土壤学第十章土壤元素的生物地球化学循环资料

二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物
四、土壤微量元素的氧化与还原
固定
五Baidu Nhomakorabea土壤微量元素的络合与离解
7:03 AM 三、土壤磷的吸附与解吸
六、土壤微量元素的调控与管理
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
§10-1 土壤碳的生物地球化学循环
一、土壤碳循环
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基本平衡
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
土壤碳循环意义：
满足光合作用的需要；调节气候
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气候变化与 粮食安全
研究结果表明，与目前常用的１９５１年至１９ ８０年中国种植制度气候区划结果相比，１９８ １年以来由于气候变暖，在陕西、山西、河北、 北京和辽宁，一年两熟种植北界明显向北移动； 在湖南、湖北、安徽、江苏和浙江一年三熟种植 北界向北空间位移明显。在不考虑品种变化、社 会经济等方面因素的前提下，各省的种植制度由 一年一熟改变为一年二熟，粮食单产平均可增加 ５４％至１０６％；由一年二熟变成一年三熟， 粮食单产平均可增加２７％至５８％。
§10-1 土壤碳的生物地球化学循环
一、土壤碳循环
四、土壤磷的沉淀与溶解
二、土壤光合作用
五、土壤磷的流失
三、土壤呼吸作用
六、土壤磷的调控
四、土壤碳的固定
§10-4 土壤硫的生物地球化学循环
五、土壤碳酸盐转化与平衡过程
一、土壤硫循环
六、土壤碳循环与全球气候变化
二、大气硫的沉降
§10-2 土壤氮的生物地球化学循环
呼吸、燃烧、工业利用
海洋中C
光合作用
空气CO2 土
绿色植 物
壤
矿 化
有 机
动物 微生物
质
石油煤
(一)土壤碳库在生物地球化学 (三)土壤碳循环对环境的影响
循化中的周转
(四)当前土壤碳循环研究存在
(二)土壤碳循环对土壤氮、硫、 的问题
磷循环的影响
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二、土壤的光合作用
绿色植物吸收太阳光的能量，同化C02和H2O， 制造有机物质并释放氧的过程，称为光合作用，是 土壤碳循环中重要的碳同化途径。光合作用产生的 有机物质主要是碳水化合物，它是土壤有机碳的最 初来源：
§10 土壤元素的生物地球化学循环
§10-2 土壤氮的生物地球化学循环 一、土壤氮循环
(一)土壤中氮的形态
1.无机态氮 铵(NH4+)、硝态氮(NO3-)、亚硝态氮(NO2-)、分子态氮(N2)、氧化亚氮
(N20)和一氧化氮(N0)。 就土壤肥力而言，主要以NH4+和N03-两种形态的氮最为重要，占土壤全氮
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五、土壤碳酸盐转化与平衡过程
决定土壤中碳酸盐淋溶与淀积的关键：CO2— H20体系平衡(即C02／HCO3-／C032-)。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
六、土壤碳循环与全球气候变化
(一)土壤碳循环与大气CO2浓度 如果没有土壤呼吸(包括土壤生
物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)产 生C02补充大气，大气中的C02在15年 内将被耗尽。可见，土壤有机碳库对 大气碳库C02浓度的影响很大。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
(三)土壤氮的内循环
氮经由矿化过程和生物固定过程从无机态变为有机态，又从有机态变为无 机态，是土壤氮的内循环最主要的特征。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
二、大气氮的沉降
第十章 土壤元素的生物地球化 学循环
§10 土壤元素的生物地球化学循环
土壤元素的生物地球化学循环是 “土壤圈”物质循环的重要组成部分。
土壤中化学元素以能量传递为驱动力， 沿着土壤-生物-大气进行物质循环传递的过 程(主要过程界定为:土壤-植物-大气)称为
土壤元素的生物地球化学循环。
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十、土壤反硝化损失
2NO3- → 2NO2- → 2NO → N2O → N2
十一、土壤中氮损失的环境效应
