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1、10. Soil Nutrient Cycling 土壤养分循环 10.1 Nitrogen cycling in soils 土壤氮素循环 10.2 Phosphorous and sulfur cycling in soils 土壤磷和硫的循环 10.3 Potassium, calcium and magnesium cycling in soils 土壤中的钾钙镁 10.4 Micro-element cycling in soils 土壤中的微量元素循环 10.5 Soil nutrient balance and its availability 土壤养分平衡及有效性,生物从土壤吸
2、收无机养分生物残体归还土壤形成有机质土壤微生物分解有机质释放无机养分养分再次被生物吸收。,土壤养分循环是“土壤圈”物质循环的重要组成部分，也是陆地生态系统中维持生物生命周期的必要条件。,大量营养元素：N、P、K、 中量营养元素：Ca、Mg、S 微量营养元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl 其它营养元素：C、H、O,植物生长必要元素（16种）,养分循环过程, 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。,土壤养分的基本概念,氮素是重要生命元素， “肥料三要素”之首。,10.1 Nitrogen cycling
3、in soils 土壤氮素循环,Nitrogen cycling in terrestrial and soil ecological systems 陆地及土壤生态系统中的氮循环,Sources of nitrogen in soils 土壤氮素来源,生物固N 微生物 (细菌) 逐渐积累 土壤空气中的分子态N2 离子态NH4+ 有效态N 根瘤菌 与豆科植物共生 固N能力强 (共生固N菌) 腐生菌 自生固N菌 (包括蓝绿藻) 大气降水 含氮氧化物 (NO3- NO2- NO NH4+等) 溶解在雨滴中、随降水进入土壤 灌溉水 硝态N（NO3-N） “肥水” N肥、有机肥 重要来源 速效N,Tr
4、ansformation of nitrogen in soils 土壤中氮的转化 有机氮的矿化(mineralization)氨化过程(ammonification) 氨基化复杂的含氮有机化合物降解为简单的氨基化合物。 氨化简单的氨基化合物分解成氨(NH3/NH4+) 铵的硝化(nitrification) 2NH4+3O2 2NO2-+2H2O+4H+ 2NO2-+ O2 2NO3 - 无机态氮的生物固定(biological fixation or immobilization) 无机态氮 有机态氮化合物,亚硝酸微生物,硝酸微生物,生物吸收同化,铵离子的矿物固定(ammonium fix
5、ation) NH4+离子半径为0.148nm，与21型粘土矿物晶层表面六角形孔穴半径0.140nm接近，陷入层间的孔穴后，转化为固定态铵。,Loss of nitrogen in soils 土壤氮的损失 淋洗损失（leaching loss） NH4+、NO3-易溶于水，带负电荷的胶体表面对NH4+为正吸附而保持于土壤中；对NO3-为负吸附(排斥作用)，易被淋失。,反硝化作用 (denitrification) 又称生物脱氮作用。在缺氧条件下，NO3-在反硝化细菌作用下还原为NO、N2O、N2的过程。 NO3-NO2-NON2ON2 反硝化临界Eh约334mv，最适pH7.08.2，pH小
