第八章 土壤养分循环

第八章 土壤养分循环 教学目标 1、了解土壤养分的概念及分类 、重点学习土壤氮、磷、钾的养分形态、转化过程及调控。 2 3、了解影响土壤养分含量及有效性的各种因素 4、了解土壤微量元素种类、含量及微肥的作用。 土壤养分的基本概念 , 土壤养分,指植物所必需的，主要是土壤来提供的营养元素就叫做土壤养分。土壤养分是土壤肥力的物质基础，是土壤肥力的重要组成因素。 , 有效养分,能够直接或经过转化被植物吸收利用的土壤养分 , 速效养分,在作物生长季节内，能够直接、迅速为植物吸收利用的土壤养分，称~ , 无效养分,不能被植物吸收利用的土壤养分，称~ , 土壤养分状况,是指土壤养分的含量、组成、形态分布和有效性的高低。 土壤养分循环 指来自土壤的元素通常可以反复的再循环和利用,典型的再循环过程。包括 ?生物从土壤中吸收养分; ?生物的残体归还土壤; ?在土壤微生物的作用下，分解生物残体，释放养分; ?养分再次被生物吸收。 大量元素和微量元素 这是路密斯(Loomis)和许尔(Shull)于1973年首先使用的名称。按习惯标准: 大量元素:植物对这种元素的需要量超过1ppm。前九种属之。 前九个占干体重的绝大多数，即植物吸收的数量大，通常占植物干重千分几到百分之几十。 微量元素:植物对这种元素的需要量小于1ppm。通常其总量小于植物干重的0.1%。 土壤养分三要素 在植物所必需的营养元素中，C、H、O大约占植株干重的95%。碳主要来自与大气中的二氧化碳，而H、O则来自与土壤中的水分，氧可来自空气。氮则除豆科作物外大部分取源于土壤。氮磷钾三要素，简称土壤养分三要素。其所以重要就在于必需经常调节其供不应求的状况，而不是指它们在作物营养中所起的作用。 第一节 土壤氮素循环 一、土壤氮素含量及其影响因素 (一)含量和来源 1(含量 我国耕地土壤含氮一般在0.02%~0.2%之间;高于0.2%的很少，而华北、西北大部分地区土壤耕层含氮量不足0.1%;南方土壤的介于二者之间。 一般把土壤含氮量>0.2%者为“高”;0.2%~0.1%之间者为“中”;0.1%~0.05%者为“低”，< 0.05%者为“极低”。作物在不施氮区全年生长期所吸收的氮量为土壤供氮能力的指标。 2(来源 土壤中的氮素并非来源于土壤矿物质。作物所吸收的氮素多来自土壤有机质的矿化。而土壤有机质的氮从根本上说，是由生物固氮作用产生的。 固氮作用主要是靠微生物，固氮微生物分共生和自生两类。 (1)与豆科作物共生的固氮菌，固氮能力很强。10~20斤/亩 (2)自生固氮菌，有分为好气和嫌气两类。 好气性固氮能力强，在热带林地，可达10~30斤/亩 对与农田来说，施用的化肥和有机肥是土壤氮素的主要来源，特别是化肥，虽然施的数量不多，但几乎都是作物能够立即吸收的速效形态。 对于农田来说，土壤氮素的来源不止以上两种途径，包括: (1)固氮作用;自生固氮 、共生固氮和联合固氮 (2)降水; (3)灌水; (4)施肥; ? 有机肥; ? 无机化肥;它们是土壤氮肥的主要来源。 (二)影响因素 1(植被与气候 在相似的气候条件下，不同的植被所积累的腐殖质以及腐殖质中的含氮量都是不同的。一般: 草本植物 , 木本植物 草本植物:豆科, 非豆科 木本植物:阔叶林,针叶林 落叶林,常绿林 不同气候对土壤有机质合成与分解起决定作用的主要是温度与湿度;一般而言: , 温度愈高，有机质分解愈快，OM含量低，N少; , 湿度愈高，有机质分解愈慢，OM积累的多，N多。 2(土壤有机质含量 土壤氮素和土壤有机质(或土壤腐殖质)含量有密切的关系，二者呈正相关关系。土壤氮素的含量大致占土壤有 机质含量的5%左右。 3(质地 质地 砂性土 壤性土 粘性土 N% 低 ———————?高 4(地形及地势 二、土壤氮素的存在形态 1(有机态氮占全氮的92~98%。有机氮的矿化率只有3~6%。 (1)可溶性有机氮 < 5%，主要为: 游离氨基酸、胺盐、(速 效 氮及酰胺类化合物 (2)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 (3)非水解性有机氮30~50%，主要可能是杂环态氮、缩胺类 2(无机态氮 土壤中的无机氮的数量很少，表土中占全氮 1~2%(1~50ppm)。最多不超过5~8%; (1)铵态氮(NH4)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。 (2)硝态氮(NO3-N)易流失，不宜在水田施用。在土壤主要以游离态存在。 (3)亚硝态氮(NO2-N)主要在嫌气性条件下才有可能存在，而且数量也极少。在土壤里主要以游离态存在。 3(游离态氮(N2) 三、 土中氮素的转化 (一)土壤氮素的有效化过程 1(有机态氮的矿化过程 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。 (1)水解过程 水解 水解 蛋白质 ——? 多肽——? 氨基酸、酰胺等 朊酶 肽酶 条件:? 好气或嫌气; ? 真菌、细菌、放线菌等; ? 在通气良好;温度较高; ? 水分60~70%; ? pH值适中; ?C/N比适当。 (2)氨化过程 氨化微生物 RCHNHCOOH + O——?RCHCOOH + NH + E 2223 酶 条件: ? 好气或嫌气; ? 真菌、细菌、放线菌等; ? 在通气良好; ? 温度较高且特别敏感; ? 水分60~70%; ? pH值要求在4.8~5.2 ? C/N比适当的条件下，矿化作用最强烈，最彻底。 2(硝化过程 氨、胺、酰胺 ?硝态氮化合物 (1)亚硝化作用 亚硝化微生物2HN4 + 3O2———?2NO2- + 2H2O +4H++158千卡以(Nitrosonas为主)条件:亚硝化细菌(专性自养型微生物);通气良好 O2< 5%pH 5.5 - 10 (7-9), < 4.5 受抑制～水分:50~60% 温度:35?, 2? 养分:Cu，Mo等促进硝化作用的进行。缺钙，不利。 (2)硝化作用 硝化微生物2NO2- + O2——?2NO3- + 40千卡以(Nitrobacter为主)条件:硝化细菌(以Nitrobacter为主)其它同上在通气良好的条件下，硝化作用的速率,亚硝化作用,铵化作用，因此，在正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态氮及氨的积累。反硝化作用的条件是 1)具反硝化能力的细菌，反硝化细菌现已知有33个属，多数异养型，也有几种是化学自养型，但在多数农田都不重要; 2)合适的电子供体，如有机C化合物、还原性硫化合物或分子态氢;有效态碳的影响最大; 3)厌氧条件，与田间持水量大小密切相关;嫌气状态 O < 5%或土壤溶液中 [O] < 4 ， 10-6MEh < 22344mv (pH = 5时) 4)有硝态氮存在 5)pH 7 - 8.2 pH < 5.2 - 5.8 或 pH > 8.2 - 9时，反硝化作用减弱。 植物根系在以下几个方面影响反硝化作用 1)为反硝化细菌提供所需的有机物质作为NO-的电子 供体; 3 2)通过消耗O2产生厌氧环境; 3)通过吸收，减少NO3-积累; 4)增加水生植物根际的氧气供应。 2(化学脱氮过程 主要是指在一些特殊的情况下，如强酸反应，温度较高和水分含量很低等，亚硝酸协与一些其他化 合物(包括有机化合物)进行化学反应而生成分子态氮或氧化亚氮的过程 (1)亚硝酸分解反应 3HNO2 , HNO3 + 2NO , + H2O条件:酸性愈强，分解愈快。 (2)氨态氮的挥发 在碱性条件下， NH4+ + OH- , NH3 , + H2O土壤中的铵态氮在碱性条件下，很容易以NH3的形式直接从土壤表面损失掉。 3(粘粒矿物对铵的固定 铵态氮离子直径与2?1粘粒矿物晶架表面孔穴大小相近，所以它容易陷入晶穴变成固定态铵，因而暂时失去有效性(铵态氮的晶穴固定)。