土壤学第十章土壤元素的生物地球化学循环.ppt

第十章第十章 土壤元素的生物地球化土壤元素的生物地球化学循环学循环*210 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 土壤元素的生物地球化学循环是土壤元素的生物地球化学循环是“土壤圈土壤圈”物质循环的重要组成部分。物质循环的重要组成部分。土壤中化学元素以能量传递为驱动力，土壤中化学元素以能量传递为驱动力，沿着土壤沿着土壤-生物生物-大气进行物质循环传递的过大气进行物质循环传递的过程程(主要过程界定为主要过程界定为:土壤土壤-植物植物-大气大气)称为称为土土壤元素的生物地球化学循环。壤元素的生物地球化学循环。*3典型的再循环过程：典型的再循环过程：植物从土壤中吸收营养元素；植物从土壤中吸收营养元素；植物的残体归还土壤；植物的残体归还土壤；土壤微生物分解植物残体，释放营养元素；土壤微生物分解植物残体，释放营养元素；营养元素再次被植物吸收。营养元素再次被植物吸收。土壤元素循环土壤元素循环:在生物参与下，营养元素从土在生物参与下，营养元素从土壤到植物，再从植物回到土壤的循环，是一个壤到植物，再从植物回到土壤的循环，是一个复杂的生物地球化学过程。复杂的生物地球化学过程。410 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环学习目标学习目标 掌握有关掌握有关“土壤碳的生物地球化学循环土壤碳的生物地球化学循环”、“土壤氮的生物地球化学循环土壤氮的生物地球化学循环”、“土壤磷的土壤磷的生物地球化学循环生物地球化学循环”、“土壤硫的生物地球化土壤硫的生物地球化学循环学循环”、“土壤钾的生物地球化学循环土壤钾的生物地球化学循环”、“土壤微量元素的生物地球化学循环土壤微量元素的生物地球化学循环”的重要的重要概念和基本原理；了解土壤磷的控制机制和影概念和基本原理；了解土壤磷的控制机制和影响土壤钾固定的因素。响土壤钾固定的因素。*510 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 10-1 10-1 土壤碳的生物地球化学循环土壤碳的生物地球化学循环 一、土壤碳循环一、土壤碳循环 二、土壤光合作用二、土壤光合作用 三、土壤呼吸作用三、土壤呼吸作用 四、土壤碳的固定四、土壤碳的固定 五、土壤碳酸盐转化与平衡过程五、土壤碳酸盐转化与平衡过程 六、土壤碳循环与全球气候变化六、土壤碳循环与全球气候变化10-2 10-2 土壤氮的生物地球化学循环土壤氮的生物地球化学循环 一、土壤氮循环一、土壤氮循环 二、大气氮的沉降二、大气氮的沉降 三、大气氮的生物固定三、大气氮的生物固定 四、土壤有机氮的矿化四、土壤有机氮的矿化 五、土壤铵的硝化五、土壤铵的硝化 六、土壤无机氮的生物固定六、土壤无机氮的生物固定 七、土壤铵离子的矿物固定七、土壤铵离子的矿物固定 八、土壤氨的挥发八、土壤氨的挥发 九、土壤硝酸盐淋失九、土壤硝酸盐淋失 十、土壤反硝化损失十、土壤反硝化损失 十一、土壤中氮损失的环境效应十一、土壤中氮损失的环境效应 十二、土壤氮的调控十二、土壤氮的调控10-3 10-3 土壤磷的生物地球化学循环土壤磷的生物地球化学循环 一、土壤磷循环一、土壤磷循环 二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物固定固定 三、土壤磷的吸附与解吸三、土壤磷的吸附与解吸 四、土壤磷的沉淀与溶解四、土壤磷的沉淀与溶解 五、土壤磷的流失五、土壤磷的流失 六、土壤磷的调控六、土壤磷的调控 10-4 10-4 土壤硫的生物地球化学循环土壤硫的生物地球化学循环 一、土壤硫循环一、土壤硫循环 二、大气硫的沉降二、大气硫的沉降 三、土壤有机硫的矿化三、土壤有机硫的矿化 四、土壤无机硫的生物固定四、土壤无机硫的生物固定 五、硫的氧化和还原五、硫的氧化和还原 六、硫的吸附和解吸六、硫的吸附和解吸 七、土壤硫的调控和管理七、土壤硫的调控和管理10-5 10-5 土壤钾的生物地球化学循环土壤钾的生物地球化学循环 一、土壤钾的循环一、土壤钾的循环 二、土壤钾的固定二、土壤钾的固定 三、土壤钾的释放三、土壤钾的释放 四、土壤钾的损失四、土壤钾的损失 五、土壤钾的控制与管理五、土壤钾的控制与管理10-6 10-6 土壤微量元素的生物地球化学循环土壤微量元素的生物地球化学循环 一一、土壤微量元素的循环、土壤微量元素的循环 二、土壤微量元素的吸附与解吸固定二、土壤微量元素的吸附与解吸固定 三、土壤微量元素的沉淀与溶解三、土壤微量元素的沉淀与溶解 四、土壤微量元素的氧化与还原四、土壤微量元素的氧化与还原 五、土壤微量元素的络合与离解五、土壤微量元素的络合与离解 六、土壤微量元素的调控与管理六、土壤微量元素的调控与管理*610 