氮素转化课件.ppt
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1、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
2、: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
3、、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
4、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
5、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
6、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 inorga
7、nic 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 T
8、ransformations,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,E
9、ach 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
10、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
11、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,gras
12、s,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
13、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 pl
14、ant 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,AprilMayJuneJulyA
15、ug.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+Or
16、ganic 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
17、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
18、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 incre
19、ases 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
20、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)(
21、+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
22、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
23、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
24、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
25、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
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