土壤学第十章土壤元素的生物地球化学循环.ppt

1、第十章 土壤元素的生物地球化学循环,下午2时14分,2,10 土壤元素的生物地球化学循环,土壤元素的生物地球化学循环是“土壤圈”物质循环的重要组成部分。 土壤中化学元素以能量传递为驱动力，沿着土壤-生物-大气进行物质循环传递的过程(主要过程界定为:土壤-植物-大气)称为土壤元素的生物地球化学循环,下午2时14分,3,典型的再循环过程： 植物从土壤中吸收营养元素； 植物的残体归还土壤； 土壤微生物分解植物残体，释放营养元素； 营养元素再次被植物吸收。 土壤元素循环: 在生物参与下，营养元素从土 壤到植物，再从植物回到土壤的循环，是一个 复杂的生物地球化学过程,4,10 土壤元素的生物地球化学循环

2、,学习目标,掌握有关“土壤碳的生物地球化学循环”、“土壤氮的生物地球化学循环”、“土壤磷的生物地球化学循环”、“土壤硫的生物地球化学循环”、“土壤钾的生物地球化学循环”、“土壤微量元素的生物地球化学循环”的重要概念和基本原理；了解土壤磷的控制机制和影响土壤钾固定的因素,下午2时14分,5,10 土壤元素的生物地球化学循环,10-1 土壤碳的生物地球化学循环 一、土壤碳循环 二、土壤光合作用 三、土壤呼吸作用 四、土壤碳的固定 五、土壤碳酸盐转化与平衡过程 六、土壤碳循环与全球气候变化 10-2 土壤氮的生物地球化学循环 一、土壤氮循环 二、大气氮的沉降 三、大气氮的生物固定 四、土壤有机氮的矿

3、化 五、土壤铵的硝化 六、土壤无机氮的生物固定 七、土壤铵离子的矿物固定 八、土壤氨的挥发 九、土壤硝酸盐淋失 十、土壤反硝化损失 十一、土壤中氮损失的环境效应 十二、土壤氮的调控 10-3 土壤磷的生物地球化学循环 一、土壤磷循环 二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物固定 三、土壤磷的吸附与解吸,四、土壤磷的沉淀与溶解 五、土壤磷的流失 六、土壤磷的调控 10-4 土壤硫的生物地球化学循环 一、土壤硫循环 二、大气硫的沉降 三、土壤有机硫的矿化 四、土壤无机硫的生物固定 五、硫的氧化和还原 六、硫的吸附和解吸 七、土壤硫的调控和管理 10-5 土壤钾的生物地球化学循环 一、土壤钾的循环 二、土

4、壤钾的固定 三、土壤钾的释放 四、土壤钾的损失 五、土壤钾的控制与管理 10-6 土壤微量元素的生物地球化学循环 一、土壤微量元素的循环 二、土壤微量元素的吸附与解吸固定 三、土壤微量元素的沉淀与溶解 四、土壤微量元素的氧化与还原 五、土壤微量元素的络合与离解 六、土壤微量元素的调控与管理,下午2时14分,6,10 土壤元素的生物地球化学循环,10-1 土壤碳的生物地球化学循环 一、土壤碳循环,基本平衡,下午2时14分,10 土壤元素的生物地球化学循环,海洋中C,空气CO2,绿色植物,光合作用,石 油 煤,呼吸、燃烧、工业利用,土壤有机质,动物 微生物,矿化,一)土壤碳库在生物地球化学循化中的

5、周转 (二)土壤碳循环对土壤氮、硫、磷循环的影响,三)土壤碳循环对环境的影响 (四)当前土壤碳循环研究存在 的问题,下午2时14分,8,二、土壤的光合作用,绿色植物吸收太阳光的能量，同化C02和H2O，制造有机物质并释放氧的过程，称为光合作用，是土壤碳循环中重要的碳同化途径。光合作用产生的有机物质主要是碳水化合物，它是土壤有机碳的最初来源： 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2,下午2时14分,9,10 土壤元素的生物地球化学循环,三、土壤呼吸作用,在分压梯度的作用下，驱使CO2气体分子不断从土壤中向大气扩散，同时使 O2分子不断从大气向土壤空气扩散。土壤的这种从大气中吸收O2，

