土壤氮素与环境质量综述课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,2019/12/28,#,第三章 土壤中碳、氮、硫、磷与环境质量,第二节 土壤氮素与环境质量,第三章 土壤中碳、氮、硫、磷与环境质量第二节 土壤氮素,2024/11/22,2,主要内容,1.,土壤中氮素的含量及其来源,2.,土壤中氮素的形态,3.,土壤中氮素转化过程,4.,土壤氮素管理与环境质量,2023/9/182主要内容1.土壤中氮素的含量及其来源,2024/11/22,3,1.,土壤氮素的含量及其来源,含量：,一般土壤含量范围：,0.02%0.50%,我国耕地含量：,0.04%0.35%,表层高，心、底土低,来源：,A,生物固氮：包括自生固氮、共生固氮和联合固氮；,B,降水：,1.5-10.5 kg/hm,2,.a,；,C,灌水；,D,施肥；有机肥、无机化肥,目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。,2023/9/1831.土壤氮素的含量及其来源含量：,2024/11/22,4,氮素是土壤中活跃营养元素，作物需求量大。和植物需求相比，全世界大部分土壤缺氮，氮肥的应用有力地促进农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。,土壤中氮可以通过一系列化学反应和物理过程以各种形态进入大气和水体，对局部乃至全球环境产生种种负面影响。围绕施用氮肥产生的效益与弊端的讨论一直是土壤、肥料、地球物质循环、农产品品质、环境科学等多个研究领域密切关注的问题。,2023/9/184氮素是土壤中活跃营养元素，作物需求量大。,2024/11/22,5,2.,土壤中氮素的形态,有机态氮,可溶性有机氮,5%,；,水解性有机氮,5070%,；,非水解性有机氮,3050%,。,无机态氮,铵态氮,(NH,4,+,),；,硝态氮,(NO,3,-,),；,亚硝态氮,(NO,2,-,),。,2023/9/1852.土壤中氮素的形态,2024/11/22,6,有机态氮,占全氮的绝大部分，,95%,以上。,可溶性有机氮,5%,，,主要为：游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物；,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；,非水解性有机氮,3050%,，,主要可能是杂环态氮、缩胺类。,2023/9/186,2024/11/22,7,无机态氮,数量少、变化大，表土中占全氮,12%,，最多不超过,58%,。,铵态氮,(NH,4,+N),：可被土壤胶体吸附，一般不易流失，但在旱田中，铵态氮很少，在水田中较多。,在土壤里有三种存在方式：,游离态,、,交换态,、,固定态,。,硝态氮,(NO,3,-,N),：移动性大；通气不良时易反硝化损失；在土壤中主要以游离态存在。,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。,其他,，氨态氮、氮气及气态氮氧化合物。,速效氮,：,土壤,溶液中的铵,、,交换性铵,和,硝态氮,因能直接被植物根系所吸收，常被称为速效态氮。,2023/9/187无机态氮速效氮：土壤溶液中的铵、交换性铵,2024/11/22,8,全 氮,有效氮：,能被当季作物利用的氮素，包括无机氮,(2,),和易分解的有机氮,碱解氮：,测得的有效氮。,全氮,：,土壤中氮素的总量。,速效氮,：,土壤溶液中的铵、交换性铵和硝态氮因能直接被植物根系所吸收，常被称为速效态氮。,有效氮,速效氮,几个概念,2023/9/188全 氮有效氮：能被当季作物利用的氮素,2024/11/22,9,中国不同地区耕层土壤的全氮含量,2023/9/189中国不同地区耕层土壤的全氮含量,2024/11/22,10,3.,土壤中氮素的转化,铵态氮,硝态氮,矿化作用,硝化作用,生物固定,硝酸还原作用,NH,3,N,2,、,NO,、,N,2,O,吸附态铵或固定态铵,水体中的硝态氮,挥发损失 反硝化作用,吸附固定,淋洗损失,有机态氮,生物 固定,有机态氮,2023/9/18103.土壤中氮素的转化,2024/11/22,11,土壤氮素的有效化,有机氮的矿化（有机氮水解；氨化）,硝化（亚硝化；硝化）,土壤氮素的损失,反硝化,生物脱氮,化学脱氮（亚硝酸分解；氨挥发）,粘粒对铵的固定,生物固定,氮素淋洗,2023/9/1811土壤氮素的有效化,2024/11/22,12,土壤氮素有效化,有机氮矿化：,定义,：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。它包括：,水解,：,氨化：,蛋白质 多肽 氨基酸,水解,水解,肽酶,朊酶,氨化微生物,RCHNH,2,COOH+O,2,RCH,2,COOH+NH,3,+,能量,酶,2023/9/1812土壤氮素有效化,2024/11/22,13,定义：,将土壤中的氨、胺、酰胺等微生物的作用下氧化,为硝酸的生物化学过程。,第一步：亚硝化作用,第二步：硝化作用,土壤氮素有效化,硝化过程：,2NO,2,-,+O,2,2NO,3,-,+40,千卡,硝化微生物,2HN,4,+,+3O,2,2NO,2,-,+2H,2,O+4H,+,+,158,千卡,亚硝化微生物,速率：硝化作用亚硝化作用铵化作用,。,因此，正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态氮及氨的积累。