第8章-土壤氮、磷循环与环境效应-环境土壤学ppt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,2017-08-03,#,第七章 土壤氮、磷循环与环境效应,2024/11/26,2,主要内容,第一节,.,土壤中氮素转化与环境质量,第二节,.,土壤中磷素的转化与环境质量,第三节,.,土壤中氮磷流失控制,第一节,.,土壤中氮素转化与环境质量,一,.,土壤氮素的含量及其来源,二,.,土壤中氮素的形态,三,.,土壤中氮素的转化,四,.,土壤氮素管理与环境质量,2024/11/26,3,2024/11/26,4,一,.,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。,2024/11/26,5,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。,2024/11/26,6,二,.,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,-,),。,2024/11/26,7,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,5,070%,，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 。,2024/11/26,8,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。,2024/11/26,9,全 氮,有效氮：,能被当季作物利用的氮素，包括无机氮,(,高岭石,蒙脱石,方解石非结晶态铁铝氧化物,结晶态铁铝氧化物,（,2,）土壤,pH,和电解质,大多数土壤中，,pH,值在,6.0-6.5,范围内磷的有效性最高。,pH,值较低,(7,时，土壤中磷酸钙镁盐的固定，又使磷有效性降低。,在吸附动力学研究中，,Langmuir,的最大吸附量和,Freundlich,的吸附常数均与土壤,pH,成显著的负相关。这是由于在低,pH,时，铁铝氧化物的活度增大，而且磷酸根离子置换出来的,OH,-,可以很快被中和，而且随着,pH,降低，土壤阴离子交换吸附能力也增强。,（,3,）土壤有机质,土壤有机质含量高或施用有机肥料可减少磷的吸附固定，从而提高土壤磷的有效性。,主要的原因：,有机质在铁铝氧化物表面形成胶膜，抑制胶体对磷的吸附；,有机质及其分解产物如胡敏酸、富里酸和有机酸等与磷酸根竞争吸附位点，从而减少磷的吸附。其中简单有机酸阴离子的竞争能力按下列顺序递减：柠檬酸,酒石酸,草酸。,但是，也有不少资料表明，酸性土壤中磷吸附与土壤有机质含量呈正相关。,认为：,有机质能够稳定铁铝氧化物，从而增加其对磷的吸附；有机质本身的羟基也可能被磷酸根所取代而产生磷的配位吸附。,2.2,磷的解吸,是指吸附状态的磷重新进入土壤溶液的过程。是吸附的逆过程。,解吸开始阶段速率较快，以后逐渐变慢。吸附态磷的解吸比吸附过程要慢得多。所以，土壤磷素的解吸等温线并不与吸附等温线重合，发生滞后现象。原因为：,吸附后胶体与磷酸根离子形成双齿键，双齿结合的磷酸根比单齿结合的磷酸根要难以释放；,吸附态磷通过扩散进入结晶态合非结晶态铁铝氧化物的内部，从而失去了可解吸性，这种现象又为磷的吸收；,难溶性化合物的再结晶。,磷酸根把粘土矿物四面体中的硅置换下来，从而难以解吸,。,土壤磷解吸的机理主要有：,1,）化学平衡反应,土壤溶液中磷浓度因植物的吸收而降低，从而失去了原有的平衡，使反应向解吸方向进行；,2,）竞争吸附,所有能进行阴离子吸附的阴离子，在理论上都可与磷酸根有竞争吸附作用，从而导致吸附态磷的不同程度的解吸。,竞争吸附的强弱主要取决于磷与竞争阴离子的相对浓度。,3,）扩散,吸附态磷沿着浓度梯度向外扩散，进入土壤溶液。,三、土壤磷的化学沉淀和溶解,3.1,、磷的化学沉淀,由磷化学沉淀作用产生的化合物种类很多，据研究大约有,60,多种。在中性和石灰性土壤中以磷酸钙盐为主，而在酸性土壤中以磷酸铁铝盐为主。,化学沉淀反应一般发生在土壤溶液中磷浓度高的微域环境内，如肥料颗粒周围。,当水溶性磷肥如过磷酸钙施入土壤后，磷肥颗粒开始吸收土壤水分，并发生,异成分溶解（,Incongruent dissolution),，使颗粒内部磷的浓度升高至饱和或接近饱和，同时,pH,下降,(,约,1.5),。