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环10-1 10-1 土壤碳的生物地球化学循环土壤碳的生物地球化学循环 一、土壤碳循环一、土壤碳循环基本平衡基本平衡*10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环海洋中海洋中C空气空气CO2绿色植绿色植物物 光合作用光合作用石石 油油 煤煤呼吸、燃烧、工业利用呼吸、燃烧、工业利用土土壤壤有有机机质质动物动物 微生物微生物矿化矿化(一一)土壤碳库在生物地球化学土壤碳库在生物地球化学循化中的周转循化中的周转(二二)土壤碳循环对土壤氮、硫、土壤碳循环对土壤氮、硫、磷循环的影响磷循环的影响(三三)土壤碳循环对环境的影响土壤碳循环对环境的影响(四四)当前土壤碳循环研究存在当前土壤碳循环研究存在 的问题的问题*8二、土壤的光合作用二、土壤的光合作用 绿色植物吸收太阳光的能量，同化绿色植物吸收太阳光的能量，同化C0C02 2和和H H2 2O O，制造有机物质并释放氧的过程，称为光合作用，是制造有机物质并释放氧的过程，称为光合作用，是土壤碳循环中重要的碳同化途径。光合作用产生的土壤碳循环中重要的碳同化途径。光合作用产生的有机物质主要是碳水化合物，它是土壤有机碳的最有机物质主要是碳水化合物，它是土壤有机碳的最初来源：初来源：6CO6CO2 2+6H+6H2 2O CO C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 2*9 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 三、土壤呼吸作用三、土壤呼吸作用 在分压梯度的作用下，驱使在分压梯度的作用下，驱使COCO2 2气体分子不气体分子不断从土壤中向大气扩散，同时使断从土壤中向大气扩散，同时使 O O2 2分子不分子不断从大气向土壤空气扩散断从大气向土壤空气扩散。土壤的这种从大土壤的这种从大气中吸收气中吸收O O2 2，同时排出同时排出COCO2 2的气体扩散作用，的气体扩散作用，称为称为土壤呼吸。土壤呼吸。CO2O2*1010 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最大碳汇，也是温室气体的主要碳源。土壤的大碳汇，也是温室气体的主要碳源。土壤的巨大碳容量和天然固碳作用，能最有效地减巨大碳容量和天然固碳作用，能最有效地减缓碳释放。缓碳释放。关键：关键：植树造林，扩大绿色植物在地面植树造林，扩大绿色植物在地面的覆盖率，促进光合作用和减少呼吸作用，的覆盖率，促进光合作用和减少呼吸作用，延长有机碳在土壤中的存留时间。延长有机碳在土壤中的存留时间。四、土壤碳的固定四、土壤碳的固定*11l l 全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均土壤有机碳储量为每平方公里土壤有机碳储量为每平方公里土壤有机碳储量为每平方公里土壤有机碳储量为每平方公里15339153391533915339吨，土壤平均吨，土壤平均吨，土壤平均吨，土壤平均碳密度为碳密度为碳密度为碳密度为48.848.848.848.8吨吨吨吨/公顷，低于美国的公顷，低于美国的公顷，低于美国的公顷，低于美国的50.350.350.350.3吨吨吨吨/公顷、公顷、公顷、公顷、欧盟的欧盟的欧盟的欧盟的70.870.870.870.8吨吨吨吨/公顷。公顷。公顷。公顷。l l 国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小环说，我国承诺到环说，我国承诺到环说，我国承诺到环说，我国承诺到2020202020202020年，将在目前基础上碳强年，将在目前基础上碳强年，将在目前基础上碳强年，将在目前基础上碳强度减排度减排度减排度减排40%45%40%45%40%45%40%45%。由于森林面积有限，耕地需承。由于森林面积有限，耕地需承。由于森林面积有限，耕地需承。由于森林面积有限，耕地需承担更大的减排任务。担更大的减排任务。担更大的减排任务。担更大的减排任务。*12五、土壤碳酸盐转化与平衡过程五、土壤碳酸盐转化与平衡过程 决定土壤中碳酸盐淋溶与淀积的关键：决定土壤中碳酸盐淋溶与淀积的关键：COCO2 2H H2 20 0体系平衡体系平衡(即即C0C02 2HCOHCO3 3-C0C03 32-2-)。*13 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 六、土壤碳循环与全球气候变化六、土壤碳循环与全球气候变化(一一)土壤碳循环与大气土壤碳循环与大气COCO2 2浓度浓度 如果没有土壤呼吸如果没有土壤呼吸(包括土壤生包括土壤生物呼吸和植物根系及菌根的呼吸物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)产产生生C0C02 2补充大气，大气中的补充大气，大气中的C0C02 2在在1515年年内将被耗尽。