6、于5.25.8的酸性土壤或高于8.29.0的碱性土壤，反硝化显著下降。,氨态氮挥发损失（ammonia volatilization） 主要发生在碱性土壤中 NH4+OH- NH3H2O,土壤氮的调控 维持土壤氮素平衡 土壤氮以有机态氮为主，土壤有机质平衡是氮素平衡的基础。 有机态氮 矿质氮（NH4+、NO3-),“南铵北硝”。水田土壤不施硝态化肥和避免频繁的干湿交替。氮肥深施（水田和旱地）。碱性土碳铵少施，防止氨的挥发损失。应用氮肥增效剂（硝化作用抑制剂）。,防止土壤氮的损失,亚硝酸盐是人的致癌物质和植物的有害物质。其产生和积累受Eh、pH及NH4+等条件的影响。,避免有害物质NO2-的积累
7、,Eh NH4+NO2-（亚硝化过程） E00.345V NO2-NO3- （硝化过程） E00.421V pH 硝化细菌比亚硝化细菌对pH反应敏感。 NO2-易在pH7.3的碱性环境积累。,NH4+ 氨对硝化细菌的抑制作用大于对亚硝化细菌，大量施用铵态氮肥（特别是NH4HCO3），易造成NO2-积累。 旱育秧NO2-可使水稻幼苗出现青枯病 当NO2-5mg/kg时，青枯开始出现 15mg/kg时，青枯很快出现。 NO2-可使小麦、玉米烧种、烂芽、烂根以及幼苗死亡,NO2-的产生和积累的影响因素,10.2.1 phosphorous cycling in soils P2O5%=P%2.291
8、 P% = P2O5% 0.44 我国土壤全磷（P）含量一般为0.21.1g/kg，并有从南到北渐增的地域变化趋势。 溶解 吸附 矿物态 水溶态 吸附态 沉淀 解吸,10.2 Phosphorous and sulfur cycling in soils 土壤磷和硫的循环,土壤磷的循环,耕地土壤中可溶性磷酸盐的转化 可溶性化学磷肥主要是Ca(H2PO4)2，施入土壤后，很快转变为不溶性磷，称为磷的固定。,磷肥在土壤中的生物利用率一般只有1020%，远较氮、钾肥低，磷的固定是主要原因。 磷肥在石灰性土中与钙结合形成溶解度低的Ca-P，最终成为磷灰石。在酸性土则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径 酸性土壤施用石灰，调节其pH至6.56.8。 增加土壤有机质，减少磷的固定,有机酸等螯合剂与Ca、Fe、Al螯合，促使磷的释放。 腐殖质包被铁、铝氧化物等胶体表面，减少其对磷的吸附。 有机质分解产生的CO2，使Ca-P碳酸化而增加溶解度。,土壤淹水还原可明显提高磷有效性,酸性土壤淹水还原pH上升促使活性铁、铝氧化物的沉淀，减少磷的固定，碱性土pH降低，增加CaP的溶解度。土壤淹水Eh下降，铁被还原，使部分FeP和OP活化为有效磷。,Sources and content of sulfur in soils 土壤硫的来源及含量 主要来源：母质、灌溉水、大气沉降和施肥等
10、。 矿质土壤含硫量一般在0.10.5g/kg之间，随有机质含量增加而增加。,植物对硫的需要量和矿质土壤含硫量都与磷相类似，但土壤缺硫现象不如缺磷现象常见。其主要原因： 土壤对硫的固定远不如磷。 施肥、雨水、灌溉水等可向土壤补给一定数量的硫。,10.2.2 Sulfur cycling in soils,难溶态硫(FeS2、ZnS、等固态矿物态) 无机态硫 水溶性硫(土壤溶液中的SO42-,有时有S2-) 吸附态硫(胶体吸附SO42-与溶液SO42-平衡) 有机态硫 其含量随土壤有机质增加而增加。,湿润地区，以有机硫为主，南方10省统计，有机硫占全硫86%94%。 北方干旱、半干旱地区土壤则以无
11、机硫(CaSO4、Na2SO4)为主。,土 壤 硫 的 形 态,富含有机硫的水田土壤，淹水还原条件下形成H2S、FeS等有害物质；氧化条件下则形成酸性硫酸盐，如Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3等，导致土壤强烈酸化。,土壤硫的循环和转化 土壤硫循环中，硫酸盐（SO42-）有特别地位,输入 输出 转化,大气无机硫（SO2）的沉降 含硫矿物质和有机质的输入,植物吸收（SO42-） SO42-的淋失 H2S的挥发,有机硫的矿化和固定 矿质硫（SO42-）的吸附和解吸 硫化物和元素硫的氧化：氧化产生 H2SO4，导致土壤酸化。,Sulfur cycling in soils,10.3 Potass
