[农学]第十二章 土壤养分循环.ppt

生物从土壤吸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,第十二章 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、Ca、Mg、S(中量营养元素) 微量营养元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl,重要生命元素，在农业生产中为“肥料三要素”之首。,第一节 土壤氮素循环,氮素,一、陆地及土壤生态系统中的氮循环,（一）土壤氮素含量及影响因素 1、土壤氮素含量 耕作土壤：耕作层(0.05%0.5%) 心土层、底土层(0.02%) 草地、林地：0.5%0.6%。 2、影响土壤氮素含量的因素 (1) 有机质含量 氮素主要存在于有机质中，二者呈平行正相关关系。 (2)植被: 归还氮素、固定氮素,二、土壤氮的获取、形态和转化,（3）气候 主要是水、热条件引起有机质的分解与合成 （4）质地 质地愈粘重、有机质含量愈高 （5）地势 主要是引起水热条件变化 （二）土壤氮素的获取 1、生物固氮(自生和共生固氮菌完成) 2、雨水和灌溉水带入氮 3、施肥（有机肥和化学肥）,其中95%以上为有机态氮，无机态氮一般不超过5%。土壤的全氮和有机质含量之间存在高度正相关关系。,（三）土壤氮的形态及其有效性,耕地土壤的全氮量一般低于自然土壤，其中水田土壤的全氮量又低于旱地土壤。,1、土壤全氮,四川耕地土壤全氮分级面积统计,全省水田土壤全氮分级面积是高、低两头小，中等大； 旱地土壤则以低等和较低为主（占62.4%）。,据四川第二次土壤普查资料:,2、无机态氮 包括NH4+N、NO3-N、 NO2-N。旱地土壤无机氮一般以NO3- N较多，淹水土壤则以NH4-N占优势。 3、有机态氮 包括水溶性氮、水解性氮、非水解性氮。大部分是腐殖物质。它们需经微生物分解矿化成无机氮后才能为植物吸收利用。,土壤氮的形态及其有效性,（四）土壤中氮的转化 1、有机氮的矿化氨化过程 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+） 2、铵的硝化：NH4+NO3-分两步 亚硝酸微生物 2NH4+3O2 2NO2-+2H2O+4H+ 硝酸微生物 2NO2-+ O2 2NO3 - 3、无机态氮的生物固定,三、土壤氮的损失 1、淋洗损失（NO3-的淋失） NH4+、NO3-易溶于水，带负电荷的土壤胶体表面对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。,4、铵离子的矿物固定 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。,2、反硝化作用，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 反硝化的临界Eh约为334mv，最适pH为7.08.2，pH小于5.25.8的酸性土壤，或高于8.29.0的碱性土壤，反硝化作用显著下降。,3、氨态氮挥发损失 主要发生在碱性土壤中 NH4+OH- NH3H2O,四、土壤氮的调控 1、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。 （1）有机肥与无机氮肥（化肥）配合施用。,有机质C/N 30 3015 15 氮的固定量矿化量 固定量矿化量 固定量矿化量 补充化肥 补充有机质,有机质丰富的土壤，施用绿肥等新鲜有机肥产生正激发效应，促进土壤原来有机氮的矿化和更新。 有机质缺乏的土壤，施用富含木质素的粗有机肥，产生负激发效应，增加土壤有机质和氮的积累。,“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）。,2、防止土壤氮的损失,（2）应用“激发效应”调节土壤有机质和氮素平衡,亚硝酸盐是人的致癌物质和植物的有害物质。其产生和积累条件： （1）Eh NH4+NO2-（亚硝化过程） E00.345V NO2-NO3- （硝化过程） E00.421V （2）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。,3、避免有害物质NO2-的积累,（3）游离NH4+的影响 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,第二节 土壤磷和硫的循环,一、土壤磷的形态和数量 P2O5%=P%2.291 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。 （一）无机态磷 3种相互平衡的形态 溶解 吸附 矿物态 水溶态 吸附态 沉淀 解吸,1、水溶态磷土壤溶液中的磷 H2PO4-、HPO42-、PO43-，其相对浓度（比例）随溶液pH而变化。 H2PO4- HPO42-H+，pK27.2 当土壤溶液pH=7.2时，H2PO4-和HPO42-各占一半 pH7.2时以H2PO4-为主 pH7.2时以HPO42-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H2PO4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（CaCO3）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。 （1）Ca-P（钙磷），以磷灰石为主,氟磷灰石Ca5(PO4)3F 溶度积10-120.9 氢氧磷灰石Ca5(PO4)3OH 溶度积 10-113.7 磷酸八钙Ca8H2(PO4)6 溶度积 10-46.9 磷酸三钙Ca3(PO4)2 溶度积 10-26.0 磷酸二钙CaHPO4 溶度积 10-6.56 溶解度随pH降低而增大。 （2）Fe-P（铁磷） 以粉红磷铁矿FePO42H2O为代表，溶度积10-34.9。 （3）Al-P（铝磷） 以磷铝石AlPO42H2O为代表，溶度积10-30.5。 Fe-P和Al-P的溶解度随pH升高而增大。,（4）O-P（闭蓄态磷） 氧化铁胶膜包被的磷酸盐，无效磷。当Fe2O3胶膜还原溶解后，磷被释放。 (二)有机态磷 土壤有机磷含量变化大，一般占土壤表层全磷的2080%，随土壤有机质含量增加而增加。一般需经矿化为无机磷后才能被植物吸收利用。 土壤有机磷的化学组成，目前大部分为未知，已知者主要有3种。 （1）植素类植酸与钙、镁等离子结合而成。一般占土壤有机磷总量的2030%。,（2）核酸类含磷、氮的复杂有机化合物。多数报道占土壤有机磷总量的110%。 （3）磷脂类醇、醚溶性的有机磷化合物，一般约占土壤有机磷总量的1%。容易分解矿化为磷酸。,土壤有机磷的分解决定于微生物活性及其适宜环境，尤其是土温，低温限制其分解和有效化。 二、土壤磷循环与转化 （一）土壤磷的循环,（二）土壤磷的转化 1、成土过程中磷的转化,成土过程中由于生物作用，土壤中出现有机磷，并随有机质积累而增加。,随着土壤矿物风化程度的提高，CaP逐渐减少，FeP和OP逐渐增多，而AlP在各类土壤中所占的比重均较小。,在成土过程中，母质的磷矿物（主要是磷灰石）风化释放水溶态磷，并被次生矿物吸附固定，进而形成新的矿物态磷。,我国几种土壤的无机磷形态构成（引自中国土壤）,2、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。 （三）土壤磷的调节 1、活性磷和磷的固定 （1）土壤磷可分为活性磷和非活性磷，土壤全磷中，活性磷只占极小部分，且与全磷无相关性，非活性磷则占95%以上。,（2）土壤活性磷有效磷（速效磷） 包括可被植物吸收的水溶态磷，部分或全部吸附态磷和易矿化有效态有机磷以及某些易溶解的沉淀态磷酸盐。 （3）土壤有效磷在化学上的意义 土壤有效磷：能与32P进行同位素交换或被某些化学试剂提取的磷。,其实“有效磷”的化学涵义并不确定，因为同一土壤用不同化学试剂提取的“有效磷”含量差异很大，由此提出的土壤有效磷的丰缺指标也不相同。,不同方法(提取剂)测定的土壤有效磷丰缺指标比较(P,mg/kg),注意：土壤有效磷须说明测定方法。,四川耕地土壤有效磷（碳酸氢钠法）含量分级面积,土壤有效磷缺乏临界值（P，mg/kg） 旱地作物一般为10，水稻为5，因为土壤淹水后，部分非活性磷将转化为有效磷。四川水田土壤近1/2缺磷，旱地土壤近90%缺磷。,土壤活性磷与非活性磷在一定条件下相互转化。 固定 活性磷 非活性磷 有效化 有机质C/P200可分解释放有效无机磷。,2、提高土壤磷有效性的途径 （1）酸性土壤施用石灰，调节其pH至6.56.8。 （2）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。,（3）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。,（1）集中施肥（减少与土壤接触面），与有机肥配合施用，施用于作物近根区（磷的移动性小）。 （2）水旱轮作的磷肥施用，旱(作)重，水(稻)轻。 （3）酸性土壤施碱性磷肥（钙镁磷肥等），碱性土施酸性磷肥（过磷酸钙等）。 （4）氮磷配合。豆科作物以磷增氮。,3、磷肥施用注意问题,1、土壤硫的含量（S） 土壤硫主要来源：母质、灌溉水、大气沉降和施肥等。 矿质土壤含硫（S）量一般在0.10.5g/kg之间，随有机质含量增加而增加。,三、土壤硫的含量和形态,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： 一是土壤对硫的固定远不如磷。 二是施肥、雨水、灌溉水等可向土壤补给一定数量 的硫。,难溶态硫(FeS2、ZnS、等固态矿物态) (1)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) (2)有机态硫 其含量随土壤有机质增加而增加。,在湿润地区，土壤硫以有机硫为主，据我国南方10省土壤分析统计资料，有机硫占全硫86%(四川)94%(福建)。 北方干旱、半干旱地区土壤则以无机硫(CaSO4、Na2SO4)为主。,2、土壤硫的形态,3、有效硫的含量 土壤有效硫（S）分级为: 高：3050mg/kg 中：1630mg/kg，可满足作物需要 低：16mg/kg，作物容易出现缺硫现象 葱、姜、蒜是需硫较多的作物，蒜苔缺硫会导致抽苔率低。,在富含有机硫的水田土壤，在淹水还原条件下形成H2S、FeS等有害物质，在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。,四、土壤硫的循环和转化 在土壤硫的循环中，硫酸盐（SO42-）有特别的地位。,（1）土壤硫的输入 大气无机硫（SO2）的沉降。 含硫矿物质和有机质的输入。 （2）土壤硫的输出 植物吸收（SO42-）；SO42-的淋失；H2S的挥发。 2、土壤硫的转化 （1）有机硫的矿化和固定 （2） 矿质硫（SO42-）的吸附和解吸 （3）硫化物和元素硫的氧化：氧化产生H2SO4，导 致土壤酸化。,1、土壤硫的输入与输出,第三节 土壤中的钾钙镁,一、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。,土壤钾的形态（占全钾%）,非交换性钾（28%）,1、矿物钾,土壤胶体静电吸附的K+,与溶液中K+保持动态平衡，速效钾的主体。与非交换性钾之间也有某种平衡关系。,3、交换性钾,包括水云母和黑云母等固有的钾和21型粘土矿物所固定的钾。可逐渐转化为植物吸收利用的速效钾。 土壤缓效钾的分级指标： K600mg/kg 600300mg/kg 300mg/kg 高 中 低,2、非交换性钾，又称缓效钾,主要指原生矿物钾结构钾，极难风化，为无效钾。,4、水溶性钾（溶液钾） 为植物可直接吸收的速效钾，数量很少。土壤速效钾与全钾含量之间无相关性。 土壤速效钾含量（K，mg/kg）与钾肥肥效的关系,四川耕地土壤速效钾分级面积统计（第二次土壤普查资料）,二、土壤钾的转化及其调节,三、土壤钾的固定和释放及其影响因子 1、土壤钾的固定及影响因子 土壤钾的固定：交换性钾非交换性钾 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）。,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。,2、土壤钾的释放及影响因子,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（CaSO42H2O）的溶解度较高，橄榄石(Mg、Fe)2SiO4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。,四、土壤中的钙和镁,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,第四节 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。 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 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110mg/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。Cu2+、Zn2+、MoO4-、H4BO4-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 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