干湿交替有助于铵的晶穴固定，但有时也能促进固定铵的释放。 我国北方的土壤中，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。 4(生物固定 5、氮素的淋洗 四、土壤氮素的调控 土壤氮素调控是指人为活动的调节管理，即通过科学合理施肥、耕作、灌溉等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，发挥土壤氮素的潜在作物营养功能，以满足作物高产、高效和优质的需要。 氮素纯矿化量等于有机氮的矿化量与矿质氮固定量之差。 (一)C/N比影响如有机质C/N比值大于30:1，则在其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供氮的效果，反而有可能使植物的缺氮现象更为严重。如有机质的C/N比值小于15:1时,在其矿化作用一开始,它所提供的有效氮量就会超过微生物同化量,使植物有可能从有机质矿化过程中获得有效氮的供应。 (二)施肥的影响 施用新鲜有机物质如桔秆、绿肥等，能激发土壤原来有机质,,腐殖质的分解，这称为激发效应(又称起爆效应) 施用矿质氮肥也能促进原来土壤有机氮的分解、释放，也称为激发效应(起爆效应) (三)淹水、灌溉的影响 1、在水田剖面的不同层次上，氮素的形态不同; 2、在水田中无机氮素以铵态氮为主; 3、反硝化作用明显; 第二节 土壤磷和硫的循环 (一)土壤中磷素的来源 土壤中的磷是由岩石风化而来的。故土壤磷的多少与成土母质的矿物成分有关。原生矿物的含磷量为0.12%左右。 (二)土壤磷的含量及影响因素 1(土壤磷的含量 一般来说，土壤中的磷的含量比氮高，除黑土、栗钙土以外，大部分土壤含量都在0.2%以下，最低的如南方的红壤、黄壤只有0.04%。总体来说，自北而南，土壤磷的含量是逐渐降低。我国土壤全磷含量在0.02%—0.11%之间。 2(影响土壤磷含量的因素 (1)母质中矿物成分的不同; 基性岩 , 酸性岩 碱性沉积体,酸性沉积体 (2)土壤质地的差别 土壤细粒部分所含的磷主要是次生的磷化合物。 (3)P在土壤剖面上的分布 从上到下，磷的含量逐渐降低。原因 ? 磷的迁移率很低; ? 植物根系的富积; ? 有机胶体或无机胶体对磷酸根的吸附作用，上层较强。 ? 耕作制度和施肥的影响; (三)土壤中磷的存在形态 土壤磷素可分为两大类:有机态和无机态磷。有机态磷的含量占全磷的10~20%左右。 1(有机磷化合物 主要是植素(肌醇六磷酸)或植酸类，核蛋白或核酸以及磷类化合物。 一般来说，根据磷酸盐的溶解性，可分为: ? 难溶性磷酸盐 如氟磷灰石、羟基磷灰石等存在于石灰性土壤中;粉红磷铁矿和磷铝石在酸性土壤中较多。 ? 易溶性磷酸盐 包括水溶性和弱酸溶性两种。水溶性磷酸盐主要是一价的磷酸盐类，是速效的。土中的有机质分解所产生的碳酸可使弱酸溶性磷酸盐溶解，从而被植物吸收利用。也是有效的。 易溶磷酸盐，一方面来自与化肥，另一方面来自于难溶磷酸盐的溶解。2.无机磷化合物 (四)土壤磷的转化 1(土壤磷的有效化过程 有机态磷和难溶性磷酸盐在一定条件下，转化为植物可以吸收利用的水溶性的磷酸盐或弱酸溶性的磷酸盐的过程是其有效性提高的过程，通常称之为磷的释放。 2(土壤磷的无效化过程 易溶性或速效态磷酸盐转化为难溶性迟效态和缓效态的过程，通常称之为磷的固定。土壤中磷的固定是非常普遍的。 (1)化学沉淀机制 (2)表面反应机制 , 该固磷作用发生在土壤固相的表面。具体可分为: ? 表面交换反应(pH 5.5~6.5)通过土壤固相表面的OH-和溶液中的磷根交换， ? 表面上次生化学反应在土壤CaCO晶核的表面通过化学反应或吸附形成一层CaHPO的膜状沉淀。34也是一种配位体交换反应。形成过程:Ca/P的提高，有效性降低，2~3年。 ? 