土壤氮素与环境.ppt

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1、第三章：土壤中C、N、S、P、F、Se、I 与土壤环境质量,土壤氮素与环境,主要内容,生态系统的氮素循环土壤氮素组成进入土壤氮素的来源氮素在土壤中的行为氮肥对环境的影响蔬菜累积硝酸盐的生理基础农业非点源N污染评价指标体系及N流失危险性指数,各级肉食动物,生态系统中氮循环,氮素是土壤中活跃的营养元素，作物需求量大。和植物需求相比，全世界大部分土壤缺氮，因而氮肥的应用有力地促进了农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。土壤中的氮也可以通过一系列的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

2、质、环境科学等多个研究领域密切关注的问题。,土壤氮素由有机态氮和无机态氮组成。前者为与碳结合的含氮物质后者为未与碳结合的含氮物质 在表层土中，有机态氮占土壤全氮的90左右，随看土层深度的加深这一比率迅速降低。,土壤无机态氮,土壤无机态氮包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、氮氧化物、氮气等。铵态氮可分为土壤溶液中的铵，交换性铵和粘土矿物固定态铵固定态铵存在于2：l粘土矿物晶层间其含量主要决定于土壤的粘土矿物类型和土壤质地。对具有固定铵能力的土壤来说，它是土壤中无机态氮的主体。硝态氮和亚硝态氮一般存在于土壤溶液中，在一般土壤中亚硝态氮含量极低。水稻土中由于淹水造成的还原条件，速效态氮的主体是铵态氮，硝态

3、氮含量极低。旱地土壤则以硝态氮为主，铵态氮含量较低在施肥的条件下施肥后的一段时问内，速效态氮的含量升高，以后急剧降低，旱地施尿素或铵态氮后短时间内铵态氮的含量可能较高随着硝化作用的进行，一段时间后以硝态氮为主。,有机态氮,有机态氮的组成复杂，目前已分离鉴定出的含氮化合物单体有：氨基酸、氨基糖、嘌呤、嘧啶、以及微量存在的叶绿素及其衍生物、磷酯、各种胺、维生素等很多种。在土壤中它们与其它土壤有机质或与粘土矿物相结合，或与多价阳离子形成复合体，还有一小部分存在于生物体中、绝大部分有机态氨存在于土壤固相中，只有很少量存在于土壤液相中。土壤有机态氮的形态分布与氮素的生物分解性之间并无直接的联系，大部分有

4、机态氮难于分解只有少量存在于土壤中活的或死的生物体中的有机态氮比较易于分解，从而被植物吸收利用。在作物生长过程中通过有机态氮矿化作用释放出来的氮是作物重要的氮索来源。土壤有机态氮在作物氮索营养中起着重要的作用。,土壤全氮含量,土壤全氮含量是土壤中各种形态氦素含量之和、包括有机态氮和无机态氮在一定程度上可以代表土壤的供氮水平。土壤全氮含量相对比较稳定，但亦处于动态的变化之中。中国土壤全氮含量变化很大，据对全国2千多个耕地土壤的统计其变幅为0.43.8g/kg N,平均值为1.3g/kg，自然植被下未受侵蚀的土壤全氮含量通常高于农田。,我国自然植被下士壤表层的全氮含量：自东向西随着降水量的逐渐诚少

5、和蒸发量的逐渐增大植被渐变稀疏，生物积累量逐减减少，生物分解作用相对较强土壤全氮含量依黑土黑钙土棕钙土灰钙土漠土的顺序而逐渐减少。由北向南，随温度的增蒿分解速率的增大远胜于植物生物量的增多，土壤全氮含量依暗棕壤（和白浆土）棕壤，褐土黄棕壤的顺序而降低而由黄棕壤再向南至红壤，砖红壤，可能由于植物生物量的增大更甚于分解速率的增高，含量又逐渐升高。黄壤地区海拔较高，由于较低的温度和较高的降水量而使有机质的分解速率较低，因而全氮含量较红壤、砖红壤为高高山地带由千全年大部分时间处于冰冻条件下虽然植物生物量很低，但分解速率更低因此，在长期的成土过程中土壤也积累了较多的氮素。,中国不同地区耕层土壤的全氮含量

6、,进入土壤的氮源,1、来自农田生态氮循环系统研究表明：对于广大农牧区地下水的硝态氮增高，主要的原因是由于化肥的大量使用，就地表水的污染而论，化肥的使用也贡献了其50%以上。,2、来自大气的干湿沉降 干湿沉降作用到达地表的NO2有0.4亿-1.16亿吨，铵态氮为1.1亿2.4亿吨，但各地区的干湿沉降的差异很大。干湿沉降的氮一部分直接进入河、湖等集水区，一部分参与土壤氮循环，还有一部分汇入城市径流。3、来自城市氮循环系统 城市居民的生活污水与垃圾粪便、工业排放的三废是城市地下水硝态氮的主要污染源。,中国农业生产中的氮素平衡,氮在土壤中的行为,硝化作用反硝化作用氮的吸附氮的矿化,硝化作用,硝化作用：

