氮素转化课件.ppt

氮素转化,矿质元素的土壤化学,Chapter 5 土壤氮素的转化,3,知识点：,掌握土壤氮素存在形态和含量掌握土壤各种形态的转化过程、影响因素以及对环境的影响重点理解土壤氮素循环过程,1 土壤氮素平衡,氮素地球化学分布土壤与环境间氮素交换土壤氮素转化过程与氮素交换的关系,1.1 氮素地球化学分布（圈层？）,岩石圈：量：2%总N；形式：NH3；位置：地球深处；作用：对土壤生态环境中的氮素平衡影响不大，但地壳中的NH3是土壤氮素的最初来源。大气圈：量：98%总N；形式：N2为主，极少数以结合态NO、NO2、NH3和N2O存在；作用：绝大多数生物不能利用。土壤圈和水圈：量：极少，0.01%总N；形式：水圈以N2为主，也有NH4、NO2、NO3和少量可溶性有机态氮；土壤圈中N以有机态为主，其次以NH4形式固定在粘土矿物晶格中；作用：是最活跃部分，尤其是土壤圈中的氮。生物圈：生态系统,1.2 土壤与环境间氮素交换,氮在地球各领域间不断进行交换是氮素地球化学的基本特征。土壤圈和水圈中的氮素转化过程是氮素交换总过程的基础。领域：涉及到土壤圈、水圈、生物圈和大气圈,1.2.1 了解氮素交换过程的农学意义,当稳定的农田生态系统建立后，土壤氮库的库容趋于稳定，因此投入和流出土壤植物系统的氮量基本平衡。在氮肥施用时应以这个平衡为出发点。及时补充移走的氮素，防止土壤氮素亏缺；氮肥施用量要合理，减少能源消耗、防止环境污染。,1.2.2 土壤氮素的投入,来源：共生和非共生生物固氮、工业合成肥料氮、大气沉降、动植物残体及其他废弃物施用、土壤和植物对气态氮化合物的吸收。（1）生物固氮占进入土壤氮素的65%。在自然生态中所占比例高，在农田生态系统中所占比例较低。（2）肥料氮是土壤氮素的第二大来源，是农业土壤的首要来源，我国氮肥投入量是农田生物固氮量的67倍。（3）大气沉降约占土壤氮素收入的10%，包括干沉降和湿沉降。（4）有机废弃物在我国相当于化肥氮投入量的20%左右,1.2.3 土壤氮素的流出,途径：气态损失、NO3的淋失、径流损失、风蚀、植物收获物移走。氮素损失是影响肥料利用率的主要原因。（1）气态损失包括土壤中N2、N2O、NOx、NH3等气态化合物的释放，是土壤氮素损失的主要途径。（2）径流和风蚀损失径流包括地表径流和水田排水带走的N（水稻土地区和黄土高原）；风蚀发生在干旱地区。（3）硝酸盐淋失包括下渗和侧渗两种途径。（4）收获物移走,11,12,1.3 土壤氮素转化与氮素交换的关系,土壤氮素转化是土壤与环境间氮素交换的基础。各转化过程的方向和强度直接影响氮素气态和溶质交换的强度。氮素转化过程中，生物转化过程（以氮素的同化、异化、氧化-还原为中心）最为重要，一些化学过程必不可少（包括铵的固定与释放、吸附与解吸、氨的挥发、硝酸盐的淋失）。,14,2 土壤中氮的含量和形态,一般耕作土壤含N量为0.020.2%，大部分在0.1%以下。土壤中氮的含量主要决定于气候条件、土壤质地和耕作管理，它与土壤有机质含量的变化是一致的。通常土壤有机质含N约为5%，有机质含量越高，土壤含N量越高。,2.1 有机态氮（soil organic nitrogen）土壤中与碳结合的含氮物质的总称。含量占全N量的90%以上，与土壤有机质含量成正相关。土壤中绝大部分有机态N存在于土壤固相，只有少量存在于土壤液相中。,存在状态有4种：与其他土壤有机质组分（如木质素、单宁、醌类和还原糖类等）结合；与粘土矿物相结合；与多价阳离子（如铁）形成复合体；存在于生物体中。,铵态N,土壤,残渣（非酸解性N）,酸解液（酸解性N）,氨基酸态N,氨基糖态N,酸解性未知态N,土壤有机N的形态分级,6 mol/L HCl回流水解,2.1.1 土壤有机态N的形态及含量 通常采用酸水解的方法（6 mol/L HCl回流水解土壤），把土壤有机N进行形态分级：,各类含氮有机化合物的组成、来源及在土壤中的分布,2.1.2 土壤有机态N的有效性a.作物难以利用的有机N 这类有机N化合物主要有胡敏酸、富里酸、杂环化合物。它们很稳定，难以被微生物分解。占有机N总量的80%左右。,b.对作物有效的有机N 主要由蛋白质、核酸、氨基酸、酰胺和氨基糖等组成。由于它们极易矿化，是土壤有效态N的主要来源。,2.2 无机态N（soil inorganic nitrogen）土壤中未与碳结合的含N物质总称。一般占土壤全N量的1%2%。是土壤中N素的速效性部分。四种形态：A 水溶性离子：主要是NH4+、NO3-为主，少量NO2-。