阳离子吸附机制(中性土壤)磷酸根的有效性降低 (3)闭蓄机制 当磷在土壤中固定为粉红磷铁矿后，若土壤局部的pH升高，可粉红磷铁矿的表面形成一层无定形的氧化铁薄膜，把原有的磷包被起来，这种机制叫闭蓄机制。Fe(OH) PKs = 37~38粉红磷铁矿:PKs 3 = 33~35胶膜有铁铝质的、钙质的。 (4)生物固定 有机质C/P比为200?1~300?1，当微生物的C/P比小于土壤有机质时，就可产生生物固定。当土壤中的磷太少时，对磷素、微生物和作物就会发生竞争。 特点:? 表聚性;? 暂时无效;? 把无机磷 ? 有机磷。 (五)土壤磷的调节 1、活性磷和磷的固定 只有那些不溶性磷化合物和保持在粘粒或有机质中的固持态磷才称为固定态的磷，这部分磷占土壤全磷的95%以上，又称为非活性磷。 土壤中可被植物吸收的磷组分称为土壤的有效磷 2、提高土壤磷有效性的途径。 (1)土壤酸碱度 pH6.5-6.8之间为宜，可减少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。 (2)土壤有机质 ?有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位，从而减少了土壤对磷的吸附。 ?有机物分解产生的有机酸和其它螯合剂的作用，将部分固定态磷释放为可溶态。 ?腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附。 ?有机质分解产生的CO2,溶于水形成H2CO3,增加钙、镁、磷酸盐的溶解度。 3、土壤淹水 ?酸生土壤pH上升促使铁、铝形成氢氧化物沉 淀，减少了它们对磷的固定;碱性土壤pH有所下降，能增加磷酸钙的溶解度;反之，若淹水土壤落干，则导致土壤磷的有效性下降。 ?土壤氧化还原电位(Eh)下降，高价铁还原成低价铁,磷酸低铁的溶解度较高，增加了磷的有效度。 ?包被于磷酸表面铁质胶膜还原，提高了闭蓄态磷的有效度。 (六)土壤中硫的循环及转化 土壤硫的输入主要途径有: ?大气无机硫(SO2)的沉降。 ?含硫矿物质和生物有机质 土壤硫的输出:主要是植物吸收和土壤淋洗。 土壤硫转化主要包括: 1、有机硫的矿化和固定 有机质的C/S<300-400，则有利于有机硫的矿化，而C/S>300-400,则就有可能产生生物固硫。 2、矿物质的吸附和解吸 在富含铁、铝氧化物和水化氧化物、水铝英石及1:1型粘粒矿物为主的土壤，硫酸根(SO42-)有可能被带正电荷的土壤胶体所吸附,但吸附的SO42-容易被其它阴离子交换。 3、硫化物和元素硫的氧化 土壤Eh和pH值是影响硫化物氧化的重要因素。 FeS? FeS + S (10.20) 2 2FeS + 2HO +90?FeO + 2HSO (10.21) 22324 2S + 3O + 2HO?2HSO (10.22) 2224 ˉˉ24S + 2O?SO (10.23) 24 第三节 土壤中的钾钙镁 一、土壤中钾的形态和含量 (一)土壤钾素的来源 土壤钾的来源于岩石的风化。在地壳岩石中，钾的含量比磷高得多，整个岩石界含钾量平均为2.45%。因此在氮、磷、外三要素中，钾在土 壤中的含量最高。 (二)钾素的形态 1、矿物钾 土壤矿物中的钾一般称为结构钾，占全钾量的92-98%。钾长石 (KAlSiO)含钾7.5,12.5% 微38 斜长石(CaI , Na , KAlSiO)含钾7.0-11.5%， 38 2、非交换态钾 又称缓效钾，是指存在于膨胀性粘土矿物层间和边缘上的一部分钾。占全钾量的2-8%。白云母(K(AlSiO)Al(OHF))含钾量6.5,9.0%， 38222 3、非交换态钾 又称缓效钾，是指存在于膨胀性粘土矿物层间和边缘上的一部分钾。占全钾量的2-8%。 4、交换态钾 指吸附在土壤胶体表面的钾离子。在土壤中的含量一般为40-600mg/kg，占土壤全钾量的1-2%。 5、水溶性钾(溶液钾) 指以离子形态存在于土壤溶液中的钾。浓度一般为2-5mg/L.