6、同时排出CO2的气体扩散作用，称为土壤呼吸,CO2,O2,下午2时14分,10,10 土壤元素的生物地球化学循环,土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最大碳汇，也是温室气体的主要碳源。土壤的巨大碳容量和天然固碳作用，能最有效地减缓碳释放。 关键：植树造林，扩大绿色植物在地面的覆盖率，促进光合作用和减少呼吸作用，延长有机碳在土壤中的存留时间,四、土壤碳的固定,下午2时14分,11,全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均土壤有机碳储量为每平方公里15339吨，土壤平均碳密度为48.8吨/公顷，低于美国的50.3吨/公顷、欧盟的70.8吨/公顷。 国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小环说，我国承诺

7、到2020年，将在目前基础上碳强度减排40%45%。由于森林面积有限，耕地需承担更大的减排任务,下午2时14分,12,五、土壤碳酸盐转化与平衡过程,决定土壤中碳酸盐淋溶与淀积的关键：CO2H20体系平衡(即C02HCO3-C032,下午2时14分,13,10 土壤元素的生物地球化学循环,六、土壤碳循环与全球气候变化,一)土壤碳循环与大气CO2浓度 如果没有土壤呼吸(包括土壤生 物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)产 生C02补充大气，大气中的C02在15年 内将被耗尽。可见，土壤有机碳库对 大气碳库C02浓度的影响很大,二)土壤碳循环与大气中CH4浓度 大气中每年有3861012g C的CH4被氧化

8、为C02；每年土壤净损失和大气净积累的 CH4为231012g281012g C。 湿地中90的CH4在回到大气之前被氧化成C02,三)CH4和CO2对大气碳库环境的综合影响,下午2时14分,14,10 土壤元素的生物地球化学循环,土壤碳循环意义： 满足光合作用的需要；调节气候,气候变化与 粮食安全,研究结果表明，与目前常用的年至年中国种植制度气候区划结果相比，年以来由于气候变暖，在陕西、山西、河北、北京和辽宁，一年两熟种植北界明显向北移动；在湖南、湖北、安徽、江苏和浙江一年三熟种植北界向北空间位移明显。在不考虑品种变化、社会经济等方面因素的前提下，各省的种植制度由一年一熟改变为一年二熟，粮食

9、单产平均可增加至；由一年二熟变成一年三熟，粮食单产平均可增加至,但是气候变暖，影响粮食安全的气象灾害（干旱、洪涝、冻害等）和病虫害也越来越频繁，针对气候变化和可能带来的不利影响，研究农业灾害预警及风险评估技术，建立现代防灾减灾体系是当务之急,粮食安全 就是能确保所有的人在任何时候既买得到又买得起他们所需的基本食品，这个概念包括： 1、确保生产足够数量的粮食； 2、最大限度地稳定粮食供应； 3、确保所有需要粮食的人都能获得粮食,下午2时14分,18,10 土壤元素的生物地球化学循环,10-2 土壤氮的生物地球化学循环,一)土壤中氮的形态 1.无机态氮 铵(NH4+)、硝态氮(NO3-)、亚硝态氮

10、(NO2-)、分子态氮(N2)、氧化亚氮(N20)和一氧化氮(N0)。 就土壤肥力而言，主要以NH4+和N03-两种形态的氮最为重要，占土壤全氮的25。 2.有机态氮 土壤有机态氮一般占土壤全氮的9298。 有机氮：胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸(即蛋白质)、游离态氨基酸、氨基糖、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合 体(胺和木质素反应的产物、醌和氮化合物的聚合物、糖与胺的缩合产物等,一、土壤氮循环,下午2时14分,20,10 土壤元素的生物地球化学循环,二)陆地生态系统中的氮循环 陆地生态系统中的氮循环：氮以不同形态存在于大气圈、岩石圈、生物圈和水圈，并在各圈层之间相互转换

