第十章 土壤养分循环

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 土壤养分循环,主要内容,(,重点,),：,教学目标与要求：,教学方式与手段：,课时安排与进度：,1.,土壤氮素循环,（重点）,2.,土壤磷和硫的循环,（重点）,3.,土壤中的钾钙镁,4.,土壤中的微量元素循环,从养分的来源、含量、形态和转化过程来掌握,各种土壤养分。重点掌握土壤氮、磷的转化过,程，尤其是无效化过程；了解土壤钾、钙、镁,的状况以及微量元素的重要性。,幻灯，动画演示；举例分析；,课时数：,4,课时,有效养分,能够直接或经过转化被植物吸收利用的,土壤养分。,速效养分,在作物生长季节内，能够直接、迅速为,植物吸收利用的土壤养分。,无效养分,不能被植物吸收利用的土壤养分。,土壤养分状况,是指土壤养分的含量、组成、形态,分布和有效性的高低。,土壤养分,主要是指依靠土壤来供给的植物必需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,指来自土壤的元素通常可以反复的再循环和利用,典型的再循环过程，包括,生物从土壤中吸收养分；,生物的残体归还土壤；,在土壤微生物的作用下，分解生物残体，释放养分；,养分再次被生物吸收。,土壤养分循环,一、作物所必需的营养元素,作物所需的营养元素,亚农（,Arnon,）,1954,年对植物“必需”的养料元素定了三,条标准：,（,1,）如果缺少这种元素，植物就不能生长或不能完成生,命周期,（,2,）这种元素不能被其他元素所代替，它有所具有的营,养作用,（,3,）这种养料元素在植物的代谢过程中具有直接的作用。,农作物必需的营养元素一般有,16,个：,C,、,O,、,H,、,N,、,K,、,P,、,S,、,Ca,、,Mg,、,Fe,、,B,、,Mn,、,Cu,、,Zn,、,Mo,、,Cl,这是路密斯（,Loomis,）,和许尔（,Shull,）,于,1973,年首先使用的名称。按习惯标准：,大量元素：,植物对这种元素的需要量超过,1%,。前九种属之。,前九个占干体重的绝大多数，即植物吸收的数量大，通常占植物干重千分几到百分之几十。,微量元素：,植物对这种元素的需要小于植物干重的,0.1%,。,大量元素和微量元素,土壤养分三要素,在植物所必需的营养元素中，,C,、,H,、,O,大约占植株干重的,95%,。碳主要来自与大气中的二氧化碳，而,H,、,O,则来自与土壤中的水分，氧可来自空气。氮则除豆科作物外大部分取源于土壤。,氮磷钾三要素，简称,土壤养分三要素,。其所以重要就在于必需经常调节其供不应求的状况，而不是指它们在作物营养中所起的作用。,第一节 土壤氮素循环,一、,土壤氮素含量、来源及影响因素,1.,土壤氮素含量,我国耕地土壤含氮一般在,0.02%-0.2%,之间；高于,0.2%,的很少，大部分低于,0.1%,。,耕作土壤：东北黑土地区含氮量最高，华南、西南和青藏高原地区次之、而西北干旱草原、荒漠地区和黄土高原及黄淮海平原最低。,一般把土壤含氮量, 0.2%,者为“高”；,0.2%0.1%,之间者为“中”；,0.1%0.05%,者为“低”，, 0.05%,者为“极低”。,2,土壤氮素来源,（,1,）固氮作用；自生固氮 、共生固氮和联合固氮,固氮作用主要是靠微生物，固氮微生物分共生和自生两类。,（,1,）与豆科作物共生的固氮菌，其固氮能力很强。,1020,斤,/,亩,（,2,）自生固氮菌，有分为好气和嫌气两类。,好气性固氮能力强，在热带林地，可达,1030,斤,/,亩,（,2,）降水；,（,3,）灌水；,（,4,）施肥； 有机肥； 无机化肥；它们是土壤氮肥的主要来源。