第8章-土壤氮、磷循环与环境效应-环境土壤学(张乃明)

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硝酸盐 还原酶
NO2
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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
N2 O
- 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
其反应导致再固定。针对石灰性土壤磷的分级问题,蒋柏藩
和顾益初( 1989 )把石灰性土壤中 Ca-P 进一步分为 Ca2-P (磷 酸二钙为主)、Ca8-P(磷酸八钙为主)、Ca10-P(磷灰石型) 等三组,仍然保留了闭蓄态磷的概念。其浸提顺序为: 0.25mol/L NaHCO3(pH7.5) Ca2-P 0.5mol/L NH4OAc(pH4.2) Ca8-P 0.5mol/L NH4F(pH8.2) Al-P 0.1mol/L NaOH-0.1mol/L Na2CO3 Fe-P 0.3mol/L 柠檬酸- 1mol/L NaHCO3-Na2S2O4 O-P 0.5mol/L H2SO4 Ca10-P
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一. 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。
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
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三. 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
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土壤氮素的有效化


有机氮的矿化(有机氮水解;氨化)
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二. 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%。
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%,
第七章 土壤氮、磷循环与环境
效应
主要内容
第一节. 土壤中氮素转化与环境质量
第二节. 土壤中磷素的转化与环境质量
第三节. 土壤中氮磷流失控制
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第一节. 土壤中氮素转化与环境质量
• • • • 一. 二. 三. 四. 土壤氮素的含量及其来源 土壤中氮素的形态 土壤中氮素的转化 土壤氮素管理与环境质量
第二步:硝化作用
2NO2+ O2
硝化微生物
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 氮及氨的积累。
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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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
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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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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
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。
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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。
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。
——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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四. 土壤氮素流失与环境质量
氮肥生产效率趋于下降,农业环境污染则趋于加重 保障粮食安全和农产品供应,减少农业环境污染环境 降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率 途径: – 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
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。
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 。
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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,
无机磷可分为矿物态、吸附态和水溶态 3 种。
Soil Solutio n
Plant Residues/Manure s Soil Micro bes Labile Org. P
P
Stable
Organic P
Stable
phospholi pids
Labile. Inorg. Complex P
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
这种磷形态分级方法存在的问题:
1) 由于土壤的非均质性,浸提过程中释放的磷可能被其他组 分所吸附或者与阳离子反应形成难溶性的含磷化合物; 2) 肥料磷与土壤反应的中间产物有很多,而且其溶解性能尚 不清楚; 3) 浸提过程中有一部分释放的磷可能来自于被酸或碱水解的 有机磷; 4) 各种组分中有机磷的植物有效性还不清楚。 5) 该分级方法对石灰性土壤考虑较少,也不适用。
……
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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 ,
Inorg.P
HPO4
1.3 土壤磷的形态分级
无机磷进行形态分级。
无机磷分级
由于鉴定含磷矿物较困难,人们通常采用化学方法将
目前常用的土壤无机磷分级基本上是根据张守敬和 Jackson于1957年提出,后来经过许多研究者修改后的方 法进行。其重要做法是使用不同的浸提剂,以区分不同组 分的磷(表)。 根据这种方法,土壤磷分为磷酸钙镁类化合物、磷酸 铁铝类化合物和闭蓄态的磷。实际上,各组分中或多或少 有一些其他组分的磷混杂在一起,包括有机磷化合物。
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。
磷是植物必需的大量营养元素,但与其它 大量元素相比,土壤磷的含量相对较低,分 布变异也较大。 土壤中含磷化合物种类繁多,各种形态磷 之间的转化过程错综复杂。因此,尽管土壤 中磷的研究工作较多,但是仍然有许多问题 没有弄清楚。
一、土壤磷的含量、形态分级 及其植物有效性
1.1 土壤中磷的含量 地壳中磷的平均含量约为 0.122% ( 按 P 计, 下同)。 一般岩石含磷量变动在 1.0-1.2 g/kg 。 玄武岩发育的土壤全磷含量通常较高,而 花岗岩发育的土壤全磷含量较低。 我国土壤全磷含量一般为 0.022-0.109%, 最低可小于0.004%,高的可达0.175%。 在自然土壤中的全磷含量决定于母质类 型、成土作用和土壤磷的淋失情况,而在 耕作土壤中主要受耕作施肥的影响。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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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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第二节 土壤磷素的转化
与环境质量
本章重要知识点: • • • • • 一、土壤磷的形态及分级 二、土壤磷的吸附机理及其影响因素 三、土壤磷的生物转化及其影响因素 四、土壤供磷能力及其影响因素 五、土壤磷素循环
1.2 土壤磷的形态
1、无机磷
2、有机磷
在大多数土壤中,磷以无机形态为主,主要以 正磷酸盐形式存在,焦磷酸盐的形式很少; 有机形态的磷含量较低,且变幅较大。
1、无机磷
无机磷一般占土壤全磷的50%以上。
无机磷主要以正磷酸盐的形式存在。 2、有机磷 土 壤有机磷化合物主要来自植物,也有相当 部分来自土壤生物,特别是微生物。 绝大部分土壤有机磷以单脂键与土壤腐殖质 结合,已知组分的有机磷化合物主要有 3 类: 植素类、核酸类、磷脂
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