11、,陆地生态系统氮素循环由两个重叠循环构成：一是大气层的气态氮循环，氮的最大储存库是大气，整个氮循环的通道多与大气直接相连，几乎所有的气态氮对大多数高等植物无效，只有若干种微生物及少数与这些微生物共生的植物可以固定大气中的氮素，使它转化成为生物圈中的有效氮；另一个是土壤氮的内循环，即在土壤植物系统中,氮在生物体、微生物体、土壤有机质和土壤矿物中的转化和迁移，包括有机氮的矿化和无机氮的生物固定(持)作用、黏土对铵的固定和释放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用,下午2时14分,21,10 土壤元素的生物地球化学循环,下午2时14分,22,10 土壤元素的生物地球化学循环,三)土壤氮

12、的内循环 氮经由矿化过程和生物固定过程从无机态变为有机态，又从有机态变为无机态，是土壤氮的内循环最主要的特征,下午2时14分,23,10 土壤元素的生物地球化学循环,二、大气氮的沉降,大气层发生的自然雷电现象，可使氮氧化成 NO2 及 NO 等氮氧化物。 散发在空气中的气态氮(烟道排气、含氮有机质燃烧的废气、由铵化物挥发出来的气体等)，通过降水的溶解，最后随雨水带入土壤的过程，称为大气氮的沉降。全球由大气降水进入土壤的氮，每年每公顷大约222kg,三、大气氮的生物固定,固氮微生物可分为三大类：非共生(自生)、共生和联合固氮菌。其中自生固氮菌类分为好气性细菌和嫌气性细菌，都需要有机质作为能源；共

13、生固氮菌类包括根瘤菌和一些放线菌、蓝藻等，以和豆科共生为主，固氮能力比自生固氮菌大得多；联合固氮菌类是指某些固氮微生物与植物根系有密切关系，有一定的专一性，均有较强的亲和性，能进行联合固氮,下午2时14分,24,10 土壤元素的生物地球化学循环,四、土壤有机氮的矿化 矿化过程主要分两个阶段： 第一阶段，先把复杂的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过微生物酶的系列作用，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称为氨基化阶段(氨基化作用) ：蛋白质RCHNH2COOH(或RNH2)+C02+中间产物+能量 第二阶段，在微生物作用下，把各种简单的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段(氨化作用)：

14、 1.在充分通气条件下 RCHNH2C00H+02 RC00H+NH3+CO2能量 2.在嫌气条件下 RCHNH2C00H+2H RCH2C00H+NH3+能量 或 RCHNH2C00H+2H RCH3+NH3+CO2+能量 3.水解作用 酶 RCHNH2COOH+H20 RCH20H+NH3+C02+能量 酶 或 RCHNH2COOH+H2O RCHOHC00H+NH3+能量,下午2时14分,25,10 土壤元素的生物地球化学循环,五、土壤铵的硝化 有机氮矿化释放的氨在土壤中转化为NH4+，部分被带负电荷的土壤黏粒表面和有机质表面功能基吸附，另一部分被植物直接吸收。最后，土壤中大部分铵离子通

15、过微生物的作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐,六、土壤无机氮的生物固定,土壤无机氮的生物固定：矿化作用生成的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基态氮(一NH2)，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分(与土壤有机氮的矿化是土壤中两个不断同时进行但方向相反的过程,下午2时14分,26,10 土壤元素的生物地球化学循环,七、土壤铵离子的矿物固定,不同土壤对NH4+的固定能力不同： 1.土壤黏粒矿物类型 (2:1型)-蛭石对NH4+的固定能力最强，其次是水云母，蒙脱石较小； (1:1型)-高岭石黏粒矿物，基本上不固定铵。 2.土壤质地 3.土壤中钾的状态 4.铵的浓度 5.水分条件 6.土壤pH,八、