,(1),植被与气候,一般：,草本植物,木本植物,草本植物：豆科,非豆科,木本植物：阔叶林针叶林,3.,影响土壤氮素含量的因素,一般而言：,温度愈高，有机质分解愈快，,OM,含量低，,N,少；,湿度愈高，有机质分解愈慢，,OM,积累的多，,N,多。,(3),质地,质地,砂性土,壤性土,粘性土,N%,低,高,(4),地形及地势,主要引起水热条件的变化,(2),土壤有机质含量,土壤氮素和土壤有机质二者呈正相关关系。土壤氮素的含量大致占土壤有 机质含量的,5%,左右。,1,有机态氮,占全氮的绝大部分，,9298%,。有机氮的矿化,率只有,36%,。,（,1,）可溶性有机氮, 5%,，主要为： 游离氨基酸、胺盐,（速 效 氮）及酰胺类化合物,（,2,）水解性有机氮,5070%,，用酸碱或酶,处理,而得。包,括：蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类,（,3,）非水解性有机氮,3050%,，主要可能是杂环态氮、,缩胺类,二 、土壤氮素的存在形态及其有效性,2,无机态氮,土壤无机氮占全氮,12%(150ppm),。,最多不超过,58%,；,（,1,）,铵态氮,(NH,4,),在土壤里有三种存在方式：,游离态、交换态、固定态,。,（,2,）,硝态氮,（,NO,3,-N,）,在土壤主要以游离态存在。,（,3,）,亚硝态氮,（,NO,2,-N,）,主要在嫌气性条件下才有可能存在，而且数量也极少。在土壤里主要以游离态存在。,3,游离态氮（,N,2,）,土 壤,全 氮,（,N,）,无机氮（,NO,3,-,、,NH,4,+,）,5%,速效氮,有 机 氮,水溶性有机氮,5%,水解性有机氮,5070%,缓效氮,难矿化有机氮,3050%,土壤氮的形态及其有效性,三 土壤中氮素的转化,（,1,）氨基化阶段,把复杂的含氮有机化合物,降解,为简单的氨基化合物。,水解,水解,蛋白质,多肽,氨基酸、酰胺等,朊酶,肽酶,（一）土壤氮素的有效化过程,1,有机态氮的矿化过程,含氮的有机合化物，在多种微生物的作用下降解为简单的氨态氮的过程。,（,2,）氨化过程,简单的氨基化合物,分解,成氨（,NH,3,/NH,4,+,）,RCHNH,2,COOH + O,2,RCOOH + NH,3,+CO,2,+ E,酶,条件：, 真菌、细菌、放线菌等；, 在通气良好； 对低温,特别敏感；, 水分,6070%,； ,pH,值要求在,4.85.2,C/N,比适当。,氨化微生物,2,硝化过程,氨、胺、酰胺 硝态氮化合,NH,4,+,NO,3,-,分两步,（,1,）亚硝化作用,亚硝化微生物,2NH,4,+,+ 3O,2,2NO,2,-,+ 2H,2,O + 4H,+,+ 158,千卡,以,(,Nitrosonas,为主,),条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物）,通气：良好,O,2, 5%,pH 5.5 - 10 (7-9), 4.5,受抑制！,水分：,5060%,温度：,35,2,STOP!,养分：,Cu,，,Mo,等促进硝化作用的进行。缺钙，不利。,（,2,）硝化作用,硝化微生物,2NO,2,-,+ O,2,2NO,3,-,+ 40,千卡,以,(,Nitrobacter,为主,),条件：硝化细菌（以,Nitrobacter,为主）其它同亚硝化作用,在通气良好的条件下，硝化作用的速率亚硝化,作用铵化作用，因此，在正常土壤中，很少有亚硝,态氮和铵态氮及氨的积累。,（二）土壤氮素的无效化过程,1,、反硝化作用，又称生物脱氮作用,在,缺氧,条件下，,NO,3,-,在,反硝化细菌作用下,还原为,NO,、,N,2,O,、,N,2,的过程。