,2023/9/1813土壤氮素有效化,2024/11/22,14,硝化作用：,NH,4,+,或,NH,3,经,NO,2,-,氧化为,NO,3,-,2023/9/1814硝化作用：NH4+或NH3经NO2-氧,2024/11/22,15,土壤氮素损失,反硝化（生物脱氮过程）,过程：,NO,3,-,NO,2,-,NO N,2,0 N,2,氧化亚氮,还原酶,硝酸盐,还原酶,硝酸盐,还原酶,氧化氮,还原酶,-H,2,0,2NO,HN0,3,2HNO,2,H,2,N,2,O,2,厌氧微生物,+4H+,+4H+-2H2O -2H2O,+2H,+,-2H,2,O,+2H,2,O,N,2,-4H,+,厌氧 微生物,N,2,O,2023/9/1815土壤氮素损失,2024/11/22,16,反硝化作用：硝酸盐等较复杂含氮化合物,转化为,N,2,、,NO,、,N,2,O,2023/9/1816反硝化作用：硝酸盐等较复杂含氮化合物,2024/11/22,17,主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如：,氨态氮挥发,NH,4,+,+OH,-,NH,3,+H,2,O,在碱性条件下进行,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。,土壤氮素损失,化学脱氮过程,2023/9/1817主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如,2024/11/22,18,土壤氮素损失,其他损失途径,粘粒矿物对铵的固定,北方的土壤中，能固铵的粘粒矿物较多，但其土壤中铵极少，而南方水田的铵态较多，而能固定铵的粘土矿物不多。因此，铵的粘土矿物固定在我国的意义不大。,生物固定,氮素的淋洗,淋洗,硅铝片,硅铝片,NH,4,+,2023/9/1818土壤氮素损失,2024/11/22,19,4.,土壤氮素管理与环境质量,现状：,氮肥生产效率趋于下降，农业环境污染则趋于加重,任务：,保障粮食安全和农产品供应，减少农业环境污染环境,目标：,降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率,途径：,适宜施氮量，避免盲目过量施氮,氮肥深施、早作上表施氮肥,(,特别是尿素）立即适量灌水、前氮后移,使用改性氮肥，延长肥效,利用作物与微生物共生固氮,2023/9/18194.土壤氮素管理与环境质量现状：氮,2024/11/22,20,施用氮肥对环境质量的影响,据估计，我国农业中氮损失正以惊人速度增加，如,1969-1973,年农业中氮（化肥和有机肥）年损失,500,万吨，其中化肥为,200,万吨，是同期化肥氮用量,69%,；,1994-1998,年，氮年损失,2300,万吨，其中化肥氮为,1900,万吨，为同期化肥氮的,84%,。,氮损失量增加与氮肥利用率有很大关系，氮肥利用率低可能是氮肥损失原因，也可能是氮肥损失的结果。,20,世纪,60,年代氮肥利用率为,0.6,，,70,至,80,年代为,0.50.4,，,90,年代则进一步下降为,0.350.32,2023/9/1820施用氮肥对环境质量的影响 据估计，我国,2024/11/22,21,施用氮肥对土壤健康质量的影响,对于氮肥来说，最易引起土壤变化的性质就是,pH,。连续施用氮肥会导致土壤,pH,降低，在酸性土壤上问题尤为明显。,酸性土壤交换性钙含量低，每加入,100kg,硫酸铵就需要,110kg,的碳酸钙去中和由于氮肥所产生的酸度。如果不施加石灰校正土壤酸度，锰和铝的过量释放将会产生对植物的毒害作用,2023/9/1821施用氮肥对土壤健康质量的影响 对于氮肥,2024/11/22,22,施用氮肥的水体污染,施用化肥对水体环境影响多方面，如水体富营养化、,NO,3,-,和,NO,2,-,污染等。一般来说，在封闭性湖泊和水库水中，氮（,N,）浓度超过,0.2 mg/L,，磷（,P,）浓度达到,0.015mg/L,时就可能引起“藻化”现象。从土壤学角度看，这两个浓度很易达到。,目前氮和磷是我国湖泊富营养化的主要诱因，五大淡水湖泊（太湖、洪泽湖、鄱阳湖、洞庭湖和巢湖）水体中营养盐均远超过氮磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度高达,10,倍以上。我国几乎所有的江湖河海和局部的地下水都不同程度遭到了氮和其化合物的污染。,2023/9/1822施用氮肥的水体污染 施用化肥对水体环境,2024/11/22,23,施用氮肥的大气污染,氮肥施入土壤后，部分会以气态形式损失掉，如,NH,3,、,NO,、,N,2,和,N,2,O,等。在近地面的环境中，,NO,x,在阳光下与氧气反应，形成臭氧，组成化学烟雾，刺激人、畜的呼吸器官；在农田则对农作物产生危害,大气中,N,2,O,正以,0.25%,的年增长率上升，其中，热带和农业土壤被认为是全球重要的,N,2,O,释放源，贡献率达,70%90%,。在美国，来自农田的,N,2,O,大约有,405kt-1011kt,。,近,20,年来，农业生产的,N,2,O,的释放及其影响因素的研究成为氮素生物化学循环研究的新热点。,2023/9/1823施用氮肥的大气污染 氮肥施入土壤后，部,2024/11/22,24,施用氮肥对作物品质和人体健康影响,高剂量施用化肥势必造成土壤特性的迅速变化。,土壤特性的变化势必引起作物品质的变化。高剂量施用单一化肥，将引起土壤中各种元素的比例失调，最后导致作物产生新的生化过程,2023/9/1824施用氮肥对作物品质和人体健康影响 高剂,