土壤氮磷转化与环境质量环境土壤学

第七章土壤中氮、磷转化与环境质量,2020/6/5,2,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,2020/6/5,3,2020/6/5,4,一.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：1.5-10.5kg/hm2.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。,2020/6/5,5,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。,2020/6/5,6,二.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(NH4+)；硝态氮(NO3-)；亚硝态氮(NO2-)。,2020/6/5,7,有机态氮占全氮的绝大部分，95%以上。可溶性有机氮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（Incongruentdissolution)，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：Ca5(PO4)3F+7H+5Ca2+3H2PO4-+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（H2PO4-）浓度与土壤pH的关系：pH2PO4-=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,2020/6/5,58,Organic-P,(availableP),Cycling:Aslowreleasemechanism,HxPO4x-3,mineralization,immobilization,SolidPhase-PO4,(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。FactorscontrollingorganicPmineralization,C:Pratiooforganicresidues200矿化Soiltemperature最适温度35SoilmoistureSoiltextureTillage,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/P2O51.3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NH4+NO3-)可释放H+；根系和根际生物呼吸作用产生的CO2；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（Acidphosphatase)、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(Intensityfactor)，水溶态磷通常用0.01mol/LCaCl2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(Quantityfactor)，它是易转化态磷（又称活性磷，LabileP）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(Bufferingcapacity)。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pH2、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,ThePhosphorusCycleinSoil,SolutionP,Cropharvest,ManureP,LabileorganicPStableorganicP,FertilizerP,LabileinorganicPStableinorganicP,SoiltestP,Runoff,Erosion,Leaching,PhosphorusintheEnvironment,PisanessentialelementforplantsandanimalsHighPisgenerallynon-toxictoplantsoranimalsRelativelyimmobileinsoilPcausesacceleratedeutrophicationExcessivegrowthofalgaeandaquaticplantsLimitsuseofwaterfordrinking,fishing,recreation,etc.,PHOSPHORUSANDWATERQUALITY,Phosphorusadditionstonaturalwaterscanstimulateweedandalgaegrowth.Vegetativegrowthandoxygendepletionreducewaterquality.PhosphoruslossesfromagriculturecanbeamajorsourceofPenteringlakesandstreams.,Phosphorus(P)LossProcesses,Insurfacerunoff:Soluble(dissolved)PParticulateP(soilparticles)ByleachingDoesphosphorusleach?,SoilPtoWater:Transport,Rainfall:Infiltration&Percolation,SurfaceRunoff:(DissolvedP),SoilErosion:(ParticulateP),TotalSurfacePLoss:(Particulate&DissolvedP),ReleaseofsolublesoilPtorunoff,Zoneofsurfacesoilandrunoffinteraction(5cm),SubsurfacerunoffofP,PLeaching,PLossesduetoRunofffromSERA-IEG17,PrunofflossfromfieldswithsimilarsoilPtestvalues,varieswithasitesslopeandvegetationcover,PotentialPlossrelatedtosoiltestP,Low,High,Medium,SoilP,Cropyield&Environment,RelationshipofsoilP(low-optimal),cropresponseandpotentialenvironmentalimpactsofP,PercentYield,SoilTestP(lbs/ac),PotentialEnvironmentalProblems,Medium,Optimal,Low,300,0,100,Eutrophicationandphosphorus,Eutrophicationisthetermusedtodescribetheprocessofphosphorusenrichment.Itcanbedefinedas:Theover-enrichmentoflakesandriverswithnutrients,usuallyphosphorus,leadingtoexcessivegrowthofalgaeandotheraquaticplants.,Eutrophication,PisusuallylimitingIncreasedalgaerowthDissolveOxygenFishkillPalatabilityisreducedandtoxinsintroduced,NvsPBehavior,CropUptake,P,Runoff/Erosion,Leaching,N,Runoff/Erosion,Leaching,Volatilization,Denitrification,CropUptake,NBehavior,PBehavior,ThePhosphorusCycle,Animalmanuresandbiosolids,Mineralfertilizers,Cropharvest,Runoffanderosion,Leaching(usuallyminor),OrganicphosphorusMicrobialPlantresidueHumus,Primaryminerals(apatite),Plantresidues,Plantuptake,SoilsolutionphosphorusHPO4-2H2PO4-1,Secondarycompounds(CaP,FeP,MnP,AlP),Dissolution,Precipitation,Mineralsurfaces(clays,FeandAloxides,carbonates),Weathering,Adsorption,Mineralization,Immobilization,Desorption,Inputtosoil,Component,Lossfromsoil,Atmosphericdeposition,第三节土壤氮磷流失污染控制,2020/6/5,86,一、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,2020/6/5,87,一、土壤氮磷流失与水环境,2020/6/5,88,1.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。,2020/6/5,89,2.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NO3-、NO2-NH4+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。,2020/6/5,90,二、土壤氮磷流失时空特征,1、土壤氮磷流失时间变异特征,2020/6/5,91,2、土壤氮磷流失空间变异特征,2020/6/5,92,2020/6/5,93,三、土壤氮磷流失影响因素,土地利用方式,2020/6/5,94,气候条件,2020/6/5,95,2020/6/5,96,植被覆盖,2020/6/5,97,农田水肥管理与耕作方式,2020/6/5,98,四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,2020/6/5,99,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,2020/6/5,101,2）利用工程措施控制氮磷的流失,2020/6/5,102,模型与3S技术的应用SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）是由美国农业部（USDA）的农业研究中