7、NH4+或NH3经NO2-氧化为NO3-的过程,这些反应分别由两种微生物推动：NH3氧化细菌（或初级硝化细菌）和NO2-氧化细菌（或次级硝化细菌），前者把NH3氧化至NO2-，后者把NO2-氧化为NO3-，这两种微生物共称硝化细菌,硝化作用的影响因子,（1）硝化微生物是好气性微生物，其活性又受土壤中氧分压的强烈影响，后者又受到土壤水分含量的控制。一般在田间最大持水量的50%60%时，土壤中硝化作用最为旺盛（2）土壤酸度是影响硝化作用的重要因素之一。一般来说，在酸性环境中自养硝化细菌很少或不存在，通常在pH6.68.0或更高范围内生长，具体到各个属最适pH范围不同（3）施肥量对硝化作用有显著的影

8、响，如硫酸铵用量在300mg N/g以下时，硝化速率随施用量的增加而增大，超过该施用量时硝化速率迅速降低。至于肥料种类也影响，加入C/N低的有机物能促进硝化作用；（4）耕作对硝化作用有何影响，结论还不一致，有的发现免耕抑制硝化作用，有的发现免耕反而使硝化作用比常规耕作更强，这方面还需做进一步的探索；（5）通常植物根系对硝化作用有抑制作用，这是由于根系分泌的酚类物质和有机酸所致。此外，土壤质地、温度、氧化还原电位、等也都会影响硝化作用。,反硝化作用,反硝化作用是指把硝酸盐等较复杂的含氮化合物转化为N2、NO、N2O的过程,反硝化作用的影响因素,（1）反硝化作用是在嫌气条件下进行的微生物过程，因而

9、受到土壤水分和通气状况的影响。降雨、灌溉后一定时间后反硝化作用会达到最高峰，这取决于土壤的类型；（2）虽然反硝化作用可以在较宽的温度范围内进行，但温度过高或过低都不利于反硝化的进行；（3）反硝化微生物需要有机物质作为电子供体和细胞能源，因此土壤中的生物有效性直接影响反硝化速率；（4）研究发现，免耕能促进反硝化作用，主要是与免耕时作物残茬的覆盖有利于土壤保持较多的水分和提供能源物质有关；（5）由于植物根系分泌物和脱落物进入土壤增加了碳源，以及植物根系的活动使根系周围土壤的通气状况和水分条件以及pH与根外土壤不同，因此植物根系能提高反硝化作用；（6）氮肥施用量高时反硝化量明显高。,氮的吸附,土壤中

10、各种形态的氮化合物，如氨态氮、硝态氮、有机态氮等均能和土壤无机固相部分相互作用，被吸附或固定，在这三种形态中，研究得比较多的是氨态氮和有机氮与土壤固相的作用。至于硝态氮和亚硝态氮则一般被认为是带负电荷，吸附量甚微，或甚至有负吸附现象。土壤固体部分对氨态氮的吸附可分为物理吸附、化学吸附和物理化学吸附等几种类型。土壤固体部分对氨态氮的吸附包括氨分子（NH3）和铵离子（NH4+）吸附，可通过分子引力或氢键进行。物理吸附量的大小和固体部分的比表面积、黏土矿物组成、胶体的组成和表面性质等有关。氨态氮或铵态氮与土壤固相部分的化学或物理化学吸附可通过多种途径，如氨分子和粘粒矿物或有机物上的氢离子结合形成铵离

11、子、代换吸附、铵的固定、蛋白质的吸附固定等。,土壤对NH4+的吸附受pH的影响，一般随pH的增高，吸附NH4+强度也增加，这是由于pH不但影响胶体所带的负电荷数量，还影响胶体上所吸附的阳离子种类。土壤对铵离子的吸附作用在氮素运移与转化过程中具有重要意义。一方面，由于土壤对铵离子的吸附，使得大部分的可交换性铵得以保存在土壤中，另一方面，从氮素对地下水的污染看，由于土壤对铵离子具有保持作用，阻滞了铵离子向深层土壤的淋失，减轻了氮素对地下水的污染。但是，当土壤对铵离子的吸附量达到最大值时，在入渗水流作用下铵离子还是可以进入地下水，加重地下水氮污染。,氮的矿化,氮矿化指有机态氮转化为矿质氮（NH4+、