,NO,3,-,NO,2,-,NON,2,ON,2,反硝化的临界,Eh,约为,334mv,，,最适,pH,为,7.0,8.2,，,pH,小于,5.2,5.8,的酸性土壤，或高于,8.2,9.0,的碱性土壤，反硝化作用显著下降。,（,1,）亚硝酸分解反应,3HNO,2,HNO,3,+ 2NO,+ H,2,O,条件：酸性愈强，分解愈快。,（,2,）氨态氮的挥发,在碱性条件下，,NH,4,+,+ OH,-,NH,3,+ H,2,O,土壤中的铵态氮在碱性条件下，很容易以,NH,3,的形式直接从土壤表面,损失掉。,2,化学脱氮过程,主要是指在一些特殊的情况下，如强酸反应，温度较高和水分含量很低等，亚硝酸与一些其他化合物（包括有机化合物）进行化学反应而生成分子态氮或氧化亚氮的过程,3,粘粒矿物对铵的固定,NH,4,+,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。,4,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态氮，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分，称为无机氮的生物固定。,5,、硝酸盐的淋洗,四、土壤氮素的调控,（一）,C/N,比影响,（二）施肥的影响,施肥促使土壤有机质的矿化作用，,（三）淹水、灌溉的影响,1,、在水田剖面的不同层次上，氮素的形态不同；,2,、在水田中无机氮素以铵态氮为主；,3,、反硝化作用明显；,第三节 土壤磷和硫的循环,一、土壤磷的循环,（一）土壤中磷素的来源,土壤中的磷是由岩石风化而来的。原生矿物的含磷量为,0.12%,左右。,（二）土壤磷的含量及影响因素,1,土壤磷的含量,一般来说，土壤的磷素含量都在,0.2%,以下，红壤、黄壤含磷只有,0.04%,。,我国土壤全磷的含量在,0.02%0.11%,之间。,从总体来说，自北而南，土壤磷的含量是逐渐降低的,。,2,影响土壤磷含量的因素,（,1,）,母质中矿物成分的不同；,基性岩,酸性岩,碱性沉积体酸性沉积体,如，由石灰性风化体形成的红壤的含磷量比由砂岩风 化的红壤多得多。,（,2,）,土壤质地的差别,土壤中细粒部分含磷量常比粗粒部分多。,土壤细粒部分所含的磷主要是次生的磷化合物。,（,3,）,P,在土壤剖面上的分布,从上到下，磷的含量逐渐降低。原因, 磷的迁移率很低；, 植物根系的富积；,有机胶体或无机胶体对磷酸根的吸附作用，上 层较强。,（,4,）,耕作制度和施肥的影响；,（三）土壤中磷的存在形态,土壤磷素可分为两大类：有机态磷和无机 态磷。,有机态磷的含量占全磷的,1020%,左右。,1,有机磷化合物,主要是植素（肌醇六磷酸）或植酸,类，核蛋白或核酸以及磷类化合物。,2,、无机态磷,（,1,）水溶态磷,土壤溶液中的磷,H,2,PO,4,-,、,HPO,4,2-,、,PO,4,3-,，,其相对浓度（比例）随溶液,pH,而变化。,H,2,PO,4,-,HPO,4,2,-,H,+,，,pK,2,7.2,当土壤溶液,pH=7.2,时，,H,2,PO,4,-,和,HPO,4,2-,各占一半,pH,7.2,时以,H,2,PO,4,-,为主,pH,7.2,时以,HPO,4,2-,为主。,水溶性磷离子是植物根系可直接吸收利用的磷，但根际微域土壤多呈酸性，主要吸收,H,2,PO,4,离子。,（,2,）吸附态磷,土壤固相表面吸附的磷酸根离子，主要是,配位体交换吸附,（专性吸附）。,酸性土,中磷的专性吸附剂主要是铁、铝氧化物及其水合物。,石灰性,土壤的方解石（,CaCO,3,）,对磷的配位交换吸附亦为常见。