土壤养分循环课件

土壤养分循环土壤养分循环1第一节：土壤碳素及循环与生物效应土壤碳对植物营养的直接作用不大，植物从大气中吸收CO2，但土壤有机碳的转化为大气补充CO2，是大气碳的源和库，调节大气中CO2浓度，特别是温室效应直接与土壤碳的转化有关。因此，土壤碳对植物营养、土壤肥力及环境都很重要。第一节：土壤碳素及循环与生物效应土壤碳对植物营养的直接作用不2土壤中碳的形态、含量及转化1.土壤碳存在的形态:有机碳和无机碳。后者主要为碳酸盐，对环境影响不大。有机碳又分为水溶态和难溶态。水溶态有机碳包括：低分子量有机酸、AA、糖酸、羟圬酸高铁载体。难溶态有机碳包括胡敏酸、胡敏素、木质素、植物落叶等。土壤中含碳化合物的来源：最初源于光合作用土壤中碳的形态、含量及转化1.土壤碳存在的形态:32.土壤中碳的含量自然界碳库主要有三：（1pg=1015g）海洋中碳：39000pg大气中碳：750pg陆地中碳：2200pg一般砂质土0-100cm含碳3.1kg/m2，而有机土含碳77.6kg/m2，土壤碳以有机碳表示，占总碳的58%左右有机质含量分级：一级:>40g/kg二级:30-40g/kg三级:20-30g/kg四级:10-20g/kg五级:6-10g/kg六级:<6g/kg2.土壤中碳的含量自然界碳库主要有三：（1pg=1015g4EcologicalroleofSOMAggregationslowserosionSoilconditionerWaterholdingcapacityPermeabilityBulkdensity/penetrationresistanceSoilorganismfoodandfunctionNutrientreserveLeachingprotectionCarbonsinkLargestterrestrialpoolEcologicalroleofSOMAggregat5EffectsofSOMdepletiononenvironmentDecreasedyieldsIncreasederosion50%-90%savingsforNTvs.CTIncreasedleachingIncreasedfertilizeruseEffectsofSOMdepletiononen6SoilcarbonequilibriumAffectedbymanyfactorsamountandtypeofbiomassinputsoilmicrobialcommunitymoistureregimeoxygensupplytemperaturesoiltexturesupplyofothernutrientsSOMdeclines20-40%afterconversiontocroplandWherewillbioenergybe?SoilcarbonequilibriumAffecte7Hypothesis:bioenergyplantationsincreaseCAffectedbymanyfactorsamountandtypeofbiomassinputsoilmicrobialcommunitymoistureregimeoxygensupplytemperaturesoiltexturesupplyofothernutrientsBiomasshasdegradationresistantlitterprovidesgoodsoilmicrobialhabitathashighwaterholdingcapacityprotectsfromoxidationcoolssoilbyshading/waterpromotesaggregationtightnutrientbudgetHypothesis:bioenergyplantati83.土壤碳的循环转化TheCarbonCycle

1.autotrophsfixcarbondioxidefromtheatmosphereduringphotosynthesis 2.carbondioxideisreleasedbackintotheatmospherebyrespiration 3.thecarboncycleisveryfast 4.Othercarboncyclesareslow a.carbonisdivertedintowoodorotherdurableorganicmaterial b.canalsobelockedupincoalandoildeposits 5.Theoceansmayactasabufferthatdonotallowthecarbondioxideamountintheatmospheretovarywidely 6.carbondioxideisdissolvedinwaterandischemicallyconvertedtootherforms.Alltoldoceancontains50timestheamountofcarbonasisavailableintheatmosphere

3.土壤碳的循环转化TheCarbonCycle9土壤养分循环课件10土壤碳循环土壤碳循环11土壤养分循环课件12土壤碳循环海洋中C空气CO2绿色植物光合作用石油煤沥青呼吸、燃烧、工业利用土壤有机质动物微生物矿化土壤碳循环海洋中C空气CO2绿色植物光合作用石油煤沥青呼吸、134.碳循环的调节自然恢复将一年生作物转为牧草或速生林种植深根作物，增加根茬归还通过施肥灌溉，增加作物生长量改变耕作措施，实行少免耕，减少CO2释放4.碳循环的调节自然恢复14第二节:土壤氮循环TheNitrogenCycle-Nitrogenmakesupaminoacidsandnucleicacids,78%ofearthatmosphereisgaseousnitrogen,buttheonlybiologicallyusefulformsare:(1)ammonium(NH4)and(2)nitrate(NO3) 1.Atmosphericdeposition:5to10%dissolvedinrainordust 2.Nitrogenfixation:reductionofatmosphericnitrogentoammoniabyorganismsNitrification:metabolicprocessbywhichcertainaerobicsoilbacteriauseammonium(NH4+)asenergysourcebyfirstoxidizingittoNO2-(nitrite)thentonitrate(NO3-),whichplantscanuse.Denitrification:processthatreturnsnitrogentotheatmospherebyconvertingnitratetonitrogengas,usedintheplaceofoxygen. 3.Ammonification:decompositionoforganicnitrogenbackintoammonia 4.Importantaspectsofnitrogencycle a.prokaryote(原核生物）servesasvitallinksatseveralpointsinthecycle b.thenitrogencyclinginvolvednitrogenouscompoundsinsoilandwater c.nitrogenfixationisonlyoccurringincertainplants d.denitrificaitonreturnssmallamountsofnitrogenbackintotheatmosphere e.mostassimilatednitrogencomesfromnitratewhichisefficientlyrecycledfromorganicforms