可见内将被耗尽。可见，土壤有机碳库对土壤有机碳库对大气碳库大气碳库C0C02 2浓度的影响很大。浓度的影响很大。(二二)土壤碳循环与大气中土壤碳循环与大气中CHCH4 4浓度浓度 大气中每年有大气中每年有38610386101212g Cg C的的CHCH4 4被氧化为被氧化为C0C02 2；每年土壤净损失和大气净积累的；每年土壤净损失和大气净积累的 CHCH4 4为为231023101212g2810g28101212g Cg C。湿地中湿地中9090的的CHCH4 4在回到大气之前被氧化成在回到大气之前被氧化成C0C02 2。(三三)CH)CH4 4和和COCO2 2对大气碳库环境的综合影响对大气碳库环境的综合影响*1410 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环土壤碳循环意义：土壤碳循环意义：满足光合作用的需要；调节气候满足光合作用的需要；调节气候气候变化与气候变化与 粮食安全粮食安全l研究结果表明，与目前常用的年至年中国种植制度气候区划结果相比，年以来由于气候变暖，在陕西、山西、河北、北京和辽宁，一年两熟种植北界明显向北移动；在湖南、湖北、安徽、江苏和浙江一年三熟种植北界向北空间位移明显。在不考虑品种变化、社会经济等方面因素的前提下，各省的种植制度由一年一熟改变为一年二熟，粮食单产平均可增加至；由一年二熟变成一年三熟，粮食单产平均可增加至。l但是气候变暖，影响粮食安全的气象灾害（干旱、洪涝、冻害等）和病虫害也越来越频繁，针对气候变化和可能带来的不利影响，研究农业灾害预警及风险评估技术，建立现代防灾减灾体系是当务之急。l粮食安全 就是能确保所有的人在任何时候既买得到又买得起他们所需的基本食品，这个概念包括：1、确保生产足够数量的粮食；2、最大限度地稳定粮食供应；3、确保所有需要粮食的人都能获得粮食。*18 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 10-2 10-2 土壤氮的生物地球化学循环土壤氮的生物地球化学循环(一一)土壤中氮的形态土壤中氮的形态1.1.无机态氮无机态氮 铵铵(NH(NH4 4+)、硝态氮、硝态氮(NO(NO3 3-)、亚硝态氮、亚硝态氮(NO(NO2 2-)、分子态氮、分子态氮(N(N2 2)、氧化亚氮、氧化亚氮(N(N2 20)0)和一氧化氮和一氧化氮(N0)(N0)。就土壤肥力而言，主要以就土壤肥力而言，主要以NHNH4 4+和和N0N03 3-两种形态的氮最为重要，占土壤全氮两种形态的氮最为重要，占土壤全氮的的2 25 5。2.2.有机态氮有机态氮 土壤有机态氮一般占土壤全氮的土壤有机态氮一般占土壤全氮的92929898。有机氮：胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸有机氮：胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸(即蛋白质即蛋白质)、游离态氨基酸、氨基糖、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合游离态氨基酸、氨基糖、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合体体(胺和木质素反应的产物胺和木质素反应的产物、醌和氮化合物的聚合物醌和氮化合物的聚合物、糖与胺的缩合产物等糖与胺的缩合产物等)。一、土壤氮循环一、土壤氮循环*20 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 (二二)陆地生态系统中的氮循环陆地生态系统中的氮循环 陆地生态系统中的氮循环：氮以不同形态存在于大气圈、岩石圈、陆地生态系统中的氮循环：氮以不同形态存在于大气圈、岩石圈、生物圈和水圈，并在各圈层之间相互转换。生物圈和水圈，并在各圈层之间相互转换。陆地生态系统氮素循环由两个重叠循环构成：陆地生态系统氮素循环由两个重叠循环构成：一是大气层的气态一是大气层的气态氮循环氮循环，氮的最大储存库是大气，整个氮循环的通道多与大气直接相，氮的最大储存库是大气，整个氮循环的通道多与大气直接相连，几乎所有的气态氮对大多数高等植物无效，只有若干种微生物及连，几乎所有的气态氮对大多数高等植物无效，只有若干种微生物及少数与这些微生物共生的植物可以固定大气中的氮素，使它转化成为少数与这些微生物共生的植物可以固定大气中的氮素，使它转化成为生物圈中的有效氮；生物圈中的有效氮；另一个是土壤氮的内循环另一个是土壤氮的内循环，即在土壤植物系统中即在土壤植物系统中,氮在生物体、微生物体、土壤有机质和土壤矿物中的转化和迁移，包氮在生物体、微生物体、土壤有机质和土壤矿物中的转化和迁移，包括有机氮的矿化和无机氮的生物固定括有机氮的矿化和无机氮的生物固定(持持)作用、黏土对铵的固定和释作用、黏土对铵的固定和释放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用。