由于存在着浓度梯度，磷和质子以扩散的方式进入周围土壤，扩散过程中将会溶解土壤中大量的铁、铝、钙、镁等离子。,当溶液中磷与这些阳离子的活度积高于相应难溶性化合物溶度积时，发生磷的化学沉淀。,3.2,难溶性含磷化合物的溶解,土壤中难溶性含磷化合物的溶解主要受溶度积控制的，并受到,pH,等因素的影响。例如，氟磷灰石在酸性介质中的反应为：,Ca,5,(PO,4,),3,F + 7H,+,5Ca,2+,+ 3H,2,PO,4,-,+ HF,根据氟磷灰石的溶度积和磷酸的解离常数，可以从理论上计算出氟磷灰石施入土壤后溶液中磷酸根离子（,H,2,PO,4,-,）浓度与土壤,pH,的关系：,pH,2,PO,4,-,= 2pH - 5.18,表明，土壤溶液中磷酸根离子的浓度与,H,+,浓度呈对数直线关系。土壤,pH,越低，越有利于氟磷灰石的溶解；,土壤中钙离子活度是影响氟磷灰石溶解的另一重要因素，钙活度低则有利于其溶解；,土壤溶液中磷酸根离子活度越低则有利于氟磷灰石溶解。,四、土壤磷的生物转化,2024/11/26,58,Organic-P,(available P),Cycling: A slow release mechanism,H,x,PO,4,x-3,mineralization,immobilization,Solid Phase-PO,4,(unavailable),影响土壤生物活性的土壤物理和化学因素，均可能影响有机磷的矿化。,Factors controlling organic P mineralization,C:P ratio of organic residues 200,矿化,Soil temperature,最适温度,35,Soil moisture,Soil texture,Tillage,4.2,无机磷的生物活化,土壤生物的活动可以促进吸附态磷的解吸和难溶态磷的溶解，其主要作用机理为：,1,）螯溶作用,2,）还原作用,3,）竞争抑制作用,4,）化学平衡作用,5,）菌根吸收作用,。,4.3,植物根系与根际磷的活化,植物积极地参与根际土壤中磷活化作用，促进磷的释放和提高其植物有效性。植物在这方面的作用具有明显的种类和基因型差异的特征。,1,、植物吸收作用,植物根系对磷的吸收，降低了土壤溶液中磷的活度，可促进根际土壤吸附态磷的解吸和难溶性磷的溶解。,植物根系的吸收造成土壤溶液中磷的活度降低，在低磷胁迫下，植物会通过改变根系的形态和结构，增加吸收范围，提高其对磷的吸收利用能力。例如，低磷胁迫下，根系的数量、长度，根毛的数量、长度以及根系比表面积增加，从而增加对磷的吸收能力。,植物对钙的吸收利用也可促进磷的释放。例如，对钙吸收能力强的植物种类，对磷灰石中磷的利用能力也较大。有人认为植物体内,CaO/P,2,O,5,1.3,的植物往往具有较强的利用磷矿粉的能力。,2,、根系的活化作用,植物根系对阴阳离子吸收不平衡（如吸收,NH,4,+,NO,3,-,),可释放,H,+,；根系和根际生物呼吸作用产生的,CO,2,；低磷胁迫下植物根系可分泌各种有机酸如柠檬酸、苹果酸和草酸等。上述过程产生的根际酸化作用可促进难溶性含磷化合物的溶解。,根系分泌的有机酸通过与金属离子的螯合，或与磷酸根离子竞争吸附位点，减少磷的吸附固定或促进磷的释放。,根系分泌的有机化合物可在铁铝氧化物表面形成胶膜，减少磷的吸附固定。,根系的呼吸作用和分泌的还原性物质，降低了根际,Eh,，导致高价铁的还原，从而活化磷酸铁盐。,根系释放铁载体可以与铁、锌等金属离子结合提高其有效性，同时促进与之结合的磷酸根的释放。,3,、有机磷的酶促分解,有机磷的水解作用是由根系分泌的酸性磷酸酶（,Acid phosphatase),、真菌酸性和碱性磷酸酶、细菌碱性磷酸酶来完成。,磷酸酶是一种适应性酶，它在缺磷胁迫下，根系分泌的磷酸酶活性将大大提高。,已证明酸性磷酸酶是一种主要由根系分泌的胞外酶,(Ectoenzyme),，其分泌部位是根尖部位。,由于酸性磷酸酶的分泌，促进有机磷的水解可大大改善植物的磷素营养。,根系与根际生物之间的相互作用能够促进植物磷的活化和吸收。,植物根系与菌根真菌共生，可以扩大根系对磷的吸收范围，而且菌根可以分泌,H,+,、有机酸等而使菌根际,pH,降低，还可分泌磷酸酶，从而促进有机磷的分解和无机磷的活化，改善植物的磷素营养状况。,4,、根系与土壤生物的相互作用,五、土壤供磷能力及其影响因素,5.1,土壤磷素供应能力,是指土壤满足作物对磷需求的能力。