,（,3,）,矿物态磷,占土壤无机态磷的,99%,以上。,石灰性土,以磷酸钙盐（,Ca,-,P,）,为主，,酸性土,以磷酸铁盐（,Fe,-,P,）,和磷酸铝盐（,Al,-,P,）,为主。, 易溶性磷酸盐,包括水溶性和弱酸溶性两种。,易溶磷酸盐，一方面来自与化肥，另一方面来自于难溶磷酸盐的溶解。,一般来说，根据磷酸盐的溶解性，可分为：, 难溶性磷酸盐,如氟磷灰石、羟基磷灰石等存在于石灰性土壤中；粉红磷铁矿和磷铝石在酸性土壤中较多。,1,土壤磷的有效化过程,有机态磷和难溶性磷酸盐在一定条件,下，转化为植物可以吸收利用的水溶性的,磷酸盐或弱酸溶性的磷酸盐的过程并使其有,效性提高的过程，通常称之为,磷的释放,。,（四）土壤磷的转化,易溶性或速效态磷酸盐转化为难溶性迟效态和缓效态的过程，通常称之为,磷的固定。,土壤中磷的固定是非常普遍的。,2,土壤磷的无效化过程,（,1,）化学沉淀机制,该固磷作用发生在土壤固相的表面。具体可分为：, 表面交换反应（,pH 5.56.5,）,通过土壤固相表面的,OH,-,和溶液中的磷根交换，, 表面上次生化学反应,在土壤,CaCO,3,晶核的表面通过化学反应或吸附形成一层,CaHPO,4,的膜状沉淀。, 阳离子吸附机制（中性土壤）,（,2,）表面反应机制,（,3,）,闭蓄机制,当磷在土壤中固定为粉红磷铁矿后，若土壤局部的,pH,升高，可粉红磷铁矿的表面形成一层无定形的氧化铁薄膜，把原有的磷包被起来，这种机制叫闭蓄机制。,胶膜有铁铝质的、钙质的。,（,4,）,生物固定,有机质,C/P,比为,20013001,，当微生物的,C/P,比小于土壤有机质时，就可产生生物固定。当土壤中的磷太少时，磷素、微生物和作物就会发生竞争。,特点： 表聚性； 暂时无效； 把无机磷 有机磷。,（,五）土壤磷的调节,1,、活性磷和磷的固定,只有那些不溶性磷化合物和保持在粘粒或有,机质中的固持态磷才称为固定态的磷，这部分磷,占土壤全磷的,95%,以上，又称为,非活性磷。,土壤中可被植物吸收的磷组分称为,土壤的有效磷,2,、提高土壤磷有效性的途径。,（,1,） 土壤酸碱度,pH6.5-6.8,之间为宜，可减少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。,（,2,） 土壤有机质,有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位，从而减少了土壤对磷的吸附。,有机物分解产生的有机酸和其它螯合剂的作用，将部分固定态磷释放为可溶态。,腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附。,有机质分解产生的,CO,2,溶于水形成,H,2,CO,3,，增加钙、镁、磷酸盐的溶解度。,（,3,） 土壤淹水,土壤,淹水还原,可明显提高磷有效性,酸生土壤,pH,上升促使铁、铝形成氢氧化物沉,淀，减少了它们对磷的固定；碱性土壤,pH,有所,下降，能增加磷酸钙的溶解度；反之，若淹水,土壤落干，则导致土壤磷的有效性下降。,土壤氧化还原电位,(Eh),下降，高价铁还原成低,价铁,磷酸低铁的溶解度较高，增加了磷的有效度。,包被于磷酸表面铁质胶膜还原，提高了闭蓄态磷的有,效度。,土壤硫的形态：,无机态硫,难溶态硫,水溶性硫,吸附态硫,有机态硫,二、土壤中硫的循环及转化,二、土壤中硫的循环及转化,土壤硫的输入主要途径有,:,大气无机硫,(SO,2,),的沉降。,含硫矿物质和生物有机质,土壤硫的输出：,主要是植物吸收和土壤淋洗。,1,、有机硫的矿化和固定,有机质的,C/S300-400,则就有可能产生生物固硫。