安師大環(huán)境土壤學(xué)課件10土壤養(yǎng)分循環(huán)

10.SoilNutrientCycling10土壤養(yǎng)分循環(huán)

10.1Nitrogencyclinginsoils

土壤氮素循環(huán)

10.2Phosphorousandsulfurcyclinginsoils

土壤磷和硫的循環(huán)

10.3Potassium,calciumandmagnesiumcyclinginsoils

土壤中的鉀鈣鎂

10.4Micro-elementcyclinginsoils

土壤中的微量元素循環(huán)

10.5Soilnutrientbalanceanditsavailability

土壤養(yǎng)分平衡及有效性生物從土壤吸收無機(jī)養(yǎng)分——生物殘?bào)w歸還土壤形成有機(jī)質(zhì)——土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放無機(jī)養(yǎng)分——養(yǎng)分再次被生物吸收。

土壤養(yǎng)分循環(huán)是“土壤圈”物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中維持生物生命周期的必要條件。大量營養(yǎng)元素：N、P、K、中量營養(yǎng)元素：Ca、Mg、S微量營養(yǎng)元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl其它營養(yǎng)元素：C、H、O植物生長必要元素（16種）養(yǎng)分循環(huán)過程氮素是重要生命元素，“肥料三要素”之首。10.1Nitrogencyclinginsoils

土壤氮素循環(huán)Nitrogencyclinginterrestrialandsoilecologicalsystems

陸地及土壤生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)Sourcesofnitrogeninsoils土壤氮素來源生物固N(yùn)

微生物

(細(xì)菌)逐漸積累土壤空氣中的分子態(tài)N2→離子態(tài)NH4+

→有效態(tài)N根瘤菌與豆科植物共生

固N(yùn)能力強(qiáng)

(共生固N(yùn)菌)腐生菌自生固N(yùn)菌(包括藍(lán)綠藻)大氣降水

含氮氧化物(NO3-NO2-NONH4+等)溶解在雨滴中、隨降水進(jìn)入土壤灌溉水

硝態(tài)N（NO3-N）“肥水”N肥、有機(jī)肥

重要來源速效N

土壤氮素形態(tài)有機(jī)態(tài)氮：土壤氮的主體，占全氮95%以上。無機(jī)態(tài)氮：量很少，占全氮1-2%；微生物活動(dòng)的產(chǎn)物。硝態(tài)氮（NO3-）：水溶性陰離子存在，易于流失。硝化作用的產(chǎn)物。銨態(tài)氮（NH4+）：水溶性游離態(tài)、交換態(tài)、少量固定態(tài)；有機(jī)態(tài)氮礦化的第一步產(chǎn)物。很快轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。亞硝態(tài)氮（NO2-）：數(shù)量極少。硝化作用的中間產(chǎn)物。水溶性有機(jī)態(tài)氮：<全氮的5%。簡單的含氮化合物，游離氨基酸、胺鹽及酰胺類等。氣態(tài)氮：土壤空氣的主要成分；固氮微生物的直接氮源。非水解性有機(jī)態(tài)氮：占全氮30-50%；非水溶性，也不能用一般酸堿使其水解。了解很少。水解性有機(jī)態(tài)氮：占全氮50-70%；用酸、堿或酶處理時(shí)，能水解成較簡單易溶性化合物或直接生成銨化合物的有機(jī)態(tài)氮。蛋白質(zhì)及多肽類、核蛋白質(zhì)類、氨基糖。

Transformationofnitrogeninsoils

土壤中氮的轉(zhuǎn)化有機(jī)氮的礦化(mineralization)——氨化過程(ammonification)

氨基化—復(fù)雜的含氮有機(jī)化合物降解為簡單的氨基化合物。

氨化—簡單的氨基化合物分解成氨(NH3/NH4+)銨的硝化(nitrification)

2NH4++3O22NO2-+2H2O+4H+2NO2-+O22NO3-無機(jī)態(tài)氮的生物固定(biologicalfixationorimmobilization)

無機(jī)態(tài)氮有機(jī)態(tài)氮化合物

亞硝酸微生物硝酸微生物生物吸收同化銨離子的礦物固定(ammoniumfixation)

NH4+離子半徑為0.148nm，與2∶1型粘土礦物晶層表面六角形孔穴半徑0.140nm接近，陷入層間的孔穴后，轉(zhuǎn)化為固定態(tài)銨。Lossofnitrogeninsoils土壤氮的損失淋洗損失（leachingloss）