,它是一个综合概念，主要包括土壤磷素供应的强度因素、容量因素、缓冲能力和土壤磷向根表迁移过程。,由于土壤磷的存在形态和组分复杂，其植物有效性的大小也难以确定。因此，人们常简单地把土壤磷分为三个部分来评价土壤磷的植物有效性。三者的关系为：,水溶性磷,易转化态磷,难溶性磷,土壤对磷的供应能力，一是决定于土壤溶液中磷的浓度，称为土壤磷素供应的强度因素,I (Intensity factor),，水溶态磷通常用,0.01mol/L CaCl,2,浸提测定，并根据溶液中的离子强度、,pH,值和磷酸根的解离常数计算磷的活度。,二是决定于土壤固相补充溶液磷的数量，称为土壤磷素供应的容量因素,Q (Quantity factor),，它是易转化态磷（又称活性磷，,Labile P,）的数量，即与土壤溶液中磷酸根离子处于平衡状态的固相磷数量，主要是吸附态磷，也包括新沉淀的无定型或结晶态磷以及易分解的有机态磷。,三是取决于土壤固相补充磷的能力，称为土壤磷素供应的缓冲能力,BC (Buffering capacity),。缓冲能力是土壤磷素供应的容量因素,(Q),与强度因素,(I),的比值，它是表征土壤保持溶液中磷浓度的能力，即土壤向液相补充或释放磷的能力，主要是通过固相磷的解吸和溶解。,BC = Q/ I (b = dCs/dCl),上述,3,项（,I,、,Q,、,BC),构成了土壤磷素供应能力的主体,。,1,、土壤,pH,2,、土壤有机质,3,、无机胶体的种类和性质,4,、土壤质地,5,、土壤水分,6,、土壤温度,5.2,影响供磷能力的土壤因素,六、土壤磷素循环与环境效应,The Phosphorus Cycle in Soil,Solution P,Crop,harvest,Manure P,Labile,organic P,Stable,organic,P,Fertilizer P,Labile,inorganic P,Stable,inorganic P,Soil test P,Runoff,Erosion,Leaching,Phosphorus in the Environment,P is an essential element for plants and animals,High P is generally non-toxic to plants or animals,Relatively immobile in soil,P causes accelerated eutrophication,Excessive growth of algae and aquatic plants,Limits use of water for drinking, fishing, recreation, etc.,PHOSPHORUS AND WATER QUALITY,Phosphorus additions to natural waters can stimulate weed and algae growth.,Vegetative growth and oxygen depletion reduce water quality.,Phosphorus losses from agriculture can be a major source of P entering lakes and streams.,Phosphorus (P) Loss Processes,In surface runoff:,Soluble (dissolved) P,Particulate P (soil particles),By leaching,Does phosphorus leach?,Soil P to Water: Transport,Rainfall:,Infiltration & Percolation,Surface Runoff:,(Dissolved P),Soil Erosion:,(Particulate P),Total Surface P Loss:,(Particulate & Dissolved P),Release of soluble soil P to runoff,Zone of surface soil and runoff interaction (5 cm),Subsurface runoff of P,P,Leaching,P Losses due to Runoff,from SERA-IEG 17,P runoff loss from