,2,、矿物质的吸附和解吸,在富含铁、铝氧化物和水化氧化物、水铝英石及,1:1,型粘粒矿物为主的土壤，硫酸根,(SO,4,2-,),有可能被带正电荷的土壤胶体所吸附,但吸附的,SO,4,2-,容易被其它阴离子交换。,3,、硫化物和元素硫的氧化,土壤,Eh,和,pH,值是影响硫化物氧化的重要因素。,土壤硫转化主要包括,:,FeS,2,FeS,+ S (10.20),2FeS + 2H,2,O +90 Fe,2,O,3,+ 2H,2,SO,4,(10.21),2S + 3O,2,+ 2H,2,O 2H,2,SO,4,(10.22),S,2-,+ 2O,2,SO,4,2-,(10.23),第四节 土壤中的钾,钙镁,一、土壤中钾的形态和含量,（一）土壤钾素的来源,土壤钾来源于岩石的风化。,在地壳岩石中，钾的含量比磷高得多，整个岩石界,含钾量平均为,2.45%,。因此在氮、磷、钾三要素中，钾,在土 壤中的含量最高。,（二）钾素的形态,1,矿物钾,主要指原生矿物钾,结构钾，极难风化，为无效钾。,占全钾量的,92-98%,。,钾长石 （,KAlSi,3,O,8,）,含钾,7.5,12.5%,微斜长石（,CaI,Na,KAlSi,3,O,8,）,含钾,7.0-11.5%,，,白云母（,K(AlSi,3,O,8,)Al,2,(OH,2,F),2,）,含钾量,6.5,9.0%,，,2,、非交换态钾,又称,缓效钾,，是指存在于膨胀性粘土矿物层间和,边缘上的一部分钾。占全钾量的,2-8%,。可逐渐转化为植物吸收利用的速效钾。,3,、,交换态钾,指吸附在土壤胶体表面的钾离子。在土壤中的,含量一般为,40-600mg/kg,，,占土壤全钾量的,1-2%,。,4,、,水溶性钾（溶液钾）,是指以离子形态存在于土壤溶液中的钾。浓度,一般为,2-5mg/L.,土壤全钾量一般在,5-25g/kg,，,平均为,10g/kg,。,1,土壤中钾的含量远远超过氮、磷，大体不超高,3%,（,K,2,O,）。,我国自南向北含钾量是逐渐增加的，如华南,地区，其平均水平,2%,，东北、内蒙的黑土可达,2.6%,。这主要是和地区的,风化、成土条件不同有关。,（三）土壤钾的含量及影响因素,（,1,）母质,富钾矿物：, 长石类： 正长石、钾微斜长石等， 含钾量约在,7- 12%,之间。,云母类： 白云母、黑云母，含钾量约在,5- 9%,之间。, 次生粘粒矿物：水化云母（伊利石类）、绿泥石等四川的紫色土含钾较丰富,2,影响钾含量的因素,（,2,）风化及成土条件,高温、多雨地带，风化和淋溶强度大。,寒冷、干旱地带，矿物中的钾既难以风化，也不易淋失,北方 南方,（,3,）质地,粒径越小，含,K,越多；,质地越粘，含,K,越多。,（,4,）耕作及施肥情况,二、土壤钾的转化,1.,土壤钾的释放：非交换性钾交换性钾、水溶性钾,（,1,）释放钾主要,来自,固定态钾和黑云母中易风化钾。,（,2,）钾的,释放量,随交换性钾含量下降而增加。,（,3,）土壤释钾,能力,主要决定于其非交换性钾的含量。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。,（,4,）,干燥、灼烧和冰冻,对土壤钾的释放有显著影响。,图,10,8,土壤中不同形态钾的平衡关系,（,1,）钾固定的机制,在土壤条件变化时，如干湿交替、冻融交替、灼烧等，被土壤吸附在晶层表面的代换性钾就会掉进晶穴里，当晶层间距变小，钾离子便被封闭在里面，伊利石、拜来石、蒙脱石等，它们都属,21,型矿物，但前二者比后者固钾能力更强。,2,土壤中钾的无效过程钾的固定,钾的固定是指交换性钾转化为缓效钾的过程。