B 交换性阳离子：以NH4+为主，吸附于土壤颗粒表面可以进行阳离子交换的铵离子。C 固定态铵：存在于土壤粘土矿物晶格中，植物较难利用，当晶格膨胀或破裂时，NH4+可释放出来为植物利用。D 气态N：主要是土壤空气中的N2，NH3和气态N氧化物如NO2、NO、N2O等。,土壤中各种形态氮可以相互转化。土壤中含氮物质通过生物化学、物理化学、物理和化学的作用发生形态和状态的变化，称为土壤中氮素的转化。,Nitrogen Transformations,Fixation（固定）Mineralization（矿化）Immobilization（生物固持）Nitrification（硝化）Denitrification（反硝化）Volatilization（气态损失）Leaching（淋失）Runoff（径流）,Nitrogen Transformation in Soil,Organic N(e.g.,N in microbe proteins),NO3-,N2,NH4+,nitrification,denitrification,mineralization,immobilization,N fixation,Each transformation is controlled by a different species of microbe,immobilization,NH3,Volatilization,3 氮素矿化与生物固持,mineralization and immobilization of nitrogen,土壤有机态氮的矿化及无机态的生物固持作用是土壤中不断进行的两个方向相反的生物学过程。,土壤中的含N有机物主要是蛋白质、多肽、氨基酸、氨基糖等，且以蛋白质和多肽成分最大。土壤蛋白质的矿化大致可分为氨基化作用和氨化作用两个过程。a.氨基化作用是指在异养微生物和土壤蛋白酶作用下，蛋白质水解释放出氨基酸和酰胺的过程。蛋白质 R-NH2+CO2+其它产物+能量 b.氨化作用 是指氨基酸或酰胺被土壤异养微生物和土壤酶转化为氨（NH3）的过程。氨溶于水生成NH4+，可被植物吸收利用。R-NH2+H2O NH3+R-OH+能量,3.1 矿化的过程,3.2 影响有机氮矿化的因素,（1）土壤有机质的C:N 比N is essential for microbial growthIf N in organic matter exceeds the needs of the microbes there will be a net release of NC:N Ratio=%C/%N in organic matterC:N ratio 30:1=net immobilization,Interpretation:,C/N,ratio,Level,Rate of organic matter,breakdown,8,Very low,rapid decomposition,8-10,Low,rapid decomposition,11 15,Medium,normal for arable soils,16-25,High,slow decomposition,25,Very high,little or no decomposition,29,Alfalfa,peas,grass,Low C:N（high N content）,straw,bark,sawdust,High C:N（low N）,Carbon Nitrogen Ratios of Organic Materials,（2）植物根系双重作用：I 促进氮的生物固持II 促进氮的矿化I根系分泌有机物质微生物C源微生物与根竞争N 减少N素矿化（固持）II3方面：a 根与微生物竞争N，减少已矿化N的微生物再固持；b 根际效应促进微生物生长，原有有机氮释放加快；c 植物对水分吸收促使干湿交替过程频繁发生，促进有机氮矿化（3）肥料氮的施用氮肥的激发效应（）（4）土壤生物的类型和活性,（5）土壤水分和干湿交替干土效应：土壤干湿交替过程的频繁发生促进土壤氮的矿化作用称干土效应。机理：a 干燥过程杀死部分微生物，当湿润开始后，这部分微生物是其他土壤生物的食物，被利用，促进N的矿化和释放；b 干燥-湿润过程促进土壤有机氮化合物的溶解，并易被土壤生物所利用；c 干湿交替打破水稳性团粒结构，增加微生物与土壤有机物质的接触面，提高了有机氮的微生物有效性和矿化。