fields with similar soil P test values, varies with a sites slope and vegetation cover,Well-Vegetated Soil,Bare Soil,Land Slope (%),P Runoff Loss,Potential P loss related to soil test P,Soil Test P,Low,Potential P Loss,High,Medium,Soil P, Crop yield & Environment,Relationship of soil P (low-optimal), crop response and potential environmental impacts of P,Percent Yield,Soil Test P (lbs/ac),Potential Environmental Problems,Medium,Optimal,Lo,w,300,0,100,Eutrophication and phosphorus,Eutrophication is the term used to describe the process of phosphorus enrichment.It can be defined as:,The over-enrichment of lakes and rivers with nutrients, usually phosphorus, leading to excessive growth of algae and other aquatic plants,.,Eutrophication,P is usually limiting,Increased algae rowth,Dissolve Oxygen Fish kill Palatability is reduced and toxins introduced,N vs P Behavior,Crop Uptake,P,Runoff/Erosion,Leaching,N,Runoff/Erosion,Leaching,Volatilization,Denitrification,Crop Uptake,N Behavior,P Behavior,The Phosphorus Cycle,Animal,manures,and biosolids,Mineral,fertilizers,Crop,harvest,Runoff and,erosion,Leaching,(usually minor),Organic phosphorus,Microbial,Plant residue,Humus,Primary,minerals,(apatite),Plant,residues,Plant,uptake,Soil solution,phosphorus,HPO,4,-2,H,2,PO,4,-1,Secondary,compounds,(CaP, FeP, MnP, AlP),Dissolution,Precipitation,Mineral,surfaces,(clays, Fe and,Al oxides,carbonates),Weathering,Adsorption,Mineralization,Immobilization,Desorption,Input to soil,Component,Loss from soil,Atmospheric,deposition,第三节 土壤氮磷流失污染控制,2024/11/26,86,一、土壤氮磷流失与水环境,二、土壤氮磷流失时空分布特征,三、土壤氮磷流失的影响因素,四、土壤氮磷流失的控制措施,2024/11/26,87,一、土壤氮磷流失与水环境,2024/11/26,88,1.,暴雨：在降雨事件下,各污染物输出浓度总体上高于非降雨条件的污染物浓度。,2024/11/26,89,2.,土壤淋溶流失：来源于地表径流和土壤水的向下渗漏，在降雨和灌溉水的作用下，土壤中的氮部分直接以化合物的形式渗到土壤下层，大部分以可溶性的,NO,3,-,、,NO,2,-,NH,4,+,渗入到土壤下层。,淋溶条件：降雨量、灌溉量、施肥量、土壤厚度、渗透性、温度和地表覆盖度等。