NH4+、NO3-易溶于水，帶負(fù)電荷的膠體表面對NH4+為正吸附而保持于土壤中；對NO3-為負(fù)吸附(排斥作用)，易被淋失。反硝化作用

(denitrification)

又稱生物脫氮作用。在缺氧條件下，NO3-在反硝化細(xì)菌作用下還原為NO、N2O、N2的過程。

NO3-→NO2-→NO→N2O→N2

反硝化臨界Eh約334mv，最適pH7.0～8.2，pH小于5.2～5.8的酸性土壤或高于8.2～9.0的堿性土壤，反硝化顯著下降。

氨態(tài)氮揮發(fā)損失（ammoniavolatilization）

主要發(fā)生在堿性土壤中

NH4+＋OH-

NH3↑＋H2O土壤氮的調(diào)控

維持土壤氮素平衡

土壤氮以有機(jī)態(tài)氮為主，土壤有機(jī)質(zhì)平衡是氮素平衡的基礎(chǔ)。

有機(jī)態(tài)氮礦質(zhì)氮（NH4+、NO3-)礦化作用固定作用“南銨北硝”。水田土壤不施硝態(tài)化肥和避免頻繁的干濕交替。氮肥深施（水田和旱地）。堿性土碳銨少施，防止氨的揮發(fā)損失。應(yīng)用氮肥增效劑（硝化作用抑制劑）。防止土壤氮的損失

亞硝酸鹽是人的致癌物質(zhì)和植物的有害物質(zhì)。其產(chǎn)生和積累受Eh、pH及NH4+等條件的影響。避免有害物質(zhì)—NO2-的積累

Eh

NH4+→NO2-（亞硝化過程）E0＝0.345VNO2-→NO3-

（硝化過程）E0＝0.421V

pH

硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌對pH反應(yīng)敏感。

NO2-易在pH＞7.3的堿性環(huán)境積累。

NH4+

氨對硝化細(xì)菌的抑制作用大于對亞硝化細(xì)菌，大量施用銨態(tài)氮肥（特別是NH4HCO3），易造成NO2-積累。旱育秧NO2-可使水稻幼苗出現(xiàn)青枯病當(dāng)NO2-＞5mg/kg時(shí)，青枯開始出現(xiàn)＞15mg/kg時(shí)，青枯很快出現(xiàn)。

NO2-可使小麥、玉米燒種、爛芽、爛根以及幼苗死亡NO2-的產(chǎn)生和積累的影響因素

10.2.1phosphorouscyclinginsoils

P2O5%=P%×2.291P%=P2O5%×0.44

我國土壤全磷（P）含量一般為0.2～1.1g/kg，并有從南到北漸增的地域變化趨勢。溶解吸附

礦物態(tài)

水溶態(tài)

吸附態(tài)

沉淀解吸10.2Phosphorousandsulfurcyclinginsoils

土壤磷和硫的循環(huán)植素類：占有機(jī)磷1/5~1/3；來源于植物并經(jīng)微生物的改造。

土壤磷形態(tài)有機(jī)態(tài)磷：含量變幅很大，一般占全磷的25-50%。

20-30%的有機(jī)磷形態(tài)不清楚。礦質(zhì)態(tài)磷：幾乎全為正磷酸鹽。磷酸鐵和磷酸鋁類化合物（Fe—P及Al—P)磷酸鈣（鎂）類化合物(Ca—P)閉蓄態(tài)磷（O—P）：氧化鐵膠膜包被著的磷酸鹽。核酸類：占有機(jī)磷5-10%。直接來源于生物殘?bào)w特別是為生物體中的核蛋白質(zhì)分解物。磷脂類：量很少，<有機(jī)磷總量的1%；醇溶性和醚溶性含磷化合物，易分解利用。土壤磷的循環(huán)

成土過程中磷的轉(zhuǎn)化

成土過程中由于生物作用，土壤中出現(xiàn)有機(jī)磷，并隨有機(jī)質(zhì)積累而增加。

隨著土壤礦物風(fēng)化程度的提高，Ca—P逐漸減少，F(xiàn)e—P和O—P逐漸增多，而Al—P在各類土壤中所占的比重均較小。

在成土過程中，母質(zhì)的磷礦物（主要是磷灰石）風(fēng)化釋放水溶態(tài)磷，并被次生礦物吸附固定，進(jìn)而形成新的礦物態(tài)磷。土壤pH無機(jī)磷形態(tài)構(gòu)成比例（%）Al-PFe-PCa-PO-P褐土8.0～8.53.4～6.90.0～0.561～7112～20黃潮土7.5～8.51.6～4.10.0～0.763～6531～35黃棕壤6.0～7.03.7～1025～2713～2045～57紅壤4.5～5.50.3～5.715～261.5～1652～83磚紅壤4.5～5.50.0～1.52.5～140.9～5.384～94我國幾種土壤的無機(jī)磷形態(tài)構(gòu)成（引自《中國土壤》）耕地土壤中可溶性磷酸鹽的轉(zhuǎn)化