,（6）土壤温度和冻融交替 Maximum:40-50(104-140F)Generally above the optimum for plant growthMinimum:5-10(40-50F)Similar to the minimum for plant growth（7）pHMicrobes can be sensitive to pHGenerally near neutral pH desiredRapid and sharp pH change is bad to mineralization（8）AerationMost mineralizing bacteria are aerobes ie.require O2,Effect of soil temp.on decomposition,Effect of soil moist.on decomposition,Mineralization,AprilMayJuneJulyAug.Sept.Oct,N Uptake or Mineralization(kg/ha),Wheat N Uptake,Corn N Uptake,N Mineralization,Conditions Enhancing Mineralization,Organic N NH4+NO2-NO3-Warm temperatures Adequate but not excessive water Substrate for the bacteria If C:N ratio is small,Conditions Enhancing Immobilization,NO3-NO2-NH4+Organic N Incorporating high C residues Manure with lots of bedding Adding material with C:N ratio 30,指土壤中铵在微生物的作用下氧化成硝酸盐的过程。其反应过程为：NH4+NH2OHNOH 羟胺 硝酰,4 硝化作用 Nitrification,Nitrificationconverting NH4+-NO2-NO3-.Note this is a two step reaction.Both steps are biological.a.由亚硝酸细菌把铵氧化成亚硝酸盐，在这一过程中，可能生成中间产物NH2OH和NOH，并有微量的N2O逸出。NH4+11/2O2 NO2-+H2O+2H+351 KJ This is the slow step.b.由硝酸细菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐。NO2-+1/2 O2 2NO3-+74 KJ This is the fast step.,Nitrosomonas,bacteria,Nitrobacter,bacteria,4.1 影响硝化作用的因素,底物和产物土壤pH（中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行）水分和通气状况（湿润状态的土壤最适宜于硝化作用的进行）温度（温度范围为440）光照生物作用重金属和农用化学物质,4.2 硝化作用的生态学意义,硝化作用形成的硝酸盐是植物氮素营养的重要来源。但以下问题需加以注意：,、硝酸根比铵离子的移动性大得多，而且土壤对NO3-的吸附作用较弱，故易通过淋溶和径流而损失。、在嫌气条件下，或局部嫌气的土壤环境中，硝酸盐易通过反硝化作用而损失。而在硝化过程中也有少量的N2O等氮氧化物逸失。,这些过程既减少了植物可吸收的氮量，又会引起环境污染问题。因此适当控制施入土壤中的铵态氮和尿素的硝化作用是十分重要的。,、硝化作用还形成H+，从而导致土壤酸化。Rhizosphere chemistry attempts to maintain balance of internal chargesNO3-uptake increases HCO3-more than H+excretion(alkaline)NH4+increases H+more than HCO3-excretion(acid),、造成土壤中NO3-的积累，导致地下水和饮用水NO3-污染和农作物体内的积累。,（引自杨晓泉等，1999：食品毒理学。中国轻工业出版社。）