12、NO2-、NO3-）的过程，是和氮的固定截然相反的过程，是氮素形态转化的最基本环节。土壤有机态氮的矿化对土壤圈氮循环具有重要意义。有机氮的矿化条件包括内因和外因两方面，内因是有机氮化合物的分子结构及其与矿物质结合的状态，外因是影响微生物活动的环境条件。,矿化作用主要由微生物进行，也称氨化微生物，所以，能影响氨化微生物活动的环境条件均可影响氮素的矿化作用，主要有温度、湿度和酸度。氨化作用的最适温度是20-35度，高于或低于这一温度，矿化作用就会减弱。矿化作用对pH的要求不是很严格，一般的土壤中均可以进行，但以中性条件下最旺盛，过酸过碱均可对氨化作用有所抑制，尤以酸性条件影响较大。土壤的湿度和通气

13、条件对矿化有一定影响，水分过多影响通气或由于水分不足而过于干燥均影响氨化细菌的活动。一般在土壤含水量为最大持水量的60%左右时最适于有机氮的矿化，湿度过高或过低均有抑制作用。Stanfor et al（1974）认为水分对氮矿化影响极大，土壤氮矿化率随水分含量的变化而变化。有目的的调整这些条件有利于氮的矿化。,氮肥在农业生产中的重要性,广义上讲，氮肥可分为天然有机氮肥和化学氮肥，天然有机氮肥主要来自植物和动物，化肥则主要由人工合成。我国农业土壤氮素化学肥料是主要来源，为生物固氮的5倍左右。1948-1998年的50年内农业化肥氮用量总额为3.8亿吨（N），1998年用量达2470万吨，占同期世

14、界农业氮用量（8330万吨）的29.7%。目前，我国许多地区每季作物氮素用量在150-225kg/hm2，在某些地区的菜田，化学氮肥年施用量在500-1300 kg/hm2（N），远高于平均水平。,施用氮肥对环境质量的影响,据估计，我国农业中的氮损失正以惊人的速度增加，如1969-1973年农业中的氮（化肥和有机肥）年损失500万吨，其中化肥为200万吨，是同期化肥氮用量的69%；1994-1998年，氮年损失2300万吨，其中化肥氮为1900万吨，为同期化肥氮的84%。氮损失量增加与氮肥利用率有很大关系，氮肥利用率低可能是氮肥损失的原因，也可能是氮肥损失的结果。20世纪60年代氮肥利用率为0

15、.6，70至80年代为0.50.4，90年代则进一步下降为0.350.32,施用氮肥对土壤健康质量的影响,对于氮肥来说，最易引起土壤变化的性质就是pH。连续施用氮肥会导致土壤pH降低，在酸性土壤上问题尤为明显。酸性土壤交换性钙含量低，每加入100kg硫酸铵就需要110kg的碳酸钙去中和由于氮肥所产生的酸度。如果不施加石灰校正土壤酸度，锰和铝的过量释放将会产生对植物的毒害作用,施用氮肥的水体污染,施用化肥对水体环境的影响是多方面的，如水体富营养化、NO3-和NO2-污染等。一般来说，在封闭性湖泊和水库水中，氮（N）浓度超过0.2 mg/L，磷（P）浓度达到0.015mg/L时就可能引起“藻化”现

16、象发生。从土壤学角度看，这两个浓度是很容易达到的。目前氮和磷是我国湖泊富营养化的主要诱因，五大淡水湖泊（太湖、洪泽湖、鄱阳湖、洞庭湖和巢湖）水体中的营养盐均大大超过氮磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度高达10倍以上。我国几乎所有的江湖河海和局部的地下水都不同程度的遭到了氮和其化合物的污染,由淋失和径流引起的水体NO3-和NO2-含量过高是施用氮肥对环境污染的又一体现。饮水中硝酸盐和亚硝酸盐进入人体后与仲胺、酰胺或类似的化合物反应，形成致癌和致突变化合物。目前，我国的地下水硝酸盐污染非常严重，农田硝酸盐淋失被认为是主要原因。施肥用量和土壤中硝酸盐的积累与淋失量密切相关。过多施用有机肥同样存在硝酸盐

