土壤学(第九章) 土壤养分循环.ppt

土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 第九章土壤养分循环 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 主要内容 教学目标与要求 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 1 重点掌握土壤氮 磷的转化过程 尤其是无效化过程 2 了解土壤钾 钙 镁的状况以及微量元素的重要性 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 土壤养分 指植物所必需的 主要是土壤来提供的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 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 大量元素养分 N P KCa Mg S 中量元素养分 微量元素养分 Fe Mn Zn Cu B Mo Cl Ni 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 土壤养分可以反复循环利用 典型的土壤养分再循环过程包括 1 生物从土壤中吸收养分 2 生物的残体归还土壤 3 在土壤微生物的作用下 分解生物残体 释放养分 4 养分再次被生物吸收 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 一 陆地及土壤生态系统中的氮循环 第一节土壤氮素循环 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 二 土壤氮的获取 形态和转化 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 我国不同地区耕层土壤氮素含量状况 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 共生和联合固氮 2 雨水和灌溉水带入氮3 施肥 有机肥和化学氮肥 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 三 土壤氮的形态及其有效性土壤全氮 含氮总量 其中95 以上为有机态氮 土壤的全氮和有机质含量之间存在高度正相关关系 四川耕地土壤全氮分级面积统计 第二次土壤普查资料 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 1 无机态N表土占1 2 最多5 8 底土可达30 可反映土壤供氮能力 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 有机态氮占全氮92 98 平均95 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 包括水溶性氮 水解性氮 非水解性氮 土壤氮的形态及其有效性 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 3O22NO2 2H2O 4H 硝酸微生物2NO2 O22NO3 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 3 无机态氮的生物固定无机氮 NH4 NO3 有机氮 生物有机体 4 铵离子的矿物固定NH4 离子半径为0 148nm 与2 1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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 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 NO N2O N2 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 3 氨态氮挥发损失主要发生在碱性土壤中NH4 OH NH3 H2O四 土壤氮的调控维持土壤氮素平衡 防氮损失 提高氮肥利用率 避免有害物质积累1 维持土壤氮素平衡氮以有机态氮为主 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 有机质C N 3030 15 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 2 应用 激发效应 调节土壤有机质和氮素平衡有机质丰富的土壤 施用绿肥等新鲜有机肥产生正激发效应 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 防止土壤氮的损失 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 碱性土少施碳铵 应用氮肥增效剂 硝化抑制剂 3 避免有害物质 NO2 的积累 亚硝酸盐是人的致癌物质和植物的有害物质 其产生和积累条件为 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 1 EhNH4 NO2 亚硝化过程 EO 0 345VNO2 NO3 硝化过程 EO 0 421V硝化过程要求的通气条件较亚硝化过程高 若通气条件不足以完成硝化过程 即可造成亚硝酸盐的暂时积累 2 pH硝化细菌比亚硝化细菌对pH反应敏感 NO2 易在pH 7 3的碱性环境积累 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 烂根和幼苗死亡 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 第二节土壤磷 phosphor 和硫 sulfur 的循环 一 土壤磷的形态和数量P2O5 P 2 291P P2O5 0 44我国土壤全磷 P 含量一般为0 2 1 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 pK2 7 2当土壤溶液pH 7 2时 H2PO4 和HPO42 各占一半pH 7 2时以H2PO4 为主pH 7 2时以HPO42 为主 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 水溶态磷还包括部分聚合态磷酸盐和某些有机磷化合物 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 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也较为常见 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 610 46 9磷酸三钙Ca3 PO4 210 26 0磷酸二钙CaHPO410 6 56溶解度随pH降低而增大 1 Ca P 钙磷 以磷灰石为主 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 Fe P 铁磷 以粉红磷铁矿FePO4 2H2O为代表 溶度积 10 34 9 3 Al P 铝磷 以磷铝石AlPO4 2H2O为代表 溶度积 10 30 5Fe 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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20 80 随土壤有机质含量增加而增加 有机磷一般需经矿化为无机磷后才能被植物吸收利用 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20 30 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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1 10 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 4 未知形态 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 二 土壤磷循环与转化 一 土壤磷的循环 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 二 土壤磷的转化1 成土过程中磷的转化在成土过程中 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 随着土壤矿物风化程度的提高 Ca P逐渐减少 Fe P和O P逐渐增多 而Al P在各类土壤中所占的比重均较小 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 我国几种土壤的无机磷形态构成 引自 中国土壤 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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10 20 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 P 200可分解释放有效无机磷 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 5 6 8 减少土壤对磷的固定 2 增加土壤有机质 减少磷的固定有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位 