,间接致癌物质,5 反硝化作用 Denitrification,土壤中硝态氮通过还原作用，生成N2O或N2而逸入大气的过程叫反硝化作用，也称脱氮作用。反硝化作用包括生物反硝化作用和化学反硝化作用。其中生物反硝化过程最为重要，这个过程的强度直接与氮素气态损失和温室气体的释放有关。,微生物在无氧条件下的硝酸呼吸过程。即在嫌气条件下，土壤中反硝化细菌利用硝态氮的氧进行呼吸作用，使硝态N还原成亚硝态N，并进而还原成N2O或N2而逸入大气。,5.1 生物反硝化作用,Denitrification,N2,N2,N2,NO2,N2O,NO3,NO3-N2+N2O Gases lost to Atmosphere,Nitrate,organisms,Wet SoilsLow Oxygen,2NO3-2NO2-2NO N2O N2Nitrate ions Nitrite ions Nitric oxide gas Nitrous oxide gase Dinittrogen gas(+5)(+3)(+2)(+1)(0),5.1.1 产生生物反硝化作用的条件、土壤中必须存在NO3-。、存在着具有硝酸盐呼吸能力的反硝化细菌、存在适宜的电子供体，主要是易分解的有机碳化合物；、嫌气或较低的氧分压，土壤空气O2低于10%，或溶解于土壤溶液中的O2小于 0.2 mg/L。、存在着硝酸盐和亚硝酸盐等氮的氧化物，以作为末端电子受体。、温度应在2 50 之间，最适温度为25 35。,5.1.2 生物反硝化过程与温室气体的释放（了解部分）生物反硝化过程是土壤温室气体N2O和NO的主要来源，硝化过程中这类气体较少。生物反硝化过程中产生N2O和NO的原因是部分反硝化微生物不具备进一步还原N2O的能力，或者土壤条件抑制了反硝化过程的完成。在生物反硝化过程中，N2O的释放量远比NO高，其中N2O/N2之比受底物（NO3-和NO2-)、O2分压、土壤pH、有机碳的有效性以及硫化物等因素的影响（表）。,（1）有机物质的种类和数量 有机物质不仅为反硝化过程提供电子供体和能源物质，而且微生物对其分解时消耗了氧，因而它对反硝化作用的进行有促进作用，但不同的小分子有机物质对土壤生物反硝化作用的刺激强度是不同的。Lesure等（1992）试验表明，培养24h土壤反硝化强度由强到弱为：柠檬酸苹果酸葡萄糖和对照，乙酸处理无N2O释放；培养72 h，则顺序为：苹果酸柠檬酸乙酸葡萄糖和对照。土壤微生物生物量碳也会影响土壤生物反硝化强度。Drury（1991）对13种土壤的研究表明，经75h的培养后，土壤微生物生物量碳与土壤原位生物反硝化强度显著相关，他们认为土壤微生物量碳是土壤原位生物反硝化作用的敏感指标。,5.1.3 影响反硝化速率的主要因素,（2）土壤pH,反硝化作用可以在相当宽的pH范围内进行，最适pH约为68。在酸性条件下，由于酸性条件对N2O还原的抑制比对NO3-的抑制更强，所以反应产物中N2O/N2比例较大；随着pH上升，N2O向N2的还原加速，反应产物中N2O/N2的比例逐渐下降。,（3）通气状况,通气状况影响着氧进入土壤的量，从而影响到反硝化作用。,土壤的通气状况主要决定于它的水分状况和土壤结构。渍水土壤的还原层中可以进行强烈的反硝化作用。在旱地土壤中，短时间的通气不良或在局部的嫌气环境也可进行这一作用。,（4）硝酸盐的浓度 在硝酸盐的浓度高（40100gNg-1）时，反硝化速率与硝酸盐含量无关而为零级反应；,在硝酸盐浓度低时（40gNg-1），则符合一级反应动力学方程，此外NO3-浓度的提高能使N2O/N2比值增大。这可能与高浓度的NO3-抑制NO2-的还原有关。,（5）植物生长 一方面，植物根系对硝酸盐的吸收有利于降低硝酸盐含量，从而降低反硝化速率。另一方面，根系的脱落物和分泌物提供了能源物质，根系的呼吸作用又消耗了氧，这些又都有利于反硝化作用的进行。因此，植物生长对于反硝化作用的影响取决于这两方面影响的相对强弱。,（6）温度 在1237间，温度升高，反硝化活性增强。,（7）土壤孔隙度,土壤孔隙度不仅影响土壤中O2的供应状况，而且对N2O的排放过程产生极为重要的影响。一些研究结果表明，植物根系对反硝化作用的影响限于孔隙度低的条件下，当孔隙度低于10%12%时，根系对氧气的耗竭将会使反硝化作用增强。Hansen等研究了农业土壤中拖拉机通行时N2O排放的影响，发现压实土壤空气中N2O的浓度比其它处理高7倍多。但土壤的压实对土壤中N2O向大气的排放起着一定的阻隔作用，使其排放通量降低。