放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用。*2110 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环*22 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 (三三)土壤氮的内循环土壤氮的内循环 氮经由矿化过程和生物固定过程从无机态变为有机态，又从有机态变为无氮经由矿化过程和生物固定过程从无机态变为有机态，又从有机态变为无机态，是土壤氮的内循环最主要的特征。机态，是土壤氮的内循环最主要的特征。*23 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环二、大气氮的沉降二、大气氮的沉降 大气层发生的自然雷电现象，可使氮氧化成大气层发生的自然雷电现象，可使氮氧化成 NONO2 2 及及 NO NO 等氮氧化等氮氧化物。物。散发在空气中的气态氮散发在空气中的气态氮(烟道排气、含氮有机质燃烧的废气、由铵烟道排气、含氮有机质燃烧的废气、由铵化物挥发出来的气体等化物挥发出来的气体等)，通过降水的溶解，最后随雨水带入土壤的过，通过降水的溶解，最后随雨水带入土壤的过程，称为程，称为大气氮的沉降。大气氮的沉降。全球由大气降水进入土壤的氮，每年每公顷全球由大气降水进入土壤的氮，每年每公顷大约大约2 222kg22kg。三、大气氮的生物固定三、大气氮的生物固定 固氮微生物可分为三大类：非共生固氮微生物可分为三大类：非共生(自生自生)、共生和联合固氮菌。其中、共生和联合固氮菌。其中自自生固氮菌类生固氮菌类分为分为好气性细菌好气性细菌和和嫌气性细菌嫌气性细菌，都需要有机质作为能源；，都需要有机质作为能源；共生固共生固氮菌类氮菌类包括包括根瘤菌根瘤菌和一些和一些放线菌、蓝藻放线菌、蓝藻等，以和豆科共生为主，固氮能力比等，以和豆科共生为主，固氮能力比自生固氮菌大得多；自生固氮菌大得多；联合固氮菌类联合固氮菌类是指某些固氮微生物与植物根系有密切关是指某些固氮微生物与植物根系有密切关系，有一定的专一性，均有较强的亲和性，能进行系，有一定的专一性，均有较强的亲和性，能进行联合固氮联合固氮。*24 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环四、土壤有机氮的矿化四、土壤有机氮的矿化 矿化过程主要分两个阶段：矿化过程主要分两个阶段：第一阶段，先把复杂的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过第一阶段，先把复杂的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过微生物酶的系列作用，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称为氨基化阶段微生物酶的系列作用，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称为氨基化阶段(氨基化作用氨基化作用)：蛋白质蛋白质RCHNHRCHNH2 2COOH(COOH(或或RNHRNH2 2)+C0)+C02 2+中间产物中间产物+能量能量 第二阶段，在微生物作用下，把各种简单的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段第二阶段，在微生物作用下，把各种简单的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段(氨氨化作用化作用)：1.1.在充分通气条件下在充分通气条件下 RCHNHRCHNH2 2C00H+0C00H+02 2 RC00H+NH RC00H+NH3 3+COCO2 2能量能量 2.2.在嫌气条件下在嫌气条件下 RCHNHRCHNH2 2C00H+2H C00H+2H RCHRCH2 2C00H+C00H+NHNH3 3+能量能量 或或 RCHNHRCHNH2 2C00H+2H C00H+2H RCHRCH3 3+NH+NH3 3+CO+CO2 2+能量能量 3.3.