氮循环

40
50
60
Incubation days
20
QF2: Linear 林地土壤，加 NH4+抑制NO3-产生
20
ST2: First-order and no change 茶园土壤，加 NH4+使硝化作用消失
NO3 con. (mg N/kg)
0 10 20 30 Incubation days 40 50 60
60 50 a
有效磷(mg kg-1)
40 30 20 10 0 F B T U R c c c b
报告内容
引言 湿润亚热带土壤硝化作用特点 湿润亚热带土壤反硝化作用特点
NO3- content (mg N/kg)
250 200 150 100 50 0 0 10 Incubation day 20 30 SR2 SU1 SF2
土壤类型: Ultisols, Oxisols (USA系统)；铁铝土 和富铁土（中国系统） 土壤呈酸性(绝大部分自然土壤pH: 4.0-5.5) 土壤表面带正电荷，当pH很低时，带净正电荷 高度风化和氧化，富含Fe、Mn、Al 氮相对饱和，其它必需营养元素缺乏，特别缺磷 ……
土壤中氮转化过程
NH3
3. 种植水稻促进反硝化作用
源自文库
Denitrification rate (mg N/kg/d)
25 a 20 15 10 5 0 Forest Upland Rice Land use Tea Brush b b b b
反硝化势 与土壤全氮 (a)或有机碳 (b)具有显著相关性 与pH无显著相关性
120
pH pH
B
F
R
T
U
硝化率 (%) (%) ratio Nitrate
100 80 60 40 20 0
灌丛
B
林地
F
稻田
R
茶园
T
旱地
U
长期试验中施氮肥土壤的硝化作用显著提高
1400 b 1200 1000 800 600 400 a 200 0 CK NK NP PK NPK a b b
24
120
pH pH
B
F
R
T
U
硝化率 (%) (%) ratio Nitrate
100 80 60 40 20 0
灌丛
B
林地
F
稻田
R
茶园
T
旱地
U
土壤硝化速率与土壤矿化速率、pH的关系
不加 NH4+
加 NH4+
农业利用促进硝化作用的原因： 2. 长期施用氮肥促进硝化微生物生长
5.3 5.2 5.1 5.0 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3
V M N
NxOy
N2
DN
Org-N
NH4
+
DNRA
NO3Uptake
Uptake
R
Plant R-M
Ia In
H
Microbe
淋溶、径流
问题：农业利用对硝化作用的促进作用破坏土壤保氮机制， 增加硝态氮淋溶
农业利用促进硝化作用的原因： 1. 施用石灰提高pH
5.3 5.2 5.1 5.0 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3
湿润亚热带地区土壤氮循环特点
蔡祖聪
中国科学院南京土壤研究所
zccai@issas.ac.cn
报告内容
引言 湿润亚热带土壤硝化作用特点 湿润亚热带土壤反硝化作用特点
Matson et al., 1999, Biogeochemistry, 46, 67-83
我国亚热带地区红壤分布区
我国湿润亚热带地区的土壤特点
250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60
With NH4+ amendment No NH4+ amendment
140 120 100 80 60 40 20 0 0
+ QR1:NH Exponential 稻田土壤，加 4 不影响NO3 产生
10
20
30 Incubation days
650
700
750
Eh (mV)
培养开始前测定的土壤Eh与氧化容量之间的关系
750 700 650 600 550 500 450 400 0 0 0 0 0
-1
a
Redox Potential (mV)
y = 677.45x + 426.54 R = 0.7892
2
0
0
Soil oxidation capacity (mols kg )
亚热带湿润土壤氮转化需要回答的问题 • 氮去向及其环境效应
N2
R-N NH4+
N2O
NH2OH NO2NO3-
N2
N 2O
NO
Thank you
40
45
50
Latitude (o)
培养开始前测定的土壤Eh与反硝化势之间的关系
0.16 0.14
-1 -1 h ) Rate (mg N kg
y = -0.0008x + 0.5231 R2 = 0.9538
0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 400 450 500 550 600
模式 N=A+Bt N=Aekt
N=A+B(1- ekt)
样本个数
不加NH4+ 6 19
19
加NH4+ 19 11
10
无硝化能力
1
5
问题：土壤硝化势是否有统一的表达方式？
特点III. 农业利用显著促进硝化作用
利用方式 林地 灌丛 稻田 茶园 旱地 硝化率 (%)
0天
7.8 9.3 21.2 28.5 80.5
1. 呈多种时间变化模式
100
83 61 56 56 45 20
2. 整体上反硝化势很弱 厌氧培养28天后，NO3-N残留 量频率分布(45样本，加入量 200 mg kg-1 KNO3-N)
Frequency (%)
80 60 40 20 0 >2 >10 >25 >50 >100 >150 >200 Remained NO3- content (mg N kg-1) 2
在江西采集的18个林地和灌丛土壤中，13个样本（78%） 的硝化速率小于矿化速率 问题：测定土壤硝化势是否需要先加NH4+？
特点II. 硝态氮含量随时间的变化模式多样
300
GU1: First-order 旱地土壤，加 NH4+促进NO3-产生
NO3 con.(mg N/kg)
NO3 con. (mg N/kg)
NO 3 con. (mg N/kg)
15 10 5 0
15 10 5 0 0 10 20 30 Incubation days 40 50 60
60%最大持水量、 30C、加NH4+(250 mg N/kg)或不加NH4+条件下 培养时，土壤中 NO3- 含量变化
江西45个样本培养过程中NO3-含量随时的变化模式
35 天
32.0 25.5 51.7 70.8 97.4
56 天
44.2 35.2 69.1 75.7 97.3
P
LSD
<0.01
9.34
<0.01
25.03
<0.01
23.40
土壤中保氮机制： •干旱区，土壤碱性，硝化作用强，避免氨挥发 •湿润区，土壤酸性，硝化作用弱，避免硝态氮淋溶、径流损失
NH3
V M N DNRA
Uptake Uptake
NxOy
N2
DN
Org-N
R
NH4+
NO3Plant
R-M H
Ia
In
Microbe
淋溶、径流
土壤中氮转化的三个关键过程：
矿化（M）、硝化（N）和反硝化（DN）
报告内容
引言 湿润亚热带土壤硝化作用特点 湿润亚热带土壤反硝化作用特点
特点I. 大部分自然土壤硝化作用处于基质饱和状态
+抑制NO -产生 Linear 林地土壤，加QF2: NH4 3
20
NO 3 con. (mg N/kg)
15 10 5
不加NH4+
加NH4+
0 0 10 20 30 Incubation days 40 50 60
60%最大持水量、 30C、 加NH4+(250 mg N/kg)或 不加NH4+条件下培养时， 土壤中 NO3- 含量变化
森林土壤反硝化势的地带性变化
0.16
-1 -1 h ) Average rate (mg N kg
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 15 20 25 30
pH=4.9 c pH=4.6
a a b
pH=4.1 pH=7.9
a
a
pH=5.5
pH=5.0
35
Nitrification potential -1 -1 硝化潜势 kg N h 24 (mg (mg N/kg/ h) )
(Zhong et al., 2007. Pedosphere)
农业利用促进硝化作用的原因： 3. 改善磷素营养状况
120
Nitrate ratio (%)
100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 AV-P (mg kg-1)