土壤氮损失对环境的影响： ①径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响； ②气态损失对大气的污染； ③硝酸盐累积对农产品(如蔬菜)的污染。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环 十二、土壤氮的调控
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
三、土壤呼吸作用
在断断分从从压土大梯壤气度中向的向土作大壤用气 空下扩 气，散 扩驱， 散使。同C土时O2壤气使的体O这分2分种子子从不不 CO2
O2
大用气，中称吸为收土壤O2，呼同吸时。排出CO2的气体扩散作
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
四、土壤碳的固定
土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最 大碳汇，也是温室气体的主要碳源。土壤的 巨大碳容量和天然固碳作用，能最有效地减 缓碳释放。
关键：植树造林，扩大绿色植物在地面 的覆盖率，促进光合作用和减少呼吸作用， 延长有机碳在土壤中的存留时间。
(一)利用有机物质C/N比值与土壤有效氮的相互关系
土壤氮的纯矿化量与有机物质本身的碳氮比(C/N)有关(C为能源)。
氮的来源除由有机物质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态氮或硝态
八、土壤氨的挥发
三、土壤钾的释放
九、土壤硝酸盐淋失
四、土壤钾的损失
十、土壤反硝化损失
五、土壤钾的控制与管理
十一、土壤中氮损失的环境效应
§10-6 土壤微量元素的生物地球化学循环
十二、土壤氮的调控
一、土壤微量元素的循环
§10-3 土壤磷的生物地球化学循环
二、土壤微量元素的吸附与解吸固定
一、土壤磷循环
三、土壤微量元素的沉淀与溶解
学习目标
掌握有关“土壤碳的生物地球化学循环”、 “土壤氮的生物地球化学循环”、“土壤磷的 生物地球化学循环”、“土壤硫的生物地球化 学循环”、“土壤钾的生物地球化学循环”、 “土壤微量元素的生物地球化学循环”的重要 概念和基本原理；了解土壤磷的控制机制和影 响土壤钾固定的因素。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
若土壤pH接近或低于6时，NH3被质子化，几乎全部以NH4+形式存在；在 pH=7时，NH3约占6％；pH为9.2～9.3时，NH3和NH4+约各占一半。
氨的挥发还与土壤性质、施用化肥种类和纯化学反应等因素有关。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
九、土壤硝酸盐淋失
硝酸盐带负电荷，又极易溶于水，是最易被淋洗的氮形式，随着渗漏水 的增加，硝酸盐的淋失增大。自然条件下，硝态氮的淋失取决于土壤、气候、 施肥和栽培管理等条件。
不同土壤对NH4+的固定能力不同： 1.土壤黏粒矿物类型
(2:1型)---蛭石对NH4+的固定能力最强，其次是水云母，蒙脱石较小； (1:1型)---高岭石黏粒矿物，基本上不固定铵。 2.土壤质地 3.土壤中钾的状态 4.铵的浓度 5.水分条件 6.土壤pH
八、土壤氨的挥发
氨挥发易发生在石灰性土壤上。
六、土壤无机氮的生物固定
土壤无机氮的生物固定：矿化作用生成的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基 态氮(一NH2)，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分(与土壤 有机氮的矿化是土壤中两个不断同时进行但方向相反的过程)。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
七、土壤铵离子的矿物固定
(氨化作用)：
1.在充分通气条件下 RCHNH2C00H+02 → RC00H+NH3+CO2能量
2.在嫌气条件下
RCHNH2C00H+2H → RCH2C00H+NH3+能量
或 RCHNH2C00H+2H → RCH3+NH3+CO2+能量
3.水解作用
酶
RCHNH2COOH+H20 → RCH20H+NH3+C02+能量
(二)陆地生态系统中的氮循环
陆地生态系统中的氮循环：氮以不同形态存在于大气圈、岩石圈、 生物圈和水圈，并在各圈层之间相互转换。
陆地生态系统氮素循环由两个重叠循环构成：一是大气层的气态 氮循环，氮的最大储存库是大气，整个氮循环的通道多与大气直接相 连，几乎所有的气态氮对大多数高等植物无效，只有若干种微生物及 少数与这些微生物共生的植物可以固定大气中的氮素，使它转化成为 生物圈中的有效氮；另一个是土壤氮的内循环，即在土壤植物系统中, 氮在生物体、微生物体、土壤有机质和土壤矿物中的转化和迁移，包 括有机氮的矿化和无机氮的生物固定(持)作用、黏土对铵的固定和释 放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用。