16、土壤氨的挥发,氨挥发易发生在石灰性土壤上,若土壤pH接近或低于6时，NH3被质子化，几乎全部以NH4+形式存在；在pH=7时，NH3约占6；pH为9.29.3时，NH3和NH4+约各占一半。 氨的挥发还与土壤性质、施用化肥种类和纯化学反应等因素有关,下午2时14分,27,10 土壤元素的生物地球化学循环,九、土壤硝酸盐淋失,十、土壤反硝化损失 2NO3- 2NO2- 2NO N2O N2,十一、土壤中氮损失的环境效应 土壤氮损失对环境的影响： 径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响； 气态损失对大气的污染； 硝酸盐累积对农产品(如蔬菜)的污染,硝酸盐带负电荷，又极易溶于水，是最易被淋洗的氮形

17、式，随着渗漏水的增加，硝酸盐的淋失增大。自然条件下，硝态氮的淋失取决于土壤、气候、施肥和栽培管理等条件,下午2时14分,28,10 土壤元素的生物地球化学循环,十二、土壤氮的调控,一)利用有机物质C/N比值与土壤有效氮的相互关系 土壤氮的纯矿化量与有机物质本身的碳氮比(C/N)有关(C为能源)。 氮的来源除由有机物质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态氮或硝态氮，以补其不足。 有机物质C/N比值大于30:1，则其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供氮的效果，反而有可能是植物的缺氮现象更为严重(微生物争氮同化)； 有机物质C/N比值小于15:1时，在其矿化作用一开始，它所提供的有机氮量就会超过微生

18、物同化量，使植物有可能从有机物质矿化过程中获得有效氮的供应。了解这一规律，对于采用施肥措施调节土壤的有效氮素达到作物高产、优质和高效具有指导意义(图107,下午2时14分,29,10 土壤元素的生物地球化学循环,二)应用“激发效应”调节土壤有机质和氮素平衡 (三)科学调控施肥，防止土壤氮的损失 (四)避免NO2-的积累,下午2时14分,30,10 土壤元素的生物地球化学循环,10-3 土壤磷的生物地球化学循环 一、土壤磷循环 (五、土壤磷的流失,一)土壤磷的形态 土壤磷素的来源： 母质来源 地壳含磷约为0.12%，土壤全磷在0.2-1.1mg/kg之间 磷矿石肥料,土壤磷素的形态,1有机磷 (

19、1)植素类 植素及植酸盐，是由植酸(又称环己六醇磷酸盐)与钙、镁、铁、等离子结合而成。 (2)核酸类 是一类含磷、氮的复杂有机化合物。 (3)磷脂类 是一类醇、醚溶性的有机磷化合物，普遍存在于动植物及微生物组织中,下午2时14分,31,10 土壤元素的生物地球化学循环,2.无机磷 水溶态磷 H2PO4- 、HPO42- 、PO43- 吸附态磷 离子交换和配位体吸附,矿物态磷 土壤中无机磷几乎99%以上以矿物态存在。 磷酸钙类化合物(Ca-P)： 氟磷灰石 3Ca3(PO4)2 CaF2 碳酸磷灰石 3Ca3(PO4)2 CaCO3 羟基磷灰石 3Ca3(PO4)2 Ca(OH)2 氧基磷灰石

20、3Ca3(PO4)2 CaO 磷酸三钙 Ca3(PO4)2 磷酸二钙 CaHPO4 磷酸一钙 Ca(H2PO4)2,溶解度增加,磷酸铁和磷酸铝类化合物(Fe-P、Al-P)：主要存在于酸性土,闭蓄态磷(O-P)：闭蓄态磷是由氧化铁胶膜包被的磷酸盐。主要存在于酸性土(石灰性土壤中包被的胶膜是难溶性的钙质化合物,下午2时14分,32,10 土壤元素的生物地球化学循环,二)水陆生态系统中磷的循环,含磷土壤母质,易溶性磷酸盐,水溶性磷酸盐,江河湖海中的磷酸盐,有机磷化物,难溶性磷酸盐矿物,分解,溶解,固定,固定,径流,径流,溶解,生物吸收,沉淀,溶解,风化,沉积,分解,固定,固定,生物活化,分解,岩石

