陆地生态系统氮循环.ppt

氮的系统内循环 矿化作用概况溶解有机氮的产生和归宿铵的产生和归宿硝酸盐的产生和归宿 矿化作用概况 在自然生态系统中 大部分 99 土壤氮来源于植物 动物和微生物死的有机体 溶解有机氮 DON 微生物分解死的有机物时 在胞外酶的作用下释放出来的氮 死有机体中的大部分氮分配在复杂聚合体 如蛋白质 核酸 中的 但是他们太大而不能穿过微生物膜 因此微生物必须分泌胞外酶 蛋白酶等 去裂解聚合体变成小的水溶性的亚单位 如氨基酸和核酸 才能被微生物细胞吸收 固持作用 无机氮 NH4 或NO3 被微生物吸收和化学固定的过程 氮素矿化作用 微生物裂解DON 同时释放NH4 到土壤的过程 也称氮素铵化作用 铵是直接产物 硝化作用 从铵到硝酸盐的转化过程 反硝化作用 从硝酸盐到铵的转化过程 陆地氮循环简化示意图 溶解有机氮的产生和归宿 从不溶解的有机氮到溶解的有机氮 DON 的转化是氮素矿化作用最初的一步 也通常是限速步骤 因为所有的有机氮在它能被微生物吸收和矿化前 首先必须变成溶解态的 所以就生态系统的氮通量而言 通过DON的氮通量应该是很大的 产生机理前面DON定义时有介绍 尿素经尿素酶作用生成氨气和二氧化碳 归宿 1 被微生物吸收利用2 微生物矿化作用 DON NH4 3 吸附到土壤交换复合体4 淋溶进入地下水 铵的产生和归宿 总矿化作用 通过矿化作用释放的氮总量 净矿化作用 在特定时间内 无机氮进入土壤溶液的净积累 土壤溶液是土壤中水分及所含溶质的总称 是土壤的液相部分 主要包括无机离子 有机离子和聚合离子以及他们的盐类 铵的产生 矿化作用 反硝化作用微生物通过矿化作用将DON中的氮变为NH4 微生物维持自身生长需要消耗氮 所以关于微生物对NH4 的吸收和释放存在着一定的机制 铵化作用过程 通过微生物的铵是净吸收 净固持作用 还是净释放 净矿化作用 取决于碳的状态 当微生物生长是碳限制时 微生物主要利用DON中的碳 同时释放铵 即发生净矿化作用 当微生物生长是氮限制时 微生物则主要利用DON中的氮 就没有了铵的释放 即发生净固持作用 氨化作用的控制因素 微生物生物量的C N 微生物生物量的C N约为10 1 微生物分解有机物时 底物中约40 的碳转化为微生物的生物量 并通过呼吸作用将另外60 的碳以CO2的形式返回大气 在这种40 生长效率的情况下 微生物需要的C N约为25 1 25 1常被认为临界C N 高于这个值 为氮限制 没有净氮释放 低于这个值 则为碳限制 实际上 微生物生长过程中 C N总是变化的 细菌为5 10 真菌为8 15 铵的归宿 1 被植物或微生物吸收2 吸附到土壤矿物和带负电的有机体表面3 固定到某些铝 硅酸盐黏土或络合到稳定土壤有机质中 很难利用 4 挥发出氨气5 硝化作用 硝酸盐的产生和归宿 硝酸盐的产生 硝化作用 硝化作用 硝化细菌 含亚硝基类 铵 亚硝酸盐 含硝基类 亚硝酸盐 硝酸盐 使用硝化作用产生的能量固定CO2 从而获得碳 自养型 异养型 从有机质中获得能量进行硝化作用 硝化作用的控制因素 由上图可知 1 NH4 的可利用性是决定硝化作用速率最重要的直接因素 肥料输入和铵沉降是铵输入到许多生态系统的额外来源 2 氧是控制硝化作用的另一重要因素 因为大多数硝化细菌需要有氧才能氧化NH4 不同生态系统间矿化作用中氧化成硝酸盐部分的比例变化很大 硝酸盐的归宿 1 植物和微生物的吸收2 与土壤中阴离子交换点位发生交换3 反硝化作用4 通过淋溶丧失 氮的时空变异性 在精细尺度上的生态控制会导致氮循环的巨大时间和空间变异性 氮素矿化作用的季节性一般与植物氮吸收的季节性不一致 植物处于休眠季 土壤中的微生物能继续矿化氮 为植物活动准备有效氮 氮损失的途径 以气体形式丧失以溶液形式丧失侵蚀丧失 氮以气体形式的丧失 主要途径 氮挥发 硝化作用和反硝化作用氨气能从土壤和叶片中散发 农田使用的铵肥和尿素一般会有20 30 的氮以氨气形式丧失 硝化作用中 会产生NO和N2O等副产品 他们占得比率为10 20 反硝化作用 反硝化作用需要三个条件 低氧 高硝酸盐浓度和可以用的有机碳NO3 还原的序列为 NO3 NO2 NO N2O N2最后三个产物 会以气体形式释放到大气中 土壤反硝化作用的主要控制因素 火灾也会造成大量气态氮的丧失氮素气体在大气中的角色NH3 NH4 与空气中的酸 硫酸 发生反应 中和空气酸度 NOX可作为CO O2 O3的催化剂 而O3是产生对流层光化学烟雾的重要成分 N20活性较低 在大气中具有150年的 寿命 同时也是温室气体 对红外线的吸收 是CO2的200倍 氮以溶液形式的丧失 淋溶 大多数生态系统中 以溶液形式丧失的氮主要是硝酸盐和溶解有机氮 硝酸盐淋溶的上升是氮饱和的特征之一 森林对阻止土壤中氮等营养物质流失的作用 无植被期 营养物质大量流失 随着植被逐渐恢复 营养物质的流失也得到了逐步缓解 并最终基本达到初始水平 硝酸盐进入地下水 被还原会形成亚硝酸盐 人和动物饮用后 会减弱