但是气候变暖，影响粮食安全的气象 灾害（干旱、洪涝、冻害等）和病虫 害也越来越频繁，针对气候变化和可 能带来的不利影响，研究农业灾害预 警及风险评估技术，建立现代防灾减
灾体系是当务之急。
粮食安全 就是能确保所有的人在任何时候既买得
到又买得起他们所需的基本食品，这个概 念包括：
1、确保生产足够数量的粮食； 2、最大限度地稳定粮食供应； 3、确保所有需要粮食的人都能获得粮食。
大气层发生的自然雷电现象，可使氮氧化成 NO2 及 NO 等氮氧化 物。
散发在空气中的气态氮(烟道排气、含氮有机质燃烧的废气、由铵 化物挥发出来的气体等)，通过降水的溶解，最后随雨水带入土壤的过
程，称为大气氮的沉降。全球由大气降水进入土壤的氮，每年每公顷
大约2～22kg。
三、大气氮的生物固定
固氮微生物可分为三大类：非共生(自生)、共生和联合固氮菌。其中 自生固氮菌类分为好气性细菌和嫌气性细菌，都需要有机质作为能源；共 生固氮菌类包括根瘤菌和一些放线菌、蓝藻等，以和豆科共生为主，固氮 能力比自生固氮菌大得多；联合固氮菌类是指某些固氮微生物与植物根系 有密切关系，有一定的专一性，均有较强的亲和性，能进行联合固氮。
三、土壤有机硫的矿化
一、土壤氮循环
四、土壤无机硫的生物固定
二、大气氮的沉降
五、硫的氧化和还原
三、大气氮的生物固定
六、硫的吸附和解吸
四、土壤有机氮的矿化
七、土壤硫的调控和管理
五、土壤铵的硝化
§10-5 土壤钾的生物地球化学循环
六、土壤无机氮的生物固定
一、土壤钾的循环
七、土壤铵离子的矿物固定
二、土壤钾的固定
的2％～5％。
2.有机态氮 土壤有机态氮一般占土壤全氮的92％～98％。 有机氮：胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸(即蛋白质)、
游离态氨基酸、氨基糖、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合 体(胺和木质素反应的产物、醌和氮化合物的聚合物、糖与胺的缩合产物等)。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
典型的再循环过程：
①植物从土壤中吸收营养元素； ②植物的残体归还土壤； ③土壤微生物分解植物残体，释放营养元素； ④营养元素再次被植物吸收。
土壤元素循环: 在生物参与下，营养元素从土 壤到植物，再从植物回到土壤的循环，是一个 复杂的生物地球化学过程。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环 四、土壤有机氮的矿化
矿化过程主要分两个阶段：
第一阶段，先把复杂的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过
微生物酶的系列作用，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称为氨基化阶段(氨基化作
用) ：蛋白质→RCHNH2COOH(或RNH2)+C02+中间产物+能量 第二阶段，在微生物作用下，把各种简单的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段
酶
或 RCHNH2COOH+H2O → RCHOHC00H+NH3+能量
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
五、土壤铵的硝化
有机氮矿化释放的氨在土壤中转化为NH4+，部分被带负电荷的土壤黏粒表面 和有机质表面功能基吸附，另一部分被植物直接吸收。最后，土壤中大部分铵 离子通过微生物的作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐：
(二)土壤碳循环与大气中CH4浓度 大气中每年有386×1012g C的CH4被氧化为C02；每年土壤净损失和大气净积累的
CH4为23×1012g–28×1012g C。 湿地中90％的CH4在回到大气之前被氧化成C02。
(三)CH4和CO2对大气碳库环境的综合影响
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全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均土 壤有机碳储量为每平方公里15339吨，土壤平均碳 密度为48.8吨/公顷，低于美国的50.3吨/公顷、 欧盟的70.8吨/公顷。
国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小 环说，我国承诺到2020年，将在目前基础上碳强 度减排40%—45%。由于森林面积有限，耕地需承 担更大的减排任务。