可溶性化學(xué)磷肥—主要是Ca(H2PO4)2，施入土壤后，很快轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄粤?，稱為磷的固定。

磷肥在土壤中的生物利用率一般只有10～20%，遠(yuǎn)較氮、鉀肥低，磷的固定是主要原因。磷肥在石灰性土中與鈣結(jié)合形成溶解度低的Ca-P，最終成為磷灰石。在酸性土則主要形成溶解度低的Fe-P和O-P。提高土壤磷有效性的途徑

酸性土壤施用石灰，調(diào)節(jié)其pH至6.5～6.8。增加土壤有機(jī)質(zhì)，減少磷的固定有機(jī)酸等螯合劑與Ca、Fe、Al螯合，促使磷的釋放。腐殖質(zhì)包被鐵、鋁氧化物等膠體表面，減少其對磷的吸附。有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2，使Ca-P碳酸化而增加溶解度。土壤淹水還原可明顯提高磷有效性酸性土壤淹水還原pH上升促使活性鐵、鋁氧化物的沉淀，減少磷的固定，堿性土pH降低，增加Ca—P的溶解度。土壤淹水Eh下降，鐵被還原，使部分Fe—P和O—P活化為有效磷。

Sourcesandcontentofsulfurinsoils土壤硫的來源及含量

主要來源：母質(zhì)、灌溉水、大氣沉降和施肥等。礦質(zhì)土壤含硫量一般在0.1~0.5g/kg之間，隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增加。

植物對硫的需要量和礦質(zhì)土壤含硫量都與磷相類似，但土壤缺硫現(xiàn)象不如缺磷現(xiàn)象常見。其主要原因：土壤對硫的固定遠(yuǎn)不如磷。施肥、雨水、灌溉水等可向土壤補(bǔ)給一定數(shù)量的硫。10.2.2Sulfurcyclinginsoils

難溶態(tài)硫(FeS2、ZnS、等固態(tài)礦物態(tài))無機(jī)態(tài)硫

水溶性硫(土壤溶液中的SO42-,有時(shí)有S2-)

吸附態(tài)硫(膠體吸附SO42-與溶液SO42-平衡)有機(jī)態(tài)硫其含量隨土壤有機(jī)質(zhì)增加而增加。

濕潤地區(qū)，以有機(jī)硫?yàn)橹?，南?0省統(tǒng)計(jì)，有機(jī)硫占全硫86%～94%。北方干旱、半干旱地區(qū)土壤則以無機(jī)硫(CaSO4、Na2SO4)為主。

土壤硫的形態(tài)

富含有機(jī)硫的水田土壤，淹水還原條件下形成H2S、FeS等有害物質(zhì)；氧化條件下則形成酸性硫酸鹽，如Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3等，導(dǎo)致土壤強(qiáng)烈酸化。土壤硫的循環(huán)和轉(zhuǎn)化

土壤硫循環(huán)中，硫酸鹽（SO42-）有特別地位

輸入

輸出

轉(zhuǎn)化大氣無機(jī)硫（SO2）的沉降含硫礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的輸入植物吸收（SO42-）SO42-的淋失H2S的揮發(fā)有機(jī)硫的礦化和固定礦質(zhì)硫（SO42-）的吸附和解吸硫化物和元素硫的氧化：氧化產(chǎn)生

H2SO4，導(dǎo)致土壤酸化。Sulfurcyclinginsoils

10.3Potassium,calciumandmagnesiumcyclinginsoils

土壤中的鉀鈣鎂循環(huán)土壤鉀的形態(tài)和含量

土壤全鉀（K2O）含量一般在20g/kg左右，石灰性土可高達(dá)30g/kg以上，而紅壤、磚紅壤則可低于2g/kg。我國土壤全鉀量自南向北、自東向西增加。土壤鉀形態(tài)(占全鉀%)非交換性鉀（2～8%）礦物鉀(9～98%)交換性鉀（1～2%）水溶性鉀（很少）無效鉀緩效鉀速效鉀