第二节:土壤氮循环TheNitrogenCycle-151.土壤氮及其转化氮素在自然界的分布岩石圈1.636*1011Tg(1012g)陆地土壤:有机质2.2*105粘土矿物2*104大气圈3.86*109水圈2.3*107生物圈2.8*1051.土壤氮及其转化氮素在自然界的分布162.土壤氮的来源2.1生物固氮（Nitrogenfixation）Rhizobiumbacteriaandbluegreenbacteria(cyanobacteria)2.1.1自生固氮:固氮微生物.洛桑实验站长期不施肥小区仍能维持一定产量,主要是自生固氮的结果.2.1.2共生固氮:根瘤菌与豆科植物.2.1.3联合固氮:上述二者的过度类型.一般发生在根表或根际或根内部.利用植物根的分泌物进行固氮.2.2降雨或灌溉Lightning-convertsNandOgastoNO,whichcombineswithoxygentoformNO2.NO+waterintheatmosphere->NO32.3施肥2.土壤氮的来源2.1生物固氮（Nitrogenfix173.土壤氮的矿化与固持3.1土壤氮素的含量和形态3.1.1含量0.02-0.5%；3.1.2形态:有机态>95%,无机态一般1-2%；问题在于土壤中存在的固定态(晶格中)NH4+占1-41%,可达10-700mg/kg。按形态分为:蛋白、核酸、氨基酸、腐殖质等。3.土壤氮的矿化与固持3.1土壤氮素的含量和形态18A、含氮有机质的分解含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态，包括蛋白质、氨基酸、腐殖质等。（一）水解作用蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸的作用称水解作用。蛋白质蛋白质水解酶氨基酸3.土壤有机氮的矿化A、含氮有机质的分解3.土壤有机氮的矿化19（二）氨化作用分解含氮有机物产生氨的生物学过程称氨化作用。CH2NH2COOH＋O2HCOOH＋CO2＋NH3CH2NH2COOH＋H2CH3COOH＋NH3CH2NH2COOH＋H2O

CH2(OH)COOH＋NH3氧化还原水解（二）氨化作用氧化还原水解20（三）硝化作用氨态氮被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。这一作用可分为两个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。其反应如下：2NH2＋3O22HNO2＋2H2O＋热量2HNO2＋O22HNO3＋热量（三）硝化作用21（四）反硝化作用同细菌在无氧或微氧条件下以NO3－或NO2－作为呼吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过程，称反硝化作用。其反应如下：C6H12O6＋24KNO324KHCO3＋6CO2＋12N2↑＋18H2O反硝化细菌（四）反硝化作用C6H12O6＋24KNO324KHCO3＋223.土壤氮的固持3.1粘土矿物对NH4+的固定:晶片上六个氧原子圈成的网眼大小与NH4+直径大小相符,与晶片上负电荷静电引力大于其水合力,易脱去水化膜而进入网眼被固定.蛭石>伊利石>蒙脱石干湿交替固定更强离子竞争减少固定有机质含量高固定少3.2化学固定3.3微生物固定（C/N大时，微生物由土壤中吸取氮素，与植物争夺氮源）。3.土壤氮的固持3.1粘土矿物对NH4+的固定:晶片上六23土壤氮循环土壤氮循环24土壤养分循环课件25NITROGENCYCLE

(Gaseouscycle)Whenproteinsarebrokendowninrespiration,awasteproductcontainingnitrogenisreleased.Usually,thewasteproductofcellsisammoniaDecomposerscanbreakdownureaandsimilarcompoundstoammoniaNITROGENCYCLE

(Gaseouscycle)26土壤养分循环课件27NitrogenfixationRhizobiumbacteriaandbluegreenbacteria(cyanobacteria)Lightning-convertsNandOgastoNO,whichcombineswithoxygentoformNO2.NO+waterintheatmosphere->NO3