土壤全钾量一般在5-25g/kg，平均为10g/kg。 (三)土壤钾的含量及影响因素 1(钾的含量 土壤中钾含量远远超过氮、磷，大体不超3%(KO)。我国自南向北含钾量是逐渐增加的。如华南2 地区，其平均水平 < 0.3%，红黄壤地区为1.2%，长江中下游地区的水稻土地区可达1.7%;北方的土壤一般> 2%，东北、内蒙的黑土可达2.6%。这主要是和地区的风化、成土条件不同有关。 2(影响钾含量的因素 (1)母质 富钾矿物:? 长石类:正长石、钾微斜长石等，含钾量约在7- 12%之间。?云母类:白云母、黑云母含钾量约在 5- 9%之间。? 次生粘粒矿物:水化云母(伊利石类)绿泥石等四川的紫色土含钾较丰富 (2)风化及成土条件 北方 , 南方高温、多雨而淋溶强度大，K。 (3)质地 粒径越小，含K越多;质地越粘，含K越多。 (四)土壤钾的转化 1(钾的有效化 (1)矿物风化在土壤风化和成土过程中所产生的各种有机或无机酸可以把含钾矿物中的钾释放出来。所释放的钾都是水溶性的速效钾。 (2)微生物分解一些微生物可以将铝硅酸盐分解，从而将其中的钾释放出来。如硅酸盐细菌。 (3)缓效钾的释放 2(土壤中钾的无效过程,钾的固定钾的固定是指代换性钾转化为缓效钾的过程。 (1)钾固定的机制 在土壤条件变化时，如干湿交替、冻融交替、灼烧等，被土壤吸附在晶层表面的代换性钾就会掉进晶穴里，当晶层间距变小，钾离子便被封闭在里面，伊利石、拜来石、蒙脱石等，它们都属2?1型矿物，但前二者比后者固钾能力更强。(2)影响钾固定的因素有粘粒矿物组成、结构，水分;土壤反应，农业措施。 第四节 土壤中的微量元素循环 一、土壤中微量元素的来源 土壤中微量元素主要来自岩石和矿物，母质不同的土壤，微量元素种类和含量不同。 元素之间存在着相亲与伴生。植物必需的微量元素有铁、锰、铜、锌、硼、钼和氯 二、土壤中微量元素的形态 (4级或6级) (一)水溶态 (二)交换态 (三)专性吸附态 (四)有机态 (五)铁、锰氧化物包被态 (六)矿物态 三、土壤中微量元素有效性及其影响因素 1、pH以铁为例 2、Eh 3、OM. 4、Texture 5、耕作管理 第五节 土壤养分平衡及有效性 一、土壤中养分向植物根的移动 1、截获 2、质流 NO3-、Cl-，在土壤中不易为土壤吸附，质流则是移 动重要方式。 3、扩散 磷、钾一般以扩散输送为主。 二、土壤溶液中养分的补给 土壤溶液是植物营养的“瓶颈” 。在研究植物养分的有效性中，提出了养分的强度因素和容量因素指标 。通常以Q/I关系图表示,即当溶液中养分强度改变一个单位,所引起的土壤固相吸附态养分的变化量。用养分的缓冲容量来衡量土壤的供肥特性。磷的吸附在相同的温度下，土壤吸附的磷酸根的量与溶液中的磷酸根的浓度有关。当磷的浓度高于平衡浓度时，磷被吸附;反之被解吸。养分的能量概念 在恒温恒压条件下，某一组分的浓度或活度是决定这一组分自由能变化的主要因素。在常温常压下，理想溶液中某一组分的化学位就是它的浓度的函数，其关系式为: 0 ,,,，RTlnCiii 养分位是把养分的有效性和化学位联系起来，即用化学位来衡量养分的有效度，称为养分位。可用不同数学处理得出的各种养分的养分位。 2,02， UCa(HPO),UCa(HPO)，(0.5PCa，pHPO)242242243 本章小结 一、名词解释 1.土壤养分 2. 大量元素 3. 微量元素 4、交换态钾 5. 有效养分 6. 养分位 7 闲蓄态磷 8. 缓效态养分 9. 氨化作用 10. 反硝化作用 复习题 1、土壤养分有哪些类型,各有何特点, 2、土壤中的氮磷钾各有哪些形态,如何转化, 3、铵的固定作用是什么,铵态氮和硝态氮在性质上有何区别?二者在土壤中的行为有何异同? 4、磷的固定机制有哪些,如何提高磷肥的利用率?应采取哪些具体措施? 5、钾的固定与释放过程怎样进行，如何提高其有效性, ，6、施用NH态氮肥时为什么要强调深施覆土和集中施用? ,