,Conditions Increasing Denitrification,NO3 N2O NO N2 Warm temperatures Saturated or near saturated conditions Lots of microbial activity Time,淹水土壤中的反硝化作用 反硝化作用是水稻土在淹水条件下氮素损失的主要方式。以化肥形式施入的铵态N常在表土氧化层进行硝化作用，然后以硝态N形态扩散移动至还原层后进行反硝化作用使氮素损失。,有人研究，在淹水的水稻土中反硝化作用似乎是不可避免的，但是加强排水、铵态N粒肥深施、分次施肥和平衡施肥、施用硝化抑制剂和改变N肥剂型等可以大大降低反硝化损失。,稻田土壤中N素的硝化反硝化损失示意图,挥发,5.2 化学反硝化作用（Chemodenitrification）,是指亚硝酸盐在一定条件下的化学分解作用，其主要产物为分子态N和氮氧化物等。化学反硝化过程发生的先决条件是NO2-的积累。化学反硝化作用类型较多，其中亚硝酸与酚类物质反应的过程如下式所示：NO2-硝基苯酚类 醌肟化合物N2、N2O、NO、NO2等 化学反硝化作用只有当土壤pH5.5作用极弱，而且土壤中亚硝酸盐积累的可能性不大。因此，化学反硝化作用以及以这种方式损失的氮素量不大。,有机物质,化学反硝化作用类型较多，其中主要的化学反硝化反应及其所需的条件总结如下：,Note!,Denitrification is NOT the opposite of nitrification!Denitrification:NO3-N2,N2ONitrification:NH4+NO3-,5.3 氮的气态氧化物的环境和生态效应（了解部分）,氮的气态氧化物（其化学通式为NOx）包括NO、NO2、N2O、N2O5和N2O4等，其中最重要是前面三种。氮的气态氧化物均有可能由化学氮肥施入土壤后通过生物化学和化学作用而产生的。产生氮的气态氧化物途径为：、硝化过程释放N2O；、生物反硝化作用释放N2O、NO；、化学反硝化作用释放N2O、NO和NO2等。,1、温室效应 N2O是一个重要的温室气体，它可吸收地球表面的长波辐射，使得地球表面大气层温度升高。,2、破坏臭氧层 N2O除了是温室气体外，它又能消耗平流层的（O3），破坏臭氧层。进入平流层中的N2O及NO能经过一系化学反应，参与平流层臭氧的分解气臭氧层。,3、产生光化学烟雾 氮的气态氧化物在太阳光的照射下，将产生光化学烟雾，刺激人畜的呼吸系统，对肺脏组织的刺激和腐蚀作用,70,Los Angeles,Solarradiation,Ultraviolet radiation,NONitric oxide,Photochemical smog,H2OWater,NO2Nitrogendioxide,Hydrocarbons,O2Molecularoxygen,HNO3Nitric acid,PANsPeroxyacylnitrates,Aldehydes(e.g.,formaldehyde),O3Ozone,Photochemical Smog,4、形成酸雨 NOx与SO2一样也能够形成酸雨（NOx变成硝酸降落也是形成酸雨的机制之一），NOx在空气湿度大并存在金属杂质和NH3的条件下形成硝酸和硝酸盐，并最终形成气溶胶：NO NO2 HNO3 NH4NO3 NOx与SO2以上述方式氧化形成硫酸雾和硝酸雾，进入降雨中形成酸雨。对水生生态系统和陆地生态系统造成危害。,O2,O2,NH3,Wind,Transformation tosulfuric acid(H2SO4)and nitric acid(HNO3),Nitric oxide(NO),Acid fog,Ocean,Sulfur dioxide(SO2)and NO,Windborne ammonia gasand particles of cultivated soilpartially neutralize acids andform dry sulfate and nitrate salts,Dry aciddeposition(sulfur dioxidegas and particlesof sulfate andnitrate salts),Farm,Lakes indeep soilhigh in limestoneare buffered,Lakes in shallowsoil low