21、,海洋,33,10 土壤元素的生物地球化学循环,二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物固定,土壤中的有机磷除一部分被作物直接吸收利用外，大部分需经微生物的作用进行矿化转化为无机磷后才能被作物吸收,土壤有机磷,土壤无机磷,矿化,生物固定,34,10 土壤元素的生物地球化学循环,土壤磷的固定机制 (三、土壤磷的吸附与解吸 四、土壤磷的沉淀与溶解) 1.化学沉淀机制 酸性土壤中： Fe3+ +H2PO4- + 2H2O Fe(OH)2H2PO4 + 2H+ Fe(OH)3 + H2PO4- Fe(OH)2H2PO4 + OH- 石灰性土壤中： Ca(H2PO4)2 + 2Ca2+ Ca3(PO4)2 +

22、 4H+ Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2 Ca3(PO4)2 +4CO2 + 4H2O,2.土壤胶体表面的吸附 非专性吸附(通过静电引力吸附磷酸根阴离子)：M(金属)-0H + H+ M-OH2+ M-OH2+ + H2PO4- = M-0H2+H2PO4,3.闭蓄机制 4.生物固磷,磷酸根离子置换土壤胶体(黏土矿物或铁、铝氧化物)表面金属原子配位壳中的-OH或-0H2+配位基,同时发生电子转移并共享电子对,而被吸附在胶体表面上即为专性吸附。专性吸附不管黏粒带正电荷还是带负电荷，均能发生，其吸附过程较缓慢,35,10 土壤元素的生物地球化学循环,六、土壤磷的调控,一)土壤酸碱度

23、 土壤酸碱度是影响土壤固磷作用的重要因子之一。 酸性土壤：适当施用石灰调节其pH至中性附近(以pH6.56.8为宜)，可减少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。 (二)土壤有机质 有机质土壤：固磷作用较弱(有机质矿化提供部分无机磷)。 有机质土壤，可提高磷的有效性：有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位，从而减少土壤对磷的吸附；有机物分解产生的有机酸和其他螫合剂的作用，将部分固定态磷释放为可溶态；腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附；有机质分解产生的C02溶于水形成H2C03，可增加钙、镁磷酸盐的溶解度,三)土壤淹水 土壤淹水后磷的有效性可明显提高。 (四)合理施用

24、磷肥 合理施用磷肥是减少磷对环境影响的主要措施,36,10 土壤元素的生物地球化学循环,10-4 土壤硫的生物地球化学循环 一、土壤硫循环,一)土壤硫的形态 无机态硫(磷酸盐溶液提取硫)和有机态硫两类。 土壤无机硫： 难溶态硫(固体矿物硫)-黄铁矿(FeS2)、闪锌矿(ZnS)等金属硫化物和石膏等硫酸盐矿物； 水溶性硫SO42-以及游离的硫化物(S2-)等； 吸附态硫-土壤矿物胶体吸附的SO42-，与溶液S042-保持着平衡，吸附态硫容易被其他阴离子交换,土壤有机硫： 主要存在于动植物残体和腐殖质以及一些经微生物分解形成的较简单的有机化合物中。湿润、半干旱、温带和亚热带地区排水良好的土壤表层中

25、，硫大多为有机态,下午2时14分,37,10 土壤元素的生物地球化学循环,二)土壤硫的循环 (二、大气硫的沉降；三、土壤有机硫矿化；四、土壤无机硫的生物固定；五、土壤硫的氧化和还原；六、硫的吸附与解吸,38,10 土壤元素的生物地球化学循环,七、土壤硫的调控和管理,土壤硫调控过程中需要考虑以下几个方面： 从硫素的生物地球化学循环过程、植物需求等综合分析并实现其量化，揭示“大气-植物-土壤生态系统”中硫素平衡、有效循环及调控机理的客观规律； 探寻土壤、大气、植物之间硫素的平衡，使硫肥施入、含硫污染物排放、植物需求之间有量化的平衡； 改善硫肥及施硫方法，从而使硫肥得到合理有效地利用，同时还应重视高

