1、第二节第二节 土壤