inlimestonebecomeacidic,Wet acid deposition(droplets of H2SO4 andHNO3 dissolved in rainand snow),Acidic Precipitation,Effects of acid rain 3-forests,Plant injurySoil acidifiedFurther affect plant reproduction and growth,6 氨的挥发 Ammonia volatilization,是土壤空气与大气间以扩散形式进行的分子态的交换过程，是土壤-植物系统中氮素损失的机制之一。当土表或田面水表面的氨分压大于大气氨分压时将发生这一过程。,Volatilization,NH3,NH3,NH3,NH4,NH3,铵态氮或产生铵的氮肥表施与呈碱性反应的水稻田的田面水中时，氨的挥发常较严重，高的可达30%，从而成为氮素损失的重要途径。NH3进入大气后，可经降雨等形式进入水体，这也是造成水体富营养化的重要原因之一。NH3还可通过雷雨的放电作用而形成NO3-，这也是酸雨的一个重要部分。,6.1 影响土壤氨挥发的因素及其机理,Factors affecting volatilization,High pHHigh temperaturesDry soils Soils with low CEC,表中为各因素的提高或增强对氨挥发的影响,Ammonia Volatilization,Urea:CO(NH2)2 NH3+CO2+H2Ourea soil enzymes&H2O-Most volatilization when:coarse or sandy-textured soils low clay and low organic matter(which adsorb NH4+)dry alkaline surface,Conditions Increasing Volatilization,NH4 NH3 Warm temperatures Steady winds High pH soils Using an N source that is volatile,6.2 减少氨挥发损失的途径1、改进施肥技术（1）、深施 通过减少表层土壤或田面水中肥料氮的浓度来减少氮素损失，尤其是粒肥深施效果最好。（2）、以水带氮法 把氮肥表施后，再灌水使氮肥随水下移到土层中而达到部分深施的目的。（3）、平衡施肥 配合施用磷、钾肥和微量元素肥料，保持养分平衡，可有效地促进作物对氮肥的吸收利用。,2、改进肥料剂型 施用缓释或控释性氮肥，使氮素缓慢释放供给植物吸收，可减少氮的损失。3、添加生物抑制剂（1）、添加脲酶抑制剂 延缓尿素水解，使尿素随着水下移到深层土壤中，从而降低土壤表面和水面中铵态氮浓度，减少氨挥发损失。（2）、杀藻剂 通过抑制藻类生长，降低田面水的pH，可在一定程度上减少氨挥发损失。,4、应用表面膜技术 近年，我国和澳大利亚的学者在探索施用十六烷醇（C16H33OH)和十八烷醇(C18H37OH)的乙醇溶液于稻田水面，形成单分子膜，可有效地减少氨挥发损失。但是，十六烷醇等表面膜易被微生物分解，而且也易被大风吹向一边，所以需要定期加入表面膜物质，其覆盖效果才能长期维持。,因此，进一步研究更加稳定、廉价的有机化合物表面膜，除了减少氨挥发外，还可能阻止水-土体系与大气中氧气的交换而减弱硝化-反硝化作用。,88,89,7 铵的离子交换吸附,土壤胶体能够以铵离子交换吸附的方式保持土壤氮素，减少肥料氮的挥发等损失。但由于异养土壤微生物对铵态氮有偏爱利用的特点，加上在通气良好条件下自养微生物的硝化作用，以及微生物对铵态氮的直接利用，溶液中NH4+的浓度较低，与之相平衡的交换态NH4+的数量也低，因此土壤中交换态铵的量低于交换态钾。土壤交换态铵含量一般为1-30mg/kg，大多数土壤在1-15mg/kg，占表层无机氮的10%以下。,铵被土壤粘土矿物吸持并呈非交换态的作用，称为铵的粘土矿物固定作用（Fixation of ammonium by clay minerals）.,8 铵的固定,8.1 固定机制 2:1型粘土矿物的每一晶层都是由两个硅氧四面体片夹着一个铝氧八面体所构成。在结晶过程中，由于较低价的阳离子对铝和硅的同晶置换作用而产生的负电荷，需由晶层间和层状结构外的各种阳离子来平衡。