,2024/11/26,90,二、土壤氮磷流失时空特征,1,、土壤氮磷流失时间变异特征,2024/11/26,91,2,、土壤氮磷流失空间变异特征,2024/11/26,92,2024/11/26,93,三、土壤氮磷流失影响因素,土地利用方式,2024/11/26,94,气候条件,2024/11/26,95,2024/11/26,96,植被覆盖,2024/11/26,97,农田水肥管理与耕作方式,2024/11/26,98,四土壤氮磷流失控制措施,源头控制措施,1,）合理进行水肥管理,2,）氮磷高效品种资源的利用,3,）合理控水灌溉,4,）采取适当耕作方式、施肥方式,2024/11/26,99,膜下滴灌水肥一体化技术把滴灌技术与地膜覆盖栽培技术结合起来，充分利用滴灌施肥的节水节肥作用，配合地膜覆盖的增温保墒作用，从而达到节水、节肥、高产、优质的目的。,滴灌水肥一体化技术是借助压力灌溉系统，将可溶性固体肥料或液体肥料配兑而成的肥液与灌溉水融为一体，均匀、准确、定时、定量地供给作物吸收的一项农业新技术。也就是利用其灌溉系统设备，把灌溉水或溶于水中的化肥溶液加压,(,或地形自然落差,),、过滤，通过各级管道输送到田园，再通过滴头以水滴的形式不断地湿润果树根系主要分布区的土壤，使其经常保持在适宜作物生长的最佳含水状态。,迁移过程控制措施,1,）利用生态措施控制氮磷流失,生态缓冲带,湿地生态系统,2024/11/26,101,2,）利用工程措施控制氮磷的流失,2024/11/26,102,模型与,3S,技术的应用,SWAT,（,Soil and Water Assessment Tool,）是由,美国农业部,（,USDA,）的农业研究中心,Jeff Arnold,博士,1994,年开发的。模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、,土地利用方式,和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。,SWAT,模型采用日为时间连续计算。是一种基于,GIS,基础之上的,分布式流域水文模型,，近年来得到了快速的发展和应用，主要是利用,遥感,和,地理信息系统,提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程，如水量、水质、以及杀虫剂的输移与转化过程。,2024/11/26,103,探讨：滇池,区域氮磷土壤污染问题探讨,地理位置,滇池,滇池是滇池流域的心，位于昆明市城区西南，是云南最大的高原淡水湖泊，其北端紧邻昆明市大观园，南端至晋宁县内，距市区,5,公里,。,N24,29,24,28,纬度,E102,29,103,1,经度,位于云贵高原中部,滇池形状为弓形，海拔,1887.5,米，总面积,311.338,平方公里，分为内湖（草海）与外湖（外海），其中内湖面积,10.67,平方公里，外湖面积为,287.1,平方公里，湖长,41.2,千米，最大宽度,13.3,千米，平均宽度,7,56,米，最大水深,11.3,米，平均水深为,5.12,米，容积,15.931,亿立方米,。,2,、详细情况,滇池,污染现状,1,、昔日的美景,出绿柳荫知岸远，入红莲路荡舟轻。玉峰真似蓬莱岛，只许遥遥镜里呈。,乾隆,雨后昆明湖泛舟骋望,2,、现状,总体可概括为：水体表面漂浮大量垃圾；水 体富营养化导致水葫芦、蓝藻等的蔓生；滇 池海岸面积缩减。,表面的固体垃圾,疯长的水葫芦与绿萍,严重富营养化,湖泊位置,湖泊面积,（平方米）,水质类别,总磷,（,mg/l,）,总氮,（,mg/l,）,透明度,（,m,）,营养程度评价,滇池草海,7.5,V,0.64,7.72,0.62,富营养,滇池北部西部,120.1,V,0.34,0.81,0.37,富营养,滇池东北部,12.0,V,0.29,0.69,富营养,滇池北部,85.0,V,0.28,0.68,0.40,富营养,滇池南部,70.0,V,0.67,0.40,富营养,滇池外海,287.1,V,0.75,0.39,富营养,据调查显示，,草,海水质为劣,类，综合营养指数为,76.1,，属重度富营养状态，外海水质达到,类地表水标准，综合营养指数,62.5,，属中度富营养化。主要入湖河道,29,条，水质大多为劣,V,类。,2024/11/26,114,作业一,从环境土壤学失角度分析滇池周围土壤氮、磷流失影响因素和控制措施。,2024/11/26,115,作业二,2.,绘制氮磷循环图，并用实例方式描述土壤氮磷流失对环境影响。,2024/11/26,116,