水解作用水解作用 酶 RCHNHRCHNH2 2COOH+HCOOH+H2 20 0 RCHRCH2 20H+NH0H+NH3 3+C0+C02 2+能量能量 酶 或或 RCHNHRCHNH2 2COOH+HCOOH+H2 2O O RCHOHC00H+NHRCHOHC00H+NH3 3+能量能量*2510 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环五、土壤铵的硝化五、土壤铵的硝化 有机氮矿化释放的氨在土壤中转化为有机氮矿化释放的氨在土壤中转化为NHNH4 4+，部分被带负电荷的土壤黏粒表面，部分被带负电荷的土壤黏粒表面和有机质表面功能基吸附，另一部分被植物直接吸收。最后，土壤中大部分铵和有机质表面功能基吸附，另一部分被植物直接吸收。最后，土壤中大部分铵离子通过微生物的作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐：离子通过微生物的作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐：六、土壤无机氮的生物固定六、土壤无机氮的生物固定 土壤无机氮的生物固定：土壤无机氮的生物固定：矿化作用生成的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基矿化作用生成的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基态氮态氮(一一NHNH2 2)，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分(与土壤与土壤有机氮的矿化是土壤中两个不断同时进行但方向相反的过程有机氮的矿化是土壤中两个不断同时进行但方向相反的过程)。*26 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环七、土壤铵离子的矿物固定七、土壤铵离子的矿物固定不同土壤对不同土壤对NHNH4 4+的固定能力不同：的固定能力不同：1.1.土壤黏粒矿物类型土壤黏粒矿物类型 (2:1(2:1型型)-)-蛭石对蛭石对NHNH4 4+的固定能力最强，其次是水云母，蒙脱石较小；的固定能力最强，其次是水云母，蒙脱石较小；(1:1(1:1型型)-)-高岭石黏粒矿物，基本上不固定铵。高岭石黏粒矿物，基本上不固定铵。2.2.土壤质地土壤质地 3.3.土壤中钾的状态土壤中钾的状态 4.4.铵的浓度铵的浓度 5.5.水分条件水分条件 6.6.土壤土壤pHpH八、土壤氨的挥发八、土壤氨的挥发 氨挥发易发生在石灰性土壤上。氨挥发易发生在石灰性土壤上。若土壤若土壤pHpH接近或低于接近或低于6 6时，时，NHNH3 3被质子化，几乎全部以被质子化，几乎全部以NHNH4 4+形式存在；在形式存在；在pH=7pH=7时，时，NHNH3 3约占约占6 6；pHpH为为9.29.29.39.3时，时，NHNH3 3和和NHNH4 4+约各占一半。约各占一半。氨的挥发还与土壤性质、施用化肥种类和纯化学反应等因素有关。氨的挥发还与土壤性质、施用化肥种类和纯化学反应等因素有关。*27 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环九、土壤硝酸盐淋失九、土壤硝酸盐淋失十、土壤反硝化损失十、土壤反硝化损失2NO2NO3 3-2NO2NO2 2-2NO 2NO N N2 2O O N N2 2十一、土壤中氮损失的环境效应十一、土壤中氮损失的环境效应土壤氮损失对环境的影响：土壤氮损失对环境的影响：径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响；径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响；气态损失对大气的污染；气态损失对大气的污染；硝酸盐累积对硝酸盐累积对农产品农产品(如蔬菜如蔬菜)的污染。的污染。硝酸盐带负电荷，又极易溶于水，是最易被淋洗的氮形式，随着渗漏水硝酸盐带负电荷，又极易溶于水，是最易被淋洗的氮形式，随着渗漏水的增加，硝酸盐的淋失增大。自然条件下，硝态氮的淋失取决于土壤、气候、的增加，硝酸盐的淋失增大。自然条件下，硝态氮的淋失取决于土壤、气候、施肥和栽培管理等条件。施肥和栽培管理等条件。*28 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环十二、土壤氮的调控十二、土壤氮的调控(一一)利用有机物质利用有机物质C/NC/N比比值与土壤有效氮的相互关系值与土壤有效氮的相互关系 土壤氮的纯矿化量与有机物质本身的碳氮比土壤氮的纯矿化量与有机物质本身的碳氮比(C/N)(C/N)有关有关(C(C为能源为能源)。氮的来源除由有机物质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态氮或硝态氮的来源除由有机物质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态氮或硝态氮，以补其不足。