NitrogenfixationRhizobiumba28AmmonificationChangingoforganicNtoAmmonium(NH4)AccomplishedbydecaybacteriaandfungiNH4canbeutilizedbyplantsAmmonificationChangingoforga29Nitrification(accomplishedbychemosyntheticautotrophs)NH4-->NO2(byNitritebacteria)NO2-->NO3(byNitratebacteria)Nitrification(accomplishedb30DenitrificationBacteriausingnitrateinplaceofOxygenaselectrondonors.MostlyinanaerobicconditionsDenitrificationBacteriausing31土壤养分循环课件324.土壤氮的损失4.1氨的挥发

NH4+（代换态）NH4+（液相）NH3（液相）NH3（气相）NH3（大气）影响因素：气流：挥发与风速成正比；温度：土壤pH：高，挥发强；质地：砂土挥发强；CEC：越小，挥发强；肥料氮的种类和施用方法：NH4HCO3》（NH4）2SO4》NH4NO3》NH4CI》CO（NH2）24.土壤氮的损失4.1氨的挥发334.土壤氮的损失4.2反硝化生物反硝化：NO3-NO2-NON2ON2即微生物参与，以NO3-为电子受体；化学反硝化：NH4+NO2-NO3-当硝化细菌的生存环境不利时，导致NO2-累积，经化学过程产生N2。机制为NO2-：（1）与腐殖质发生反应（2）与NH3及AA反应（3）自行分解：3HNO2HNO3+2NO+H2O（4）与NH4+反应：3HNO2+NH4+N2+H2O+H+影响因素：有机碳的供应状况NO3-的供应（》20ug/ml，零级反应，即速率与浓度无关）水分及通气状况（水分《60%田持，很弱）温度pH：酸性弱，碱性强。4.土壤氮的损失4.2反硝化344.土壤氮的损失4.3NO3-的淋失当土壤中NO3-含量高，且水分移动大时，易发生；影响因素：土壤性质；降水、灌溉；施肥种类与数量；植物覆盖程度；淋失的最大环境问题是水体富营养化（eutrophication），临界值为11.3mg/L，而我国许多地区地下水NO3-含量高达200-500mg/L。4.土壤氮的损失4.3NO3-的淋失35WaysweinterferewiththeNcycle:EmissionoflargequantitiesofNO(nitricoxide)NOcombinestoformHNO3(nitricacid)->acidrainandfog.Emissionofnitrousoxide(N2O)intoatmosphere.Miningmineraldepositsforcommercialinorganicfertilizers.AddingexcessnitrateionsandammoniumionstoaquaticecosystemsWaysweinterferewiththeNc36NitrogenintheForest

(Atmosphericcomponentmissing)LeafNRootandstemNNitrateNAmmoniumNDecomposerNForestFloor&SoilOrganicNAtmosphereStreamsorGroundwaterImmobilizationRetranslocationLitterfallMineralizationImmobilizationNitrificationUptakeUptakeDenitrificationLeachingNitrogenintheForest