土壤鉀的轉(zhuǎn)化土壤鉀的固定及影響因子

鉀固定：交換性鉀→非交換性鉀

影響因子：粘粒礦物類型（2∶1型粘粒礦物）土壤質(zhì)地（粘粒含量）土壤水分條件（強(qiáng)烈干燥和頻繁干濕交替利于鉀固定）土壤酸堿度（酸性土中水化鋁離子阻塞晶層表面六角形孔穴，減少對鉀的固定）土壤鉀的釋放及影響因子鉀釋放：非交換性鉀→交換性鉀、水溶性鉀來自固定態(tài)鉀和黑云母中易風(fēng)化鉀。釋放量隨交換性鉀含量下降而增加。釋鉀能力決定于非交換性鉀含量。故土壤非交換性鉀（緩效鉀）含量可作為評價(jià)土壤供鉀潛力的指標(biāo)。干燥、灼燒和冰凍對土壤鉀的釋放有顯著影響。影響因子：

包括原生礦物和次生礦物，溶解度變化很大，其中石膏(CaSO4·2H2O)的溶解度較高，橄欖石[(Mg、Fe)2SiO4]等易風(fēng)化釋放鎂。

兩者均屬有效態(tài)。一般土壤交換性鹽基以交換性Ca2+為主，次為交換性Mg2+。水溶態(tài)一般數(shù)量很少，既與交換態(tài)處于交換平衡，也與某些礦物態(tài)處于溶解平衡，如水溶態(tài)Ca2+與CaCO3、CaSO4等的平衡。

土壤中鈣、鎂形態(tài)礦物態(tài)交換態(tài)水溶態(tài)

華北和西北地區(qū)土壤以及其它地區(qū)的石灰性土壤，富含鈣、鎂碳酸鹽和硫酸鹽，水溶態(tài)鈣、鎂可滿足植物生長的需要。

南方酸性土壤，不僅不含鈣、鎂碳酸鹽，土壤交換性鈣、鎂也較少，有效鈣、鎂不足，應(yīng)適量施用石灰或鈣、鎂礦質(zhì)肥料予以補(bǔ)充。土壤鈣、鎂的豐、缺狀況10.4Micro-elementcyclinginsoils

土壤中的微量元素循環(huán)土壤微量元素的來源與損失微量營養(yǎng)元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl主要來源：巖石礦物，土壤微量元素的種類及其含量因母質(zhì)而異。

其次是大氣和土壤施肥等。主要損失：植物吸收和收獲物帶走，淋洗和侵蝕也造成損失。

土壤溶液中或可用水提取的微量元素離子或分子(主要是離子態(tài))，含量一般＜5mg/L。

吸附于膠體表面可為其它離子交換出來的微量元素。含量一般1～10mg/L。

土壤中微量元素的形態(tài)水溶態(tài)交換態(tài)專性吸附態(tài)有機(jī)態(tài)鐵錳氧化物包被態(tài)礦物態(tài)有機(jī)或無機(jī)雙電層內(nèi)層通過共價(jià)鍵結(jié)合而被吸附的微量元素，不能和另一種交換性離子進(jìn)行交換，但比晶格中礦物態(tài)的易釋放。Cu2+、Zn2+、MoO4-、H4BO4-等較易發(fā)生專性吸附。

存在于土壤有機(jī)質(zhì)中呈絡(luò)合或吸附態(tài)。當(dāng)有機(jī)質(zhì)分解時(shí)，較易釋放，故有效性較高。

主要是親鐵元素(Mo),常與鐵共存，當(dāng)鐵從原生礦物中風(fēng)化釋放出來，形成非晶形含水氧化鐵，逐漸結(jié)晶時(shí)，便被包裹在氧化鐵的結(jié)晶里。只有包膜破壞后才能釋放，故近于礦物態(tài)。存在于固體礦物中不能被其它離子交換出來的微量元素。在酸性條件下，多數(shù)礦物溶解度增大。

2、微量元素轉(zhuǎn)化

土壤微量元素有效性化學(xué)診斷的參考指標(biāo)土壤中微量元素缺乏的原因：一是全量低，二是有效性低。

項(xiàng)目FeMnZnCuMoB方法(浸提劑)DTPATamm熱水臨界值(mg/kg)2-510.5-1.00.20.1-0.20.1-0.5土壤中微量元素有效性的影響因素Fe、Mn氧化態(tài)的溶解度降低，還原態(tài)溶解度較高。強(qiáng)還原條件下，Zn、Cu可能因形成ZnS、Cu2S