由于铵离子的大小于四面体上的六个氧围成的复三角网眼的大小接近，而且它们与晶片上负电荷的静电引力又大于其水化能，因而易脱去水膜进入网眼中，导致NH4+被闭蓄在2:1型粘土矿物层间晶格的空穴中，这种作用就是铵的固定。,NH4+ion exchange&fixation,hexagonal holes,T,O,illiteclay mineral,8.2 影响铵固定的因素 1、粘土矿物类型 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 7、土壤有机质,8.3 粘土矿物固定铵的生态意义1、铵的固定与土壤氮素的保持 表层土壤中固定态约占土壤全氮的1%-10%，有机质含量低的土壤表层可达30%-50%，在心土层可达40%-50%以上。在铵固定能力较强的土壤中，肥料铵能被迅速固定。可降低溶液中NH4+浓度过高对作物生长的影响。可以有效减少肥料氮的损失。有利于作物生长中后期的氮素营养。铵的固定可减少NO3-进入水体和积累在农产品中。,2、生物有效性 固定态铵具有一定的植物有效性。土壤中固定态铵与交换性铵处于动态平衡中，随着交换性铵浓度降低，一部分固定态铵可通过扩散等途径释放出来。一般，新固定态铵的有效性较高，甚至可达100%，固有的固定态铵有效性较低。,9 氮素淋失和径流损失,土壤中的氮（主要是硝态氮）随水向下移动至根系活动层以下而造成的氮素损失。淋失也是氮素损失的重要途径之一。,在我国部分发达地区，特别是大中城市周围，地下水中硝酸盐浓度严重超标，除了生活污水引起地下水污染外，城郊菜园和农田氮肥施用量过高，超出作物需要量，导致作物利用率降低，氮素淋失（leaching loss of nitrogen）加剧。四十年代就报道了饮用水中硝酸盐可以引起婴儿高铁血红蛋白症（Methemoglobinemia)，俗称氰紫症（Cyanosis)，后来被证明是由NO2-氧化血红蛋白所致。NO3-在肠胃中可以还原成NO2-，而NO2-还可与人体摄取的各种胺类反应，形成强致癌物亚硝胺（Nitrosamines）。在已发现的120多种亚硝胺化合物中，75%的亚硝胺具有致癌性（陈振德，1989）。亚硝胺易诱发人体消化系统癌变如引发食道癌，胃癌和肝癌等。硝酸盐作为形成亚硝酸盐和亚硝胺的前体，其对人类健康的潜在威胁已经引起了广泛重视。,WHO规定饮用水中NO3-最大允许含量为10 mg/L，我国生活饮用水卫生标准（GB5749-85，国标）规定为20mg/L。发生NO3-淋失，必需具备两个条件：a.土壤中NO3-含量高；b.水分向下移动足以使NO3-移至根系深度以下。在湿润和半湿润地区的土壤中，氮素的淋失较多；在半干旱地区，很少NO3-淋失，而在干旱地区，除砂质土壤外，几无淋失。,Factors affecting leaching,Excess waterSandy growing mediumLimited root capacityLimited root activity(ex.Winter),Effect of N Rate and Time of Application on Nitrate-N Losses and Corn Yield,氮素的径流损失 土壤中的氮随径流水或田面排水自土表流失而造成的氮素损失。在一般情况下，径流损失的氮量很少，但是在水土流失严重以及水稻田不合理的田面排水时径流损失较多。以径流形式损失的氮素包括无机氮和有机氮，运输方式可以是溶质也可以是溶胶或悬浮物。其中，以溶质的形式的径流损失，是我国农田氮素损失的一个重要途径。因此，合理的农田排水是减少氮素损失的一个重要措施。,Runoff,Movement of water,with or without dissolved materials such as manure nutrients,across the soil surface,Excessive release of nutrients to streams and lakes,Release of nutrients to surface water bodies either from groundwater discharge or surface runoff leads to enhanced plant and algae growth.When the plants and algae die,their decomposition takes up oxygen dissolved in