12、ium, calcium and magnesium cycling in soils 土壤中的钾钙镁循环,土壤钾的形态和含量 土壤全钾（K2O）含量一般在20g/kg左右，石灰性土可高达30g/kg以上，而红壤、砖红壤则可低于2g/kg。我国土壤全钾量自南向北、自东向西增加。,土壤钾的转化,土壤钾的固定及影响因子 钾固定：交换性钾非交换性钾 影响因子：,粘粒矿物类型（21型粘粒矿物） 土壤质地（粘粒含量） 土壤水分条件（强烈干燥和频繁干湿交替利于钾固定） 土壤酸碱度（酸性土中水化铝离子阻塞晶层表面六角形孔穴，减少对钾的固定）,土壤钾的释放及影响因子,钾释放：非交换性钾交换性钾、水溶性钾 来自
13、固定态钾和黑云母中易风化钾。 释放量随交换性钾含量下降而增加。 释钾能力决定于非交换性钾含量。故土壤非交换性钾（缓效钾）含量可作为评价土壤供钾潜力的指标。 干燥、灼烧和冰冻对土壤钾的释放有显著影响。,影响因子：,包括原生矿物和次生矿物，溶解度变化很大，其中石膏(CaSO42H2O)的溶解度较高，橄榄石(Mg、Fe)2SiO4等易风化释放镁。 两者均属有效态。一般土壤交换性盐基以交换性Ca2+为主，次为交换性Mg2+。水溶态一般数量很少，既与交换态处于交换平衡，也与某些矿物态处于溶解平衡，如水溶态Ca2+与CaCO3、CaSO4等的平衡。,土壤中钙、镁形态,矿物态,交换态水溶态,华北和西北地区土
14、壤以及其它地区的石灰性土壤，富含钙、镁碳酸盐和硫酸盐，水溶态钙、镁可满足植物生长的需要。 南方酸性土壤，不仅不含钙、镁碳酸盐，土壤交换性钙、镁也较少，有效钙、镁不足，应适量施用石灰或钙、镁矿质肥料予以补充。,土壤钙、镁的丰、缺状况,10.4 Micro-element cycling in soils 土壤中的微量元素循环,土壤微量元素的来源与损失,微量营养元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl 主要来源：岩石矿物，土壤微量元素的种类及其含量因母质而异。 其次是大气和土壤施肥等。 主要损失：植物吸收和收获物带走，淋洗和侵蚀也造成损失。,土壤溶液中或可用水提取的微量元素离子或分子(主要是离
15、子态)，含量一般5mg/L。 吸附于胶体表面可为其它离子交换出来的微量元素。含量一般110mg/L。,土壤中微量元素的形态,水溶态 交换态 专性吸附态 有机态 铁锰氧化物包被态 矿物态,有机或无机双电层内层通过共价键结合而被吸附的微量元素，不能和另一种交换性离子进行交换，但比晶格中矿物态的易释放。Cu2+、Zn2+、MoO4-、H4BO4-等较易发生专性吸附。 存在于土壤有机质中呈络合或吸附态。当有机质分解时，较易释放，故有效性较高。,主要是亲铁元素(Mo), 常与铁共存，当铁从原生矿物中风化释放出来，形成非晶形含水氧化铁，逐渐结晶时，便被包裹在氧化铁的结晶里。只有包膜破坏后才能释放，故近于矿物态。 存在于固体矿物中不能被其它离子交换出来的微量元素。在酸性条件下，多数矿物溶解度增大。,2、微量元素转化,土壤微量元素有效性化学诊断的参考指标,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响因素,Fe、Mn氧化态的溶解度降低，还原态溶解度较高。 强还原条件下，Zn、Cu可能因形成ZnS、Cu2S而降 低有效性。,pH Eh 有机质 质地,阳离子型微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的溶解度随pH下降而增大，酸性条件下有效性高；阴离子型的Mo在碱性下有效性高；B则在微酸和中性的