26、产地区土壤有效硫的及时合理补偿,39,10 土壤元素的生物地球化学循环,10-5 土壤钾的生物地球化学循环 一、土壤钾的循环,一)钾的形态 矿物钾；非交换性钾；交换性钾；水溶性钾。 矿物钾-全钾的95%左右，主要是原生矿物中的钾，对植物无效。 非交换性钾(也叫缓效钾)-存在于层状硅酸盐矿物层间或颗粒边缘, 主要是次生矿物中的钾, 一定条件下可被植物吸收。 交换性钾-由土壤胶体吸附，可被植物吸收，占全钾的1-2%。 水溶性钾-主要是土壤溶液中的钾离子(2-5mg/L), 植物直接吸收利用,二)土壤钾的循环与转化,下午2时14分,41,10 土壤元素的生物地球化学循环,概念：土壤钾的固定指交换性钾

27、(速效钾)转化为非交换性钾(缓效或无效钾) 的过程。 钾固定机制：库仑力吸引钾离子陷入2:1型次生矿物六角形蜂窝网眼被包被,失 去被置换的自由。 影响因素： 粘粒矿物类型：固钾能力(2:1型黏粒矿物1:1型水化氧化物型) 蛭石拜来石伊犁石蒙脱石高岭石水化氧化物型 土壤质地： 质地粘重固钾多 水分： 干湿交替固钾多 酸碱度： 酸性土铝离子水合后吸附于黏土矿物表面，减少钾固定。 NH4+的影响：NH4+也能陷入2:1型次生矿物六角形蜂窝网眼被包被,失去被 置换的自由，可与K+竞争土壤黏粒矿物上的结合点位,二、土壤钾的固定,42,10 土壤元素的生物地球化学循环,三、土壤钾的释放,土壤钾的释放： 土

28、壤中非交换性钾转变为交换性钾和水溶性钾的过程。 特点： 释放过程主要是非交换性钾(缓效钾)转变为交换性钾(速效钾)的过程。 只有当土壤交换性钾减少时，非交换性钾才释放为交换性钾，释放量随交换性钾含量下降而增加。 各种土壤的释钾能力不同，主要取决于土壤中非交换性钾的含量水平。 干燥、灼烧和冰冻对土壤中钾的释放有显著影响。 四、土壤钾的损失 质地黏重和富含2:l型矿物的土壤上，淋失的钾量几乎可以忽略不计。但在粗质地土壤上，则可达到相当大的数量，年淋失量由每公顷几千克至几十千克钾不等，如施用钾肥，淋失量更大。 栽培作物后能显著地降低钾的淋失量。在酸性土壤上施用石灰也可减少钾的淋失,下午2时14分,4

29、3,10 土壤元素的生物地球化学循环,条施又称为沟施，适宜于点播、条播及需定植的作物，在作物种子行或作物幼苗行旁边，再开一条肥料沟，均匀施入肥料，并覆土。适用于下列情况：一些容易被土壤固定的肥料，如磷肥钾肥,肥料条施,优点：肥料近根，容易被吸收利用，因而肥料利用率较高；肥料与土壤接触面小，营养元素被固定的程度低，有效时间比撒施长。果树沟施通常采用环状沟施法或放射状沟施，幼树和结果期的大树都可采用。沟深15-20 厘米。施肥后覆土。沟施方法，肥料集中，可以深施，能促进根系向下深扎，有利于抗旱,下午2时14分,44,10 土壤元素的生物地球化学循环,五、土壤钾的调控与管理,一)我国土壤的钾状况 我国土壤的供钾潜力大致可以长江为界，长江以南土壤的供钾潜力较低，土壤缓效钾含量除水稻土、紫色土较高外，一般低于200mg/kg，土壤有效钾含量一般低于lOOmg/kg，农田土壤缺钾的现象比较普遍；长江以北地区土壤的供钾潜力较高，土壤缓效钾含量普遍超过500mg/kg，有效钾含量大多在100500mgkg，土壤缺钾现象较为少见。 (二)土壤中钾的调节,施用钾肥，分次、适量，避免一次