(Atmosp37EffectofgrazersonNcycleEffectofgrazersonNcycle38土壤养分循环课件395.土壤氮素的调节补充途径调节损失途径调节施肥灌溉5.土壤氮素的调节补充途径调节40第三节:土壤磷循环ThePhosphoruscycleisamajorcomponentofnucleicacids,phospholipids,ATPandmineralsinbonesandteeth 1.Localphosphoruscycle a.weatherofrockaddsphosphatetothesoil b.producersabsorbthesoilphosphateandincorporateintomolecules c.phosphorusistransferredtoconsumersinorganicform d.phosphorusisaddedbacktothesoilbysecretionanddecompositionofdetritus 2.phosphoruscycleislocalizesincehumusandsoilparticlesbindphosphate a.weatheringofrockskeepsphosphorusconstant b.phosphorusisreincorporatedintorocksintheocean 3.Phosphorusmaylimitalgalproductivityinaquatichabitats第三节:土壤磷循环ThePhosphoruscycle411.土壤磷的形态土壤磷含量一般0.02%-0.11%,与母质类型有关。土壤无机磷和有机磷的数量比例与土壤类型有很大关系，石灰性土壤以无机磷为主。1.1土壤无机磷又分为：1.1.1水溶态：中性以HPO42-为主，三形态见P199；植物根际酸性，植物主要吸收H2PO4-1.1.2交换吸附态：又分离子交换和配位交换两种1.1.3矿物态1.土壤磷的形态土壤磷含量一般0.02%-0.11%,与母421.1土壤磷的形态离子交换吸附：HPO42-，H2PO4-与OH-、SO3-、F-等交换；配位交换吸附（以方解石为例）：Ca-OH+H2PO4-Ca-O-P-OH+OH1.1.3矿物态磷：无机磷的99%为矿物态;1.2.有机磷:主要是植素、核酸、磷酯等。OOH1.1土壤磷的形态离子交换吸附：HPO42-，H2PO4-432.土壤磷的转化有机磷的矿化（见下）沉淀溶解反应：可溶性磷与碳酸钙、铁铝氧化物及其水化物、层状铝硅酸盐及钙、铁、铝等发生化学反应产生沉淀，变成羟基磷灰石、氟磷灰石或磷酸铁、铝等。吸附和解吸附反应（见前）无机磷的生物固定：吸收2.土壤磷的转化有机磷的矿化（见下）44有机磷的转化：（一）含磷有机物的分解土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解：核蛋白质磷酸磷酸盐磷细菌水解K+、Na+、Ca2+有机磷的转化：核蛋白质磷酸磷酸盐45产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢，其反应如下：H3PO4H3PO3H3PO2PH3产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石灰性土壤中易463.土壤磷循环3.土壤磷循环47SEDIMENTARYVS.GASEOUSCYCLESFORPHOSPHORUS:Soil=DissolvedPhosphates;Decomposer=PhosphatisingBacteriaAddexcretionfromConsumertoDissolvedPhosphatesanderosionfromPhosphaterockstoDissolvedPhosphates.SEDIMENTARYVS.GASEOUSCYCLES48土壤养分循环课件49土壤养分循环课件504.土壤磷的调节活性磷：指能被植物吸收利用的磷，也叫有效磷，包括全部水溶性磷、部分吸附态的解吸附及部分有机态磷。占全磷的5%以下。非活性磷占95%以上。提高土壤磷有效性的途径：调节土壤酸碱度增加土壤有机质淹水4.土壤磷的调节活性磷：指能被植物吸收利用的磷，也叫有效磷51土壤养分循环课件52第四节:土壤钾的循环4.1钾的形态：矿物钾、非交换性钾、交换性钾、水溶性钾。矿物钾一般占全钾的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，存在与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，第四节:土壤钾的循环4.1钾的形态：534.2土壤钾的转化矿物钾交换性钾非交换性钾土壤溶液钾风化作用风化作用缓慢风化流失植物吸收4.2土壤钾的转化矿物钾交换性钾非交换性钾土壤溶液钾风化作544.3土壤钾的固定概念：土壤钾的固定指交换性钾转化为非交换性钾的过程。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。影响因素：粘粒矿物类型：蛭石》拜来石》伊犁石》蒙脱石土壤质地：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。4.3土壤钾的固定概念：土壤钾的固定指交换性钾转化为非交换55土壤养分循环课件56第五节:土壤硫的循环土壤硫的来源：母质、灌溉水、大气沉降、施肥。含量：一般0.01-0.05%。土壤硫的形态：无机硫和有机硫。前者包括：难溶态硫、水溶性硫、吸附态硫；后者主要存在于动植物残体及腐殖质中。第五节:土壤硫的循环土壤硫的来源：母质、灌溉水、大气沉降、57土壤硫的循环土壤硫的来源：见前；土壤硫的去向：植物吸收SO42-，或还原条件下H2S挥发。土壤硫的转化；有机硫的矿化和固定（见后）矿物质的吸附与解吸附；硫化物和元素硫的氧化。土壤硫的循环土壤硫的来源：见前；58（二）含硫有机物的分解植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都能分解有机硫化物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质硫氨基酸H2S（二）含硫有机物的分解59还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下：2H2S＋O22H2O＋2S2S＋3O2＋2H2O2H2SO4硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其60SULFURCYCLE-gaseousandsedimentaryEntersatmospherefrom:1.combustionoffossilfuels2.volcanicaction3.gasesreleasedbydecompositionGenerallyisreleasedasH2S,butisquicklyoxidizedtoSO2.~147milliontonsofSO2annuallyintroducedtotheatmospherethroughhumanactivities99%oftheSO2reachingtheatmospherecomesfromhumanactivities.SULFURCYCLE-gaseousandsed61Atmospheric1.S02-----oxidation------>S03happensmorequicklyinapollutedatmosphereinthepresenceofnitrousoxidesandhydrocarbonsothermetallicoxides(Fe,Mn,Cu,Pb,Al)aidalsoFeoxidecanmakethechangeoccurinthedark2.SO3--------->H2SO3orH2SO4Atmospheric1.S02-----oxidat62ReleaseofSulfurdepositsBacteriaactondeadorganicmaterialandreleasethesulfurashydrogensulfideorsulfate.Sulfur,inthepresenceofFeandanaerobicconditionsprecipitatesasFeS2Pyryticrocks(containingferroussulfide)oftenoverliecoaldeposits.Whenexposedtoairandwater,theFeS2oxidizestoFeSO4(ferroussulfate)andH2SO4orferroushydroxide(Fe(OH3))ReleaseofSulfurdepositsBact63MeansofreducingtheSO2addedtotheatmosphere: