土壤氮的生物化学循环

2、土壤氮素转化与土壤微生物
2.2 硝化作用与土壤生物
亚硝化细菌 硝化细菌
NH4+
NO2-
氨单加氧酶、羟氨氧化还原酶
亚硝酸氧化酶
NO3-
(1)：NH3+O2+2H++2e ————→ NH2OH+H2O (2)：NH2OH+H2O+1/2O2 ———→NO2+2H2O+H+ (1)+(2)：NH3+3/2O2 ————→NO2-+ H+ + H2O △G0`= -287KJ NO2- + 1/2O2 ——→NO3△G0`= -76KJ
温室气体的监测及总量估算
1）监测方法
• • • • • 封闭式箱法及开放式箱法(自动与人工) 超大箱法 微气象学方法（即涡动相关测量法） 逆向轨迹反演法(源--浓度--大气扩散/过程) …… 总的来说，增加大气物理、大气化学方面的技 术与方法，是提高监测手段的关键。
Closed Chamber Method
土壤微生物量氮与土壤酶
土壤微生物量氮含量反映土壤肥力状况及土壤的供氮 能力； 土壤矿化潜力？ 土壤微生物量氮：土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶 活性及速效养分相关。。。
4. 土壤微生物生物量氮的转化与研究方法
土壤微生物量N是土壤N素转化的重要环节，也是土壤有 效氮活性库的主要部分。 土壤微生物对无机氮的生物固定是一种“保肥”机制。 土壤微生物生物量N(简称“土壤微生物量N”)：土壤中体积 <5000μm3活的和死的微生物体内N的总和，其化学组成大部 分是蛋白质和多肽类物质，C/N值一般为5~6。 国外已有资料表明，土壤微生物量N含量一般为20~ 200mg/kg，占土壤全N 的3 ~6% 土壤微生物体氮的矿化速率远高于土壤氮的平均矿化 率，其半衰期为4~6个月 。
主要内容
1. 土壤氮素的生物化学过程与循环特征 2. 土壤氮素转化与土壤微生物 3. 土壤氮素转化与土壤酶 4. 土壤微生物生物量氮的转化与研究方法 5. 土壤硝化反硝化过程与N2O排放
1、土壤氮素的生物化学过程与循环特征
生物固氮 无机氮的植物同化 无机氮微生物固持 有机氮矿化 土壤氮的腐殖化 硝化和反硝化。。。 NH4+-N的吸附/固定 氨挥发 降水/降尘 淋洗/径流损失。。。 氮肥高效利用，环境保护 N素平衡
• 农业生态系统N2O排放：始于20世纪70年代早期 （Johnston, 1972; Crutzen, 1974），包括农业生 态系统N2O排放的观测、总量的估算以及减排技术。
温室气体的主要排放源
CO2：燃煤、有机物燃烧（秸杆焚烧）； CH4：湿地（水田、海洋）、反刍动物； NxOy：农田、森林、草地、海洋； CxFyClz：制冷剂。
CO2 （ppmv） ～280 358 1.5 (0.4 %) 50 - 200 1 50 % (55 %)*
CH4 (ppbv) ～700 1720 10 (0.6 %) 12 58 20 % (15 %)*
N2O (ppbv) ～275 312 0.8 (0.25 %) 120 280 5-7% (5 %)*
硝酸盐溶解性强，易随水流失。硝态氮肥料的利用率<40％，水体富营养化； 饮水中硝态氮的含量应低10mgNO3-N/L； 植物体内会积累过多的硝酸盐，易产生NO2中毒。
硝化细菌的类群较单一，抑制它们的活性较容易。硝化抑制剂
2、土壤氮素转化与土壤微生物
2.3 反硝化作用与微生物 NR NiR ? N2OR NO3- ←→NO2- ⎯→(NHO)2 or NO⎯→N2O ⎯→N2 k1 k2 k3 NH2OH
3、土壤氮素转化与土壤酶
2.4 生物固氮作用
共生固氮、内生固氮、联合固氮、自生固氮。。。 固氮微生物是一个庞杂的类群: 细菌和放线菌
旱地生物固氮量：15 kgN/hm2/y 水田生物固氮量： 45 kgN/hm2/y
3、土壤氮素转化与土壤酶
土壤全氮与土壤酶
土壤全氮：与蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶呈显著相关，而与 蛋白酶关系最为密切； 土壤氮、钾养分有效性：土壤过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化 酶活性。。。