17、污染地下水的风险。当易分解的土壤有机质C/N较低时，分解有机质的土壤生物将转向更多的利用有机肥料氮，且伴随着氨的释放，在通气良好的土壤中，化能自养硝化微生物可以很快把氨转化为NO3-，从而导致其在土壤中的累积，增加淋失的可能性 地下水硝态氮的污染不是简单的物理迁移，而是长期施肥引发的、与作物吸收、土壤转化、微生物活动等耦合在一起的行为过程要治理其污染也得从长期出发、全方位考虑。,施用氮肥的大气污染,氮肥施入土壤后，部分会以气态形式损失掉，如NH3、NO、N2和N2O等。在近地面的环境中，NOx在阳光下与氧气反应，形成臭氧，组成化学烟雾，刺激人、畜的呼吸器官；在农田则对农作物产生危害大气中N2O

18、正以0.25%的年增长率上升，其中，热带和农业土壤被认为是全球重要的N2O释放源，贡献率达70%90%。在美国，来自农田的N2O大约有405kt-1011kt。近20年来，农业生产的N2O的释放及其影响因素的研究成为氮素生物化学循环研究的新热点。,影响氨挥发的主要因素,(1)土壤阳离子代换量：氨挥发随土壤粘粒或有机质含量增加而降低；(2)土壤pH值和碳酸钙合量：随pH值的升高，氨挥发的潜力增高，试验表明：氨挥发随碳酸钙含量的增加而增加；(3)温度：温度越高，氨挥发速率也越大；(4)风速和换气频率：用密闭室法测定氨挥发时，氨挥发随换气频率的增加而增大；(5)农田的水分状况：在旱作土壤上，土壤水分

19、适中时，氨挥发最高，水分过高或过低时氨挥发都比较少(6)铵的不同去向的竞争：液相中铵态氮的去向除了氨挥发，还可能被植物、土壤微生物或藻类所吸收，或经硝化作用而转变成硝态氮，然后进一步反硝化或淋溶而损失，不同过程之问存在着一定的内在联系或竞争关系。,施用氮肥对作物品质和人体健康的影响,高剂量施用化肥势必造成土壤特性的迅速变化。土壤特性的变化势必引起作物品质的变化。高剂量施用单一化肥，将引起土壤中各种元素的比例失调，最后导致作物产生新的生化过程,从对人畜健康威胁看，NO2-是主要离子，NO3-本身毒性比较小，但它是NO2-的主要来源。NO3-进入人体以后，能通过酶系统还原为NO2-，从而引起高铁血

20、红蛋白症，重则使婴儿死亡。NO3-和NO2-两者均为强化学致癌物质N-亚硝基化合物和C-亚硝基化合物的前体物质，在人体内外皆可与二级胺类，或酰胺类化合物反应，生成上述两种致癌物质。因此，对人畜的健康造成了潜在威胁。,蔬菜累积硝酸盐的生理基础,蔬菜作物大多以吸收硝态氮为主，进入植物体的硝态氮必须经硝酸还原酶的作用还原成氨，才能形成氨基酸和蛋白质，参与植物体的氮代谢过程。蔬菜累积一定量的硝态氮是一种自然和必要的过程。因为硝态氮除了作为合成蛋白质的氮源外，在液泡内还是重要的渗透调节物质。尤其在弱光条件下，植物体内碳水化合物合成减少，液泡内有机物含量下降，硝态氮可以替代它们的渗透调节作用，而且需要的能

21、量也更低。由于液泡中的硝态氮具有储备、渗透调节等生理作用，决定了植物在其生长过程中势必要累积一定数量的硝态氮。,但是，在不同的植物种类、栽培条件和施肥措施下硝态氮的累积量差异很大，对于作物体内硝态氮的超常累积的内在生理机制至今说法不一，概括起来主要有以下4种观点：过量施用氮肥，蔬菜作物硝态氮吸收与还原转化不平衡是造成硝态氮累积的根本原因：当蔬菜对硝态氮的吸收超过了还原能力，进人体内的硝态氮不能及时被还原转化，就会出现硝酸盐的大量累积，而作物对硝态氮的吸收与生长的不协调则会加剧这一累积过程。硝态氮和硝酸还原酶在细胞中存在和分布的非一致性，是硝态氮累积的重要原因。在作物体内，硝态氮除了作为合成氨基酸、蛋白质的有效氮源外，还作为渗透调节物质，在进行渗透调节，维持植物正常生长及根系吸水等方面起重要作用。硝态氮的累积是作物对其奢侈吸收的结果：由此可见，植物体内硝态氮累积总量的多少及其变化则取决于硝态氮的吸收、还原、运转和同化等过程，而这些过程不仅与植物本身的生物学特性如作物种类、器官、生育期等密切相关，而且也受外部因素如施肥、光照、温度和栽培措施等显著影响,农业非点源N污染评价指标体系及N流失危险性指数,N流失危险性指数=（质地等级分值*渗透率等级分值）*（源因子等级分值）指数 N流失危险性18 很高,