土壤氮碳循环与农业环境

《土壤氮碳循环与农业环境》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土壤氮碳循环与农业环境（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、土壤碳氮循环与农业和环境的 基础科学问题姚 槐 应土壤碳氮循环与农业和环境的 基础科学问题l土壤碳氮循环l土壤碳氮与农业l土壤碳氮与环境l土壤碳氮与农业和环境的热点研究课题土壤碳氮循环-1 土壤植物大气系统中的碳氮循环固定 矿化 分解 淋洗水循环碳循环氮循环土壤光合作用 呼吸作用 生物碳分解 腐殖质形成关键过程降水 蒸发 入渗 径流大气大气1土壤碳氮循环.土壤腐殖质的分离(P46).土壤有机质在肥力上的作用(P50)土壤碳氮循环-2 土壤碳氮循环过程微生物 （原动力、推进器和转换器）土壤碳库（稳定性）物理化学环境因子(P40)矿质化 腐殖质过程-3土壤氮素循环有机氮矿化有机氮矿化 NHNH4

2、4+ +微生物吸收微生物吸收 或同化成腐殖质或同化成腐殖质植物吸收转移植物吸收转移NHNH4 4,NO,NO3 3工、农业副产品工、农业副产品 ( (NHNH4 4+ +,NO,NO2 2, ,有机有机N)N)化肥（化肥（ NHNH4 4+ +,NO,NO3 3- -, ,尿素尿素 ）降雨（降雨（NHNH4 4,NO,NO3 3) )生物转化生物转化 NONO3 3-N-N氨挥发氨挥发 NHNH4 4+ + NH NH3 3矿物固铵矿物固铵 NHNH4 4+ +硝态氮淋洗硝态氮淋洗 NONO3 3- -生物氧化生物氧化 NHNH4 4+ +NONO3 3- -作物残留作物残留生物固氮生物固氮侵

3、蚀，径流侵蚀，径流地表水地表水矿质化矿质化腐殖化腐殖化释放释放固定固定硝化作用硝化作用反反硝化硝化 土壤碳氮与农业l-1 现代农业必须在持续农业、环境保护和经济效益种种 矛盾中作出选择l生产生活生态（三生农业）l高产高效高质（三高农业）lWTO全球经济一体化l成功的调控土壤C、N及氮素肥料是提高作物产量，改善品 质的主要手段l 1949 1998 2030l总产 1.13亿吨 5.12亿吨 6.4亿吨l单产 1.0t/ha 4.5t/ha 5.6t/ha-2-2氮素转化、去向及利用氮素转化、去向及利用土壤是作物生产的氮素供应库.不同土壤、作物氮素生产效率 与土壤供氮效率是变量土壤生产效率=单位

4、面积作物产量单位面积作物N收获量产量产量kg/kg/NkgNkg氮素生理生产效率=施氮区产量无氮区产量施氮区N收获量无氮区收获量产量产量kg/kg/NkgNkg氮素利用效率=施氮区N收获量无氮区N收获量单位面积施氮量产量产量kg/kg/NkgNkg氮素农田生产效率=施氮区产量无氮区产量单位面积施氮量产量产量kg/kg/NkgNkg-3 矿化作用（过程）物质循环 重要环节l概念：在微生物作用下，有机碳、氮、磷、硫转变为矿质 态的过程l有机碳CO2+H2O+能量 嫌气CO2、CH4等l有机氮NH4+，NO3-l有机磷H3PO4l有机硫SO42- 嫌气H2Sl适度的土壤有机碳、氮矿化作用如何调控？-

5、4腐殖质化作用（过程）物质循环重要环节l概念：土壤腐殖物质的形成过程，一系列复杂过程总称，是由微生物 为主导的生物化学过程l腐殖质形成的阶段途径产物及产物转化等仍只了解它的一般轮廓 ，其内容很不清楚植物残体植物残体在在微生物作用下转化微生物作用下转化氨基化合物氨基化合物多酚多酚木质素分解产物木质素分解产物糖糖类木质素类木质素醌醌醌醌腐殖腐殖物质物质土壤碳氮与环境l-1土壤氮与水体氮污染（径流、淋失、渗滤）l七大水系：黄河、珠江、淮河、海河、辽河、长江、松花 江主要河段N污染l湖泊：131个主要湖泊调查，N、P造成富营养化67个：滇池 巢湖洪泽湖太湖洞庭湖l赤潮: 1970年前共3次,1972-