,影响因子：,（,1,）粘粒矿物类型（,21,型粘粒矿物）；,（,2,）土壤质地（粘粒含量）；,（,3,）土壤的水分条件（强烈干燥和频繁干湿交替有利于钾的固定）；,（,4,）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）。,三、,土壤中钙、镁,1,、土壤中钙、镁形态,（,1,）矿物态,包括原生矿物和次生矿物，溶解度变化很大，其中石膏（,CaSO,4,2H,2,O,）,的溶解度较高，橄榄石,(Mg,、,Fe),2,SiO,4,等易风化释放镁。,（,2,）交换态和水溶态,两者均属有效态。一般土壤交换性盐基以交换性,Ca,2+,为主，次为交换性,Mg,2+,。,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,Ca,2+,与,CaCO,3,、,CaSO,4,等的平衡。,华北和西北地区土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。,2,、土壤钙、镁的丰、缺状况,第五节 土壤中的微量元素循环,图,10,9,土壤中的微量元素循环,一、土壤中微量元素的来源及转化,1,、土壤中微量元素的来源与损失,主要,来源,于岩石矿物，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。,母质不同的土壤，微量元素种类和含量不同。 元素之间存在着相亲与伴生。,植物必需的微量元素有铁、锰、铜、锌、硼、钼和氯,主要,损失,是植物吸收和收获物带走，淋洗和侵蚀也造成损失。,2,、微量元素转化,二、土壤中微量元素的形态,（,4,级或,6,级）,1,、水溶态,2,、交换态,3,、专性吸附态,4,、有机态,5,、铁、锰氧化物包被态,6,、矿物态,1,、水溶态,存在于土壤溶液中或可用水提取的微量元素离子或分子（主要是离子态），含量一般,5mg/L,。,2,、,交换态,吸附于胶体表面可为其他离子交换出来的微量元素。含量一般,1,10mg/L,。,3,、专性吸附态,在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。,Cu,2+,、,Zn,2+,、,MoO,4,-,、,H,4,BO,4,-,等较易发生专性吸附。,4,、有机态,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。,5,、,铁、锰氧化物包被态,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。,6,、矿物态,存在于固体矿物中不能被其他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。,三、土壤中微量元素有效性及其影响因素,1,、,pH,以铁为例。,2,、,Eh,3,、,OM.,4,、,Texture,1,、酸碱度,Fe,、,Mn,氧化态的溶解度降低，还原态溶解度较高。,在强还原条件下，,Zn,、,Cu,可能因形成,ZnS,、,Cu,2,S,而降低有效性。,2,、,Eh,阳离子型微量元素,Fe,、,Mn,、,Cu,、,Zn,的溶解度,随,pH,下降而增大,，故在酸性条件下有效性高，阴离,子型的,Mo,在碱性下有效性高，而,B,则在微酸和中性,的有效性较高,3,、有机质,与粘粒的吸附作用有关，粘质土壤微量元素的有,效含量一般高于砂质土壤。,4,、质地,过渡金属离子与有机化合物络合，简单的络合物,可直接为植物吸收，但复杂的络合物一般不能被,植物吸收；如泥炭土中的铜、锌络合物。,本章小结,一、名词解释,土壤养分,2.,大量元素,3.,微量元素,4,、交换态钾,5.,有效养分,6.,闲蓄态磷,7.,缓效态养分,8.,氨化作用,9.,反硝化作用,