土壤氮的生物化学循环
N素：
生命元素特征：植物生长的必需元素，土壤生 产力的重要限制因素。。。 生态环境特征：水体富营养化、温室气体、土 壤养分失衡。。。
营养与环境的双重效应
SCOPE(国际科联环境问题科学委员会) IGBP（国际地圈-生物圈计划）。。。 化肥工业发展以来，人类活动向全球陆地输入 了双倍的氮量，导致全球和区域氮负荷增加
2、土壤氮素转化与土壤微生物
2）尿素和尿酸的氨化
尿素细菌：好气性、兼嫌气性
尿酸 ：细菌
2、土壤氮素转化与土壤微生物
3）几丁质的降解和氨化
几丁质：多分布真菌细胞壁，多缩氨基葡萄糖 几丁寡糖：细菌细胞壁 有些微生物含有几丁质酶，几丁质 氨基葡萄糖和 乙酸，氨基葡萄糖再经脱氨基作用 氨和葡萄糖 细菌：嗜几丁质杆菌、几丁质色杆菌 放线菌
1996/7/5 1997/7/25
17
21
1
5
-50
时间 Time(O'cock)
天Julian days 图2 1996年大豆田N2O排放通量的季节变化 Fig 2 Seasonal variation of N2O flux of soybean fields in 1996
图5 铁丰27大豆田N2O排放通量的日变化 Fig 5 Diurial variation of N2O flux from Tiefeng27 soybean field
2、土壤氮素转化与土壤生物
2.1 含氮有机物的分解 蛋白质的氨化； 尿素和尿酸的氨化； 几丁质的降解和氨化 2.2 土壤硝化作用 2.3 土壤反硝化作用 2.4 生物固氮作用
2、土壤氮素转化与土壤微生物 2.1 含氮有机物的分解
1）蛋白质的氨化
蛋白酶 微生物细胞 蛋白质----------氨基酸---------------体内或体外分解，脱氨基 水解、还原、氧化、水解脱氨并脱羧、还原脱氨并脱羧…… 细菌、真菌和放线菌 氨化细菌：假单胞、芽胞杆、梭菌属、沙雷氏及微球菌属； 真 菌：毛霉、曲霉、根霉、青霉和交链孢霉属； 放 线 菌：好热放线菌与堆肥
NxOy排放的生物化学过程： 反硝化作用
NiR ? N2OR NO3- ←→NO2- ⎯→(NHO)2 or NO⎯→N2O ⎯→N2 k1 k2 k3 NH2OH NH3 NR
温室气体排放过程的研究
硝化作用
亚硝化细菌 硝化细菌
NH4+
NO2-

NH4+-N的氧化过程比矿化作用形成NH4+-N的过程要快得 多。当土壤O2浓度较低，NH4+氧化菌就可以用NO2-作 为电子受体，N2O就产生于此过程。 硝化抑制剂：DCD、AM、MBT、TU、N-Serve、Dwell、 气态C2H2、CHCl3等 脲酶抑制剂：氢醌
温室气体排放过程的研究
4.1 CH4 与NxOy排放的环境条件： • CH4 排放条件要求强烈的厌氧环境， 氧化还原电位Eh<-150 mv; • N2排放条件要求较强烈的厌氧环境， Eh<-80mv; • NxOy为硝化、反硝化作用的产物，硝化为好 氧条件，反硝化为厌氧条件。Eh为120250mv 时，N2O排放速率较大。
温室气体排放过程的研究
4. 土壤微生物生物量氮的转化与研究方法
土壤微生物生物量N的测定：
Jenkinson等1976年提出的氯仿熏蒸培养法； ShenS.M.等提出氯仿熏蒸通气培养法； Brookes P.C等氯仿熏蒸直接提取法 ：在氯仿熏蒸后直接 浸提释放出的N素，以熏蒸与未熏蒸土壤浸提的N素之差 为基础计算土壤微生物N量
温室气体排放过程的研究
CH4 产生的生物化学过程： 微生物：甲烷形成细菌、甲烷氧化细菌
厌气异氧细菌 有机物 脂肪酸类和醇类 甲烷细菌 CH4
2CH3CH2OH+2H2O 2CH3COOH CO2 + 8H+
2CH3COOH + 8H+ 2CH4 + 2CO2 CH4 + 2H2O
温室气体排放过程的研究
类型 有机营养型 含有反硝化细菌菌种的一些属 假单胞菌属、产碱杆菌属、芽胞杆菌属、土壤杆菌属、黄杆菌属、 丙酸杆菌属、芽生杆菌属、盐杆菌属、慢性根瘤菌属 红假单胞菌属 副球菌属、布兰汉氏菌属、奈氏球菌属
NH3
化能无机营养型 硫杆菌属、硫微螺菌属、亚硝化单胞菌属 光能营养型 混合型
2、土壤氮素转化与土壤微生物
250 N2O排放速率 N2O flux （ugN2O-N.h-1.m-2） 200 150 100 50 0
134 148 162 177 192 206 215 232 246 259 270 283 297 311
Tiefeng 27
Liao10
30 N2O 排放速率 N2O flux （ugN2O-N.h-1.m-2） 20 10 0 9 -10 13
2.3 反硝化作用与微生物
影响反硝化作用的环境因素
有机质及NO3-含量的影响 土壤含水量：60％WFPS时反硝化作用开始发生，含水量增加，作用加强 土壤通气状况：Eh值<-150mv 土壤pH：pH6.0以上至微碱性。
土壤有机 质含量 （g/kg） <20 20~50 >50
土壤排水情况和氮素损失百分率 排水极好 20~40 30~90 40~120 排水良好 30~90 40~160 60~200 排水较好 40~140 60~200 100~250 排水较差 60~200 100~250 150~350 排水极差 100~300 150~450 250~550
温室气体排放过程的研究
• 土壤通气状况和土壤含水量。当土壤潮湿且没有被 淹（相当于田间持水量）时，N2O排放量达到最大值。
N2O排放过程的研究
• 易降解的有机物促进微生物活性，减少O2的有效 性，增加了N2O排放； • 土壤pH值影响N2O形成，但它的影响依赖于与其它 因素的协同作用，如Eh值； • 土壤温度。N2O排放与土壤温度直接相关； Conrad et al（1983）根据草地每天N2O排放量与 表土温度间的关系提出两者间的数学关系： N2O排放量 = e-kt + k’，k、k’为常数，T为绝对温度 • 硝化抑制剂、人类活动、植被与覆盖等。
5. 土壤硝化反硝化过程与N2O排放
背景
工业革命
公元800年以来大气的CO2浓度
大气CO2浓度与大气温度的相关关系
CO2、CH4和N2O
主要温室气体 对全球温室效应贡献
CO 2 50%
其他 29% N2O 5-7%
CH 4 15%
几种主要温室气体的浓度变化、增温潜势和对全球变暖的贡献
Green-house Gases Pre-industrial concentration Concentration in 1994 Annual increase (per year) Atmospheric lifetime (years) Global warming potential Contribution to global warming
温室气体排放过程的研究
实验室条件下，通过添加硝化抑制剂C2H2、 CHCl3，分别研究硝化速率、反硝化速率。
土壤特性、气候因子和农业活动等因素有关，包括： • 土壤NH4+-N和NO3--N含量。如化学肥料和有机肥的 施用、含N量高作物残茬的留用、豆科作物的种植等 N2O年排放量（kg N ha-1）=1+0.0125×N肥施用量
氮素分布： 高寒区的全氮值较多数温带地区的高，由表层向下层氮 素的含量逐渐降低。 氮素含量范围: 我国农业土壤全氮：0.5~5.0g/kg，多在2g/kg 以下。 土壤氮素形态: 主要有机态（95%以上），有机氮含量影响土壤全氮的 含量及供氮能力。 无机态氮（1~8%），受生物吸收利用、气候条件及农 业技术措施等影响。 植物氮素吸收方式: 选择性，吸收无机氮; 最近研究表明: 有些植物可直接吸收有机氮
Gas sampling pit (50ml syringe)
Transparent organic glass box Water Plastic mulch and wax
2）排放量的估算----加权平均法
单位时间排放量 = ∑(排放强度*排放时间) 为了得到准确排放量的值，需增加监测频率， 以排除日变化或季节变化的影响。