土壤養(yǎng)分循環(huán)[CompatibilityMode][Repaired].ppt

1、10. Soil Nutrient Cycling 土壤養(yǎng)分循環(huán) 10.1 Nitrogen cycling in soils 土壤氮素循環(huán) 10.2 Phosphorous and sulfur cycling in soils 土壤磷和硫的循環(huán) 10.3 Potassium, calcium and magnesium cycling in soils 土壤中的鉀鈣鎂 10.4 Micro-element cycling in soils 土壤中的微量元素循環(huán) 10.5 Soil nutrient balance and its availability 土壤養(yǎng)分平衡及有效性,生物從土壤吸

2、收無機(jī)養(yǎng)分生物殘體歸還土壤形成有機(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, 土壤養(yǎng)分指植物所必需的，主要是土壤來提供的營養(yǎng)元素就叫做土壤養(yǎng)分。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤肥力的重要組成因素。,土壤養(yǎng)分的基本概念,氮素是重要生命元素， “肥料三要素”之首。,10.1 Nitrogen cycling

3、in soils 土壤氮素循環(huán),Nitrogen cycling in terrestrial and soil ecological systems 陸地及土壤生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán),Sources of nitrogen in soils 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- NO NH4+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,Tr

4、ansformation of nitrogen in soils 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+3O2 2NO2-+2H2O+4H+ 2NO2-+ O2 2NO3 - 無機(jī)態(tài)氮的生物固定(biological fixation or immobilization) 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(ammonium fix

5、ation) NH4+離子半徑為0.148nm，與21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。,Loss of nitrogen in soils 土壤氮的損失 淋洗損失（leaching loss） 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-NON2ON2 反硝化臨界Eh約334mv，最適pH7.08.2，pH小

6、于5.25.8的酸性土壤或高于8.29.0的堿性土壤，反硝化顯著下降。,氨態(tài)氮揮發(fā)損失（ammonia volatilization） 主要發(fā)生在堿性土壤中 NH4+OH- NH3H2O,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-),“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

7、,Eh NH4+NO2-（亞硝化過程） E00.345V NO2-NO3- （硝化過程） E00.421V pH 硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌對pH反應(yīng)敏感。 NO2-易在pH7.3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，青枯開始出現(xiàn) 15mg/kg時，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,10.2.1 phosphorous cycling in soils P2O5%=P%2.291

8、 P% = P2O5% 0.44 我國土壤全磷（P）含量一般為0.21.1g/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,10.2 Phosphorous and sulfur cycling in soils 土壤磷和硫的循環(huán),土壤磷的循環(huán),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)椴蝗苄粤祝Q為磷的固定。,磷肥在土壤中的生物利用率一般只有1020%，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。

9、,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6.56.8。 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CaP的溶解度。土壤淹水Eh下降，鐵被還原，使部分FeP和OP活化為有效磷。,Sources and content of sulfur in soils 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

10、。 礦質(zhì)土壤含硫量一般在0.10.5g/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。,10.2.2 Sulfur cycling in soils,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)橹鳎戏?0省統(tǒng)計，有機(jī)硫占全硫86%94%。 北方干旱、半干旱地區(qū)土壤則以無

11、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。,Sulfur cycling in soils,10.3 Potass

12、ium, calcium and magnesium cycling in soils 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（21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

13、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(CaSO42H2O)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

14、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,10.4 Micro-element cycling in soils 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

15、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110mg/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，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，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

16、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。,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而降 低有效性。,pH Eh 有機(jī)質(zhì) 質(zhì)地,陽離子型微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的溶解度隨pH下降而增大，酸性條件下有效性高；陰離子型的Mo在堿性下有效性高；B則在微酸和中性的有效性較高,與粘粒的吸附作用有關(guān)，粘質(zhì)土壤微量元素的有效 含量一般高于砂質(zhì)土壤。,過渡金屬離子與有機(jī)化合物絡(luò)合，簡單的絡(luò)合物可 直接為植物吸收，但復(fù)雜的絡(luò)合物一般不能被植物 吸收；如泥炭土中的銅、鋅絡(luò)合物。,10.5 Soil nutrient balance and its availability 土壤養(yǎng)分平衡及有效性,土壤中養(yǎng)分向植物根的移動 截獲 ：植物根表與粘粒表面吸附的離子接觸交換，不 經(jīng)土壤溶液移動直接吸收養(yǎng)分離子。 質(zhì)流 ：由植物蒸騰作用引起的水分及有效養(yǎng)分向根表 的移動。對非吸附態(tài)離子吸收非常重要。 擴(kuò)散：通過土壤水溶質(zhì)運(yùn)動，養(yǎng)分從高濃度向低濃度 區(qū)域的移動。與土壤條件、根的生長及根表面 積等因素密切相關(guān)。遵循Fick擴(kuò)散定律。,土壤溶