氮，以补其不足。有机物质有机物质C/NC/N比值大于比值大于30:130:1，则其矿化作用的最初阶段就不可能对，则其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供氮的效果，反而有可能是植物的缺氮现象更为严重植物产生供氮的效果，反而有可能是植物的缺氮现象更为严重(微生物微生物争氮同化争氮同化)；有机物质有机物质C/NC/N比值小于比值小于15:115:1时，在其矿化作用一开始，它所提供的时，在其矿化作用一开始，它所提供的有机氮量就会超过微生物同化量，使植物有可能从有机物质矿化过程有机氮量就会超过微生物同化量，使植物有可能从有机物质矿化过程中获得有效氮的供应。了解这一规律，对于采用施肥措施调节土壤的中获得有效氮的供应。了解这一规律，对于采用施肥措施调节土壤的有效氮素达到作物高产、优质和高效具有指导意义有效氮素达到作物高产、优质和高效具有指导意义(图图107)107)。*2910 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环(二二)应用应用“激发效应激发效应”调节土壤有机质和氮素平衡调节土壤有机质和氮素平衡(三三)科学调控施肥，防止土壤氮的损失科学调控施肥，防止土壤氮的损失(四四)避免避免NONO2 2-的积累的积累*3010 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环10-3 10-3 土壤磷的生物地球化学循环土壤磷的生物地球化学循环 一、土壤磷循环一、土壤磷循环 (五、土壤磷的流失五、土壤磷的流失)(一一)土壤磷的形态土壤磷的形态土壤磷素的来源：土壤磷素的来源：母质来源母质来源 地壳含磷约为地壳含磷约为0.12%0.12%，土壤全磷在之间，土壤全磷在之间 磷矿石肥料磷矿石肥料 土壤磷素的形态：土壤磷素的形态：1 1有机磷有机磷(1(1)植素类植素类 植素及植酸盐，是由植酸植素及植酸盐，是由植酸(又称环己六醇磷酸盐又称环己六醇磷酸盐)与钙、与钙、镁、铁、等离子结合而成。镁、铁、等离子结合而成。(2)(2)核酸类核酸类 是一类含磷、氮的复杂有机化合物。是一类含磷、氮的复杂有机化合物。(3)(3)磷脂类磷脂类 是一类醇、醚溶性的有机磷化合物，普遍存在于动植物是一类醇、醚溶性的有机磷化合物，普遍存在于动植物及微生物组织中。及微生物组织中。*3110 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环2.2.无机磷无机磷 水溶态磷水溶态磷 H H2 2POPO4 4-、HPOHPO4 42-2-、POPO4 43-3-吸附态磷吸附态磷 离子交换和配位体吸附离子交换和配位体吸附 矿物态磷矿物态磷 土壤中无机磷几乎土壤中无机磷几乎99%99%以上以矿物态存在。以上以矿物态存在。磷酸钙类化合物磷酸钙类化合物(Ca-P)(Ca-P)：氟磷灰石氟磷灰石 3Ca3Ca3 3(PO(PO4 4)2 2 CaF CaF2 2 碳酸磷灰石碳酸磷灰石 3Ca3Ca3 3(PO(PO4 4)2 2 CaCO CaCO3 3 羟基磷灰石羟基磷灰石 3Ca3Ca3 3(PO(PO4 4)2 2 Ca(OH)Ca(OH)2 2 氧基磷灰石氧基磷灰石 3Ca3Ca3 3(PO(PO4 4)2 2 CaO CaO 磷酸三钙磷酸三钙 CaCa3 3(PO(PO4 4)2 2 磷酸二钙磷酸二钙 CaHPOCaHPO4 4 磷酸一钙磷酸一钙 Ca(HCa(H2 2POPO4 4)2 2溶解度增加磷酸铁和磷酸铝类化合物磷酸铁和磷酸铝类化合物(Fe-P(Fe-P、Al-P)Al-P)：主要存在于酸性土：主要存在于酸性土闭蓄态磷闭蓄态磷(O-P)(O-P)：闭蓄态磷是由氧化铁胶膜包被的磷酸盐。主要存在于酸：闭蓄态磷是由氧化铁胶膜包被的磷酸盐。主要存在于酸性土性土(石灰性土壤中包被的胶膜是难溶性的钙质化合物石灰性土壤中包被的胶膜是难溶性的钙质化合物)*3210 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环 (二二)水陆生态系统中磷的循环水陆生态系统中磷的循环含磷土壤母质含磷土壤母质易溶性磷酸盐易溶性磷酸盐水溶性磷酸盐水溶性磷酸盐江河湖海中的磷酸江河湖海中的磷酸盐盐有机磷化物有机磷化物难溶性磷酸盐矿物难溶性磷酸盐矿物分解分解溶解溶解固定固定固定固定径流径流径流径流溶解溶解生物吸收生物吸收沉淀沉淀溶解溶解风化风化沉积沉积分解分解固定固定固定固定生生物物活活化化分解分解岩石岩石岩石岩石海洋海洋海洋海洋3310 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物固定二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物固定 土壤中的有机磷除一部分被作物直接吸收利用外，大部分需经土壤中的有机磷除一部分被作物直接吸收利用外，大部分需经微生物的作用进行矿化转化为无机磷后才能被作物吸收：微生物的作用进行矿化转化为无机磷后才能被作物吸收：土壤有机磷土壤有机磷土壤无机磷土壤无机磷矿化矿化生物固定生物固定3410 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环土壤磷的固定机制土壤磷的固定机制 (三、土壤磷的吸附与解吸三、土壤磷的吸附与解吸 四、土壤磷的沉淀与溶解四、土壤磷的沉淀与溶解)1.1.化学沉淀机制化学沉淀机制 酸性土壤中：酸性土壤中：FeFe3+3+H+H2 2POPO4 4-+2H+2H2 2O O Fe(OH)Fe(OH)2 2 H H2 2POPO4 4 +2H+2H+Fe(OH)Fe(OH)3 3+H+H2 2POPO4 4-Fe(OH)Fe(OH)2 2 H H2 2POPO4 4 +OH+OH-石灰性土壤中：石灰性土壤中：Ca(HCa(H2 2POPO4 4)2 2+2Ca+2Ca2+2+Ca Ca3 3(PO(PO4 4)2 2 +4H +4H+Ca(H Ca(H2 2POPO4 4)2 2+2Ca(HCO+2Ca(HCO3 3)2 2 CaCa3 3(PO(PO4 4)2 2 +4CO+4CO2 2+4H+4H2 2O O2.2.土壤胶体表面的吸附土壤胶体表面的吸附 非专性吸附非专性吸附(通过静电引力吸附磷酸根阴离子通过静电引力吸附磷酸根阴离子)：M(M(金属金属)-0H+H)-0H+H+M-OH M-OH2 2+M-OH M-OH2 2+H+H2 2POPO4 4-=M-=M-0H0H2 2+H H2 2POPO4 4-3.3.闭蓄机制闭蓄机制 4.4.生物固磷生物固磷 磷酸根离子置换土壤胶体磷酸根离子置换土壤胶体(黏土矿物或铁、铝氧化物黏土矿物或铁、铝氧化物)表面金属原子表面金属原子配位壳中的配位壳中的-OH-OH或或-0H-0H2 2+配位基配位基,同时发生电子转移并共享电子对同时发生电子转移并共享电子对,而被吸而被吸附在胶体表面上即为专性吸附。专性吸附不管黏粒带正电荷还是带负电附在胶体表面上即为专性吸附。专性吸附不管黏粒带正电荷还是带负电荷，均能发生，其吸附过程较缓慢。荷，均能发生，其吸附过程较缓慢。3510 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环六、土壤磷的调控六、土壤磷的调控(一一)土壤酸碱度土壤酸碱度 土壤酸碱度是影响土壤固磷作用的重要因子之一。土壤酸碱度是影响土壤固磷作用的重要因子之一。酸性土壤：适当施用石灰调节其酸性土壤：适当施用石灰调节其pHpH至中性附近至中性附近(以以pH6.5pH6.56.86.8为宜为宜)，可减，可减少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。(二二)土壤有机质土壤有机质 有机质土壤：固磷作用较弱有机质土壤：固磷作用较弱(有机质矿化提供部分无机磷有机质矿化提供部分无机磷)。有机质土壤，可提高磷的有效性：有机质土壤，可提高磷的有效性：有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位性吸附点位，从而减少土壤对磷的吸附；从而减少土壤对磷的吸附；有机物分解产生的有机酸和其他螫合有机物分解产生的有机酸和其他螫合剂的作用剂的作用，将部分固定态磷释放为可溶态；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；面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附；有机质分解产生的有机质分解产生的C0C02 2溶于水形成溶于水形成H H2 2C0C03 3，可增加钙、镁磷酸盐的溶解度。，可增加钙、镁磷酸盐的溶解度。(三三)土壤淹水土壤淹水 土壤淹水后磷的有效性可明显提高。土壤淹水后磷的有效性可明显提高。(四四)合理施用磷肥合理施用磷肥 合理施用合理施用磷肥是减少磷对环境影响的主要措施。磷肥是减少磷对环境影响的主要措施。3610 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环10-4 10-4 土壤硫的生物地球化学循环土壤硫的生物地球化学循环 一、土壤硫循环一、土壤硫循环(一一)土壤硫的形态土壤硫的形态 无机态硫无机态硫(磷酸盐溶液提取硫磷酸盐溶液提取硫)和有机态硫两类。和有机态硫两类。