮素淋洗
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土壤氮素有效化 ——有机氮矿化：
定义：含氮的有机合化物，在多种微生物的作用下
降解为简单的氨态氮的过程。它包括：
a. 水解：
蛋白质
水解 朊酶
多肽
水解 肽酶
目前氮和磷是我国湖泊富营养化的主要诱因，五大淡水湖泊
（太湖、洪泽湖、鄱阳湖、洞庭湖和巢湖）水体中营养盐均
远超过氮磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度高达10倍以上。 我国几乎所有的江湖河海和局部的地下水都不同程度遭到了
氮和其化合物的污染 。
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施用氮肥的大气污染
氮肥施入土壤后，部分会以气态形式损失掉，如NH3、 NO、N2和N2O等。在近地面的环境中，NOx在阳光下 与氧气反应，形成臭氧，组成化学烟雾，刺激人、畜 的呼吸器官；在农田则对农作物产生危害 大气中N2O正以0.25%的年增长率上升，其中，热带和 农业土壤被认为是全球重要的N2O释放源，贡献率达 70%~90%。在美国，来自农田的N2O大约有405kt1011kt。 近20年来，农业生产的N2O的释放及其影响因素的研 究成为氮素生物化学循环研究的新热点。
——其他损失途径
• 粘粒矿物对铵的固定
北方的土壤中，能固铵的粘粒矿物较多，但其土壤中铵极少，而 南方水田的铵态较多，而能固定铵的粘土矿物不多。因此，铵的 粘土矿物固定在我国的意义不大。
• 生物固定
• 氮素的淋洗
硅铝片 NH4+ 硅铝片
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淋 洗
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4. 土壤氮素管理与环境质量
现状：氮肥生产效率趋于下降，农业环境污染则趋于加重 任务：保障粮食安全和农产品供应，减少农业环境污染环境 目标：降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率 途径：
-
硝酸盐 还原酶
NO2
-
硝酸盐 还原酶
NO
氧化氮 还原酶
N 20
氧化亚氮 还原酶
N2
N2
+ 2H+ -2H2O
2NO
- 4H+
+2H2O
N2O
- H20 厌氧 微生物
厌氧微生物 HN03 +4H+ - 2H2O
2HNO2 +4H+ -2H2O
H2N2O2
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反硝化作用：硝酸盐等较复杂含氮化合物 转化为N2、NO、N2O
氨基酸
b. 氨化：
氨化微生物 RCHNH2COOH + O2 RCH2COOH + NH3 + 能量 酶
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土壤氮素有效化 ——硝化过程：
定义：将土壤中的氨、胺、酰胺等微生物的作用下氧化
为硝酸的生物化学过程。
第一步：亚硝化作用
2HN4+ + 3O2
亚硝化微生物
2NO2- + 2H2O + 4H+ + 158千卡