the water,leaving oxygen-depleted(anoxic)conditions.Such environmental changes stress certain species(fish,shell fish,etc.)which may die out.,Terms：,Point Source PollutionA single,identifiable sourcePipe from an industrial plant,Non-Point Source PollutionNot a single sourceTakes place over a broad areaAgriculture,Example of Point source pollution,a pipe through which factories or treatment plants discharge wastewater into a surface water body,Examples of non-Point source pollution,Runoff from agriculture,forestry,and residential and urban development,Increase nitrate levels in surface waters,Eutrophication,i.e.Nutrient enrichment,Algal blooms,Light loss,death of waterplants,deoxygenation due tomicrobial activity,Algal and cyanobacterial toxins,Botulism toxins(anaerobic),Fish kill,Best management of nutrients,Keep fertilizer application rates in balance with crop utilization ratesPrevent erosion and runoffDont apply fertilizer at the start of the rainy seasonUse riparian buffer strips,Management of nutrients(cont.),Use crop rotations with legumesConservation tillage methodsPlant cover cropsApply fertilizer in multiple small doses rather than a single large dose,10 土壤氮的生物固定（了解部分）,氮的生物固定是指在固氮微生物的作用下，由游离态的N2转化为结合态氮的过程。,10.1 固氮生物,能够将分子态氮还原成NH3的微生物称为固氮微生物。在自然界中，只有原核生物-细菌具有固氮能力，此细菌包括真细菌、古细菌、蓝细菌和放线菌。,固氮微生物生态,1共生固氮（1）根瘤菌与豆科植物的共生固氮（2）蓝细菌及真菌和植物的共生固氮（3）弗兰克菌（放线菌）和非豆科植物的共生体2自生和联合固氮,1农田生态系统中生物固氮的贡献2影响固氮效率的生物学因素3环境因素和管理措施对生物固氮的影响,10.2 农田生态系统中生物固氮,（1）农田生态系统中生物固氮的贡献,在农田生态系统中自生和共生固氮的数量基本相当；但在豆科作物栽培条件下，共生固氮对土壤氮素的贡献远高于自生和联合固氮的效果。如：根瘤菌一年的固氮量为n*10-200kg/ha。自生固氮一般在0-20kg/ha/a，其中在热带水稻田中较高。从农田生态系统的类型看，水田生态系统中生物固氮量明显高于旱地生态系统。,（2）影响固氮效率的生物学因素,生物学因素包括土壤固氮微生物的种类、固氮效率、数量、存活和竞争结瘤能力、移动性、其他生物对固氮微生物的侵染等。,（3）环境因素和管理措施对生物固氮的影响,（1）能源能源物质不足是限制土壤固氮微生物固氮效果的主要因素。（2）结合态氮的有效性结合态氮素的反馈调节作用是影响生物固氮效果的重要因素。（3）矿质营养元素土壤中的矿质元素通过影响固氮微生物和寄主的生长、能源运输和能量代谢、根瘤菌侵染、根瘤的形成和固氮活性等来影响固氮作用。（4）气候主要是温度和水分两方面。（5）耕作系统免耕覆盖、豆科与其