6、1994共256次,1998年 22次l饮用水: 苏浙沪 76个井调查,硝、亚硝超标38.2%,57.9%;京 津唐 69个井调查,硝、亚硝超标50%以上,高达300mg/L(国家 环境公报1997,1998)-2土壤碳氮与“温室气体”效应( 反硝化、挥发)农业活动(土壤)对“温室气体”的贡献1020% CO270% CH490% N2O-3 “温室气体”组成l贡献量：CO2CH4N2Ol增温势：1：56：280.土壤 碳氮与农业 和环境的前沿研究-1.1 土壤碳氮周转的微生物学机理研究土壤碳氮周转:进入土壤的有机质在微生物作用下 ,经过一系列生物和化学转化所构成的物质流称为 土壤有机碳氮周转

7、.l水稻土壤的碳氮周转、循环在国际更是日益升温.l水稻土壤与旱地土壤的本质区别淹育环境.-1.2土壤碳氮周转的微生物学 机理研究水稻土壤碳氮周转的传统观点有机碳氮积累 分解量(与旱地土壤比较) 水稻土有机碳分解速率下降,利于积累的解释 是 土壤微生物数量少,且生长速度慢.l氧化还原反应的电子受体主要是有机质本身降解产物和无机 体系中的Fe3+、Mn4+、SO42-、CO2等.氧化还原过程中释放能 量低,提供微生物合成的能量自然亦少.l糖酵解产物不是通过三羧循环氧化CO2,而是通过积累的有机 酸、醇类、H2S等,这些物质对微生物有抑制作用-1.3 水稻土碳氮周转的生物学 机理研究水稻土碳氮周转的

8、新看法-淹水土壤有机碳分解量 高于好气土壤分解量.温室排放研究也发现CO2排放 随稻田淹水延长而上升.l为什么会得到截然相反的结论,问题出在何处?是实 验方法、技术?是理论推导?还是其它?l一是有机碳本身l二是土壤碳氮周转驱动力-微生物1.4土壤碳氮周转的微生物学机理研究l土壤有机碳(氮)库(NCSOIL)土壤有机质土壤有机质微生物生物量微生物生物量 库库活性有机碳库活性有机碳库 库库稳定性有机碳库稳定性有机碳库 库库碳、氮在三 个库中是怎 样转化、流 通的？怎样 表征活性有 机碳库的指 标？微生物生物量碳 、氮（SMBC， SMBN)，水溶性 有机碳(WSOC),热 水溶性有机碳 (HWC)

9、,轻组有机 碳(LF-C),重铬酸 钾易氧化有机碳 (K2Cr2O7-ROC)1.5土壤碳氮周转的微生物学 机理研究l研究的总体思路l土壤淹水过程中氧化还原稳定性(pH-pE)l土壤微生物群落结构、功能多样性和活性的动态变化l土壤有机碳在各碳库中的分配、流通,尤其是活性碳库 中的分配、流通情况.水稻土壤有机质 分解，转化与循 环机理研究的总体思路土壤微生物生态特征土壤三个有机碳库间的流通及 周转（微生物生物量C、N及其周转及 土壤CO2,CH4释放积累量及土壤活性 有机碳库及其周转测定）土壤氧化还原稳定性 （Eh,pH,Fe3+/Fe2+,NO3-/NH4+（多样性及活性，如微生物结构多样性，

10、 功能多样性，电子运输系统活度， 基础呼吸-1.6 土壤碳氮周转的微生物学机理研究(技术路线)土壤稳定有机碳库土壤稳定有机碳库 （库（库）测定稳定态有机碳含量测定稳定态有机碳含量培养期间土壤微生物生态特性变化培养期间土壤微生物生态特性变化( (PLFAPLFA法、法、BIOLOGBIOLOG法、基础呼吸及其代谢商等）法、基础呼吸及其代谢商等）培养期间土壤氧化还原稳定性（土壤培养期间土壤氧化还原稳定性（土壤pHpH、EhEh、FeFe3+3+/Fe/Fe2+2+、NO NO 3 3- -/NH/NH4 4+ +等指标）等指标）培养期间土壤有机碳氮在各分库中的库存和流通培养期间土壤有机碳氮在各分库

11、中的库存和流通生物活性有机碳库生物活性有机碳库 （库（库） 测定土壤微生物生物量测定土壤微生物生物量C C、N N及标记的生物量及标记的生物量C C1414、N N1515非生物活性有机碳库非生物活性有机碳库（库（库）测定标记及未标记的测定标记及未标记的COCO2 2、CHCH4 4释放量，释放量，WSOCWSOC、 HWCHWC、LF-CLF-C含量等含量等-2.1土壤硝化、反硝化过程与 亚硝酸盐积累研究l土水环境的亚硝酸（NO2-）污染.l来源: 硝化作用:NH4+NO2NO3l 反硝化作用:NO3NO2N2ON2l水质标准: 地表水质0.06mgNO2-N/L(中国)l 淡水鱼类保护标准

12、0.003.0.09mg/L(欧盟)l环境积累 传统认为亚硝酸盐不会在陆地生态系统中积累,近 年研究表明:在河流、地下水湖泊、海湾中大量积累.l污染状况(中国): 北方地表水严重.18断面检测到68.5%受污 染,最高2.365mgNO2-N/L.l 南方地下水污染严重,太湖76口井查57.9% 超标,最高量0.58mgNO2-N/L.-2.2土壤硝化、反硝化过程与 亚硝酸盐积累机制l参与硝化过程AOB和NOB是二类系统发育不相关的自养型细菌,一 般认为只在有氧环境下存在,与异养型细菌相比.AOB和NOB对氧的 竞争能力弱.l硝化造成亚硝酸积累.pH是怎样对AOB和NOB影响的?不同类型土 壤

13、AOB和NOB组成和生理特征?l土壤环境因子是怎样影响的?除AOB、NOB外甲烷氧化菌又怎样影 响亚硝酸盐积累的？硝化过程 Nitrification氨氧化过程氨氧化过程( (Ammonia Oxidation)Ammonia Oxidation)亚硝酸氧化过程亚硝酸氧化过程( (Nitrite Nitrite OxidatoinOxidatoin) )AOBAOBNOBNOB-2.3土壤硝化、反硝化过程与亚硝酸盐积累l反硝化过程: NO3-NO2N2ON2l反硝化作用是厌养条件细菌的一种异化代谢过程.l反硝化细菌在种类发生上有广泛的多样性包括除 肠细菌、专性好养细菌和某些革兰氏阳性菌外的所

14、有生理类型.l什么环境影响反硝化细菌?淹水土壤水土界面,水稻 根系分泌氧.土壤碳氮组成如何影响反硝化细菌活 动?-2.4硝化、反硝化过程与硝酸积累 机制研究l硝酸盐异化还原为氨的过程,是在极端无氧环境中 产生的,是在发酵代谢功能细菌作用下完成的.l硝酸盐同化还原过程.是在生物利用NO3-N同化过程 中产生的NO3-N还原为NO2-N的过程.土壤中微生物 代谢也存在这一过程.-3.1硝酸盐淋失和氨挥发损失研究l植物当季利用的肥料氮(收获物带走氮)只有30-40%l未被植物利用氮去向怎样?生长季节后,有多少氮固 定在作物秸杆中?l多少氮最终被矿化、硝化、淋失、反硝化?l土壤科学回答这些科学问题具有

15、独特的优势.有利 于对现代农作制及替代制作出评价.-4.1土壤对温室气体的排放/吸收的 过程研究l土壤是温室气体(CO2、CH4、N2O)的主要源 (Source)和汇(Sink),水田土壤尤其值得关注.l土壤中CH4和N2O单独排放/吸收过程.lKeller(2000)认为人为活动(大量施氮,森林砍伐等 ),已使N2O排放增加35-800%lBorken(1997)酸性森林土壤施用石灰可大幅度减少 排放量N2O下降6%,CH4吸收量增加26-580%-4.2土壤对温室气体的排放/吸收研究l温室气体CO2,N2O,CH4的综合增温潜势.lRobertson(2000).CO2,CH4,N2O的增温潜势存在巨大差异. 综合增温潜势主要由N2O排放量和CH4吸收量决定.lMosier(1991)报导N2O排放和CH4吸收间存在耦合关系.lSITANUL(1993).N2O排放速率和CH4吸收速率显著l 负相关.lANBUS(1995).在不同实验中总的N2O和CH4的平均通量 间存在显著相关性.-4.3 铵对CH4和NO2吸收/排放的 调控作用l徐慧荣(1999)NH4+浓度变化是N2O排放速率和CH4 吸收速率耦合关系调控的重要因子.土壤土壤CHCH4 4和和NONO2 2产生产生/ /氧化过程氧化过程正相关关系正相关关系无无相关关系相关关系负负相关关系相关关系土壤结构土壤结