有机酸等螯合剂与Ca Fe Al螯合 促使其磷酸盐中磷的释放 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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Ca P的溶解度 土壤淹水Eh下降 铁被还原 使部分Fe P和O P活化为有效磷 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 3 磷肥施用注意问题 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 三 土壤硫的含量和形态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 岩浆岩含硫量较低 沉积岩含硫量较高 矿质土壤含硫 S 量一般在0 1 0 5g kg之间 随有机质含量增加而增加 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 主要原因 1 土壤对硫的固定远不如磷 2 施肥 雨水 灌溉水等可向土壤补给一定的硫2 土壤硫的形态无机态硫和有机态硫两大类 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 我国南方10省土壤有机硫占全硫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 中国南方十省土壤全硫和有效硫含量 注 括号内数字为样品数 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 3 有效硫的含量土壤有效硫包括水溶态和吸附态SO42 而水溶态S2 则对植物根系有害 土壤有效硫 S 分级为 高 30 50mg kg中 16 30mg kg 可满足作物需要低 16mg kg 作物容易出现缺硫现象 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 1 土壤硫的输入与输出 1 土壤硫的输入 大气无机硫 SO2 的沉降含硫矿物质有机质 2 土壤硫的输出植物吸收 SO42 SO42 的淋失H2S的挥发 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 土壤硫的转化 1 有机硫的矿化和固定有机质C S 300 400有利于有机硫的矿化 反之则产生无机硫的生物固定 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 第三节土壤中的钾钙镁 一 土壤钾 potassium 的形态和含量K2O K 1 2K K2O 0 83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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 1 矿物钾 mineralpotassium 无效钾 unavailablepotassium 主要指原生矿物钾 结构钾 极难风化 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 非交换性钾 non exchangeablepotassium 缓效钾 slowlyavailablepotassium 包括水云母和黑云母等固有的钾和2 1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 K 600mg kg600 300mg kg 300mg kg高中低 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 3 交换性钾 exchangeablepotassium 土壤胶体静电吸附的K 与溶液中K 保持动态平衡 速效钾 rapidlyavailablepotassium 的主体 交换性钾与非交换性钾之间也有某种平衡关系 4 水溶性钾 water solublepotassium 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 土壤速效钾含量 K mg kg 与钾肥肥效的关系 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 四川耕地土壤速效钾含量大部分为中 高水平 四川耕地土壤速效钾分级面积统计 第二次土壤普查资料 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 二 土壤钾的转化及其调节 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 调节 根据上述平衡关系 促进矿物钾的风化和非交换性钾的释放 减少速效钾的固定和流失 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 2 1型粘粒矿物 2 土壤质地 粘粒含量 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 2 土壤钾的释放及影响因子土壤钾的释放 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 钾的释放量随交换性钾含量下降而增加 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 四 土壤中钾素的调节 1 化学钾肥应适量 分次适用 避免一次施用过量 以减少钾的淋失和固定 2 采用条施 穴施等方式集中施肥 以提高土壤胶体上交换性钾的饱和度 增加钾的有效性 3 深施覆土以减少钾肥因表土频繁干湿交替引起的固钾量增多 4 增施有机肥料 维持或增加土壤腐殖质的含量 可以起到以下作用 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 1 提高土壤阳离子交换量 减少交换性钾的固定 2 有机质在转化过程中产生的有机酸可促进含钾矿物的风化 3 土壤有机质含量提高后可减弱蒙脱石类矿物的胀缩性 从而减少钾的固定 4 有机胶体以胶膜形式包被于粘粒矿物表面 阻止了钾离子与粘粒矿物的直接接触 从而可以减少钾的固定 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 五 土壤中的钙 calcium 和镁 magnesium 多数植物对钙的需要量大于镁 但缺钙的土壤不多 而土壤缺镁现象则较易发生 土壤镁的含量较钙为低 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 CaSO4 2H2O 的溶解度较高 橄榄石 Mg Fe 2SiO4 等易风化释放镁 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 土壤钙 镁的丰 缺状况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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 第四节土壤中的微量元素 microelement 循环 植物需要量甚微 其中Cu Zn B Mo Cl在地壳和土壤中含量甚微 而Fe Mn则属于土壤的丰富元素 但有时会因其有效性过低而出现缺乏 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 来源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 损失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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 微量元素转化 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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1 10mg L 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 阳离子 Fe3 Fe2 Mn2 Zn2 Cu2 水解离子 Fe OH Fe OH 2 Zn OH Mn OH Cu OH 等Mo和B HMoO4 MoO42 H4BO4 等 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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 只有包膜破坏后才能释放 故近于矿物态 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 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 酸碱度阳离子型微量元素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 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 对照 施钼 酸性紫色土花生施钼试验 土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系 2 EhFe 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 Cu2S而降低有效性 3 有机质过渡金属离子与有机化合物络合