土壤无机硫：土壤无机硫：难溶态硫难溶态硫(固体矿物硫固体矿物硫)-)-黄铁矿黄铁矿(FeS(FeS2 2)、闪锌矿、闪锌矿(ZnSZnS)等金属硫化物和石膏等硫酸盐矿物；等金属硫化物和石膏等硫酸盐矿物；水溶性硫水溶性硫SOSO4 42-2-以及游离的硫化物以及游离的硫化物(S(S2-2-)等；等；吸附态硫吸附态硫-土壤矿物胶体吸附的土壤矿物胶体吸附的SOSO4 42-2-，与溶液，与溶液S0S04 42-2-保持着平衡，吸附态硫容易被其他阴离子交换。保持着平衡，吸附态硫容易被其他阴离子交换。土壤有机硫：土壤有机硫：主要存在于动植物残体和腐殖质以及一些经微生物分解形成的较简单主要存在于动植物残体和腐殖质以及一些经微生物分解形成的较简单的有机化合物中。湿润、半干旱、温带和亚热带地区排水良好的土壤表层的有机化合物中。湿润、半干旱、温带和亚热带地区排水良好的土壤表层中，硫大多为有机态。中，硫大多为有机态。*37 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环(二二)土壤硫的循环土壤硫的循环 (二、大气硫的沉降；三、土壤有机硫矿化；四、土壤无二、大气硫的沉降；三、土壤有机硫矿化；四、土壤无机硫的生物固定；五、土壤硫的氧化和还原；六、硫的吸附机硫的生物固定；五、土壤硫的氧化和还原；六、硫的吸附与解吸与解吸)38 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环七、土壤硫的调控和管理七、土壤硫的调控和管理土壤硫调控过程中需要考虑以下几个方面：土壤硫调控过程中需要考虑以下几个方面：从硫素的生物地球化学循环过程、植物需求等综从硫素的生物地球化学循环过程、植物需求等综合分析并实现其量化，揭示合分析并实现其量化，揭示“大气大气-植物植物-土壤生态系统土壤生态系统”中硫素平衡、有效循环及调控机理的客观规律；中硫素平衡、有效循环及调控机理的客观规律；探寻土壤、大气、植物之间硫素的平衡，使硫肥探寻土壤、大气、植物之间硫素的平衡，使硫肥施入、含硫污染物排放、植物需求之间有量化的平衡；施入、含硫污染物排放、植物需求之间有量化的平衡；改善硫肥及施硫方法，从而使硫肥得到合理有效改善硫肥及施硫方法，从而使硫肥得到合理有效地利用，同时还应重视高产地区土壤有效硫的及时合理地利用，同时还应重视高产地区土壤有效硫的及时合理补偿。补偿。39 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环10-5 10-5 土壤钾的生物地球化学循环土壤钾的生物地球化学循环 一、土壤钾的循环一、土壤钾的循环(一一)钾的形态钾的形态 矿物钾；非交换性钾；交换性钾；水溶性钾。矿物钾；非交换性钾；交换性钾；水溶性钾。矿物钾矿物钾-全钾的全钾的95%95%左右，主要是原生矿物中的钾，对植物无效。左右，主要是原生矿物中的钾，对植物无效。非交换性钾非交换性钾(也叫缓效钾也叫缓效钾)-)-存在于层状硅酸盐矿物层间或颗粒边缘存在于层状硅酸盐矿物层间或颗粒边缘,主要是主要是次生矿物中的钾次生矿物中的钾,一定条件下可被植物吸收。一定条件下可被植物吸收。交换性钾交换性钾-由土壤胶体吸附，可被植物吸收，占全钾的由土壤胶体吸附，可被植物吸收，占全钾的1-2%1-2%。水溶性钾水溶性钾-主要是土壤溶液中的钾离子主要是土壤溶液中的钾离子(2-5mg/L),(2-5mg/L),植物直接吸收利用。植物直接吸收利用。(二二)土壤钾的循环与转化土壤钾的循环与转化*41 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环*概念：概念：土壤钾的固定指交换性钾土壤钾的固定指交换性钾(速效钾速效钾)转化为非交换性钾转化为非交换性钾(缓效或无效钾缓效或无效钾)的过程。的过程。钾固定机制：钾固定机制：库仑力吸引钾离子陷入库仑力吸引钾离子陷入2:12:1型次生矿物六角形蜂窝网眼被包被型次生矿物六角形蜂窝网眼被包被,失失 去被置换的自由。去被置换的自由。影响因素：影响因素：粘粒矿物类型：粘粒矿物类型：固钾能力固钾能力(2:1(2:1型黏粒矿物型黏粒矿物1:11:1型水化氧化物型型水化氧化物型)蛭石拜来石伊犁石蒙脱石高岭石水化氧化物型蛭石拜来石伊犁石蒙脱石高岭石水化氧化物型 土壤质地：土壤质地：质地粘重固钾多质地粘重固钾多 水分：水分：干湿交替固钾多干湿交替固钾多 酸碱度：酸碱度：酸性土铝离子水合后吸附于黏土矿物表面，减少钾固定。酸性土铝离子水合后吸附于黏土矿物表面，减少钾固定。NHNH4 4+的影响：的影响：NHNH4 4+也能陷入也能陷入2:12:1型次生矿物六角形蜂窝网眼被包被型次生矿物六角形蜂窝网眼被包被,失去被失去被 置换的自由，可与置换的自由，可与K K+竞争土壤黏粒矿物上的结合点位。竞争土壤黏粒矿物上的结合点位。二、土壤钾的固定二、土壤钾的固定42 10 10 土壤元素的生物地球化学循环土壤元素的生物地球化学循环三、土壤钾的释放三、土壤钾的释放土壤钾的释放：土壤钾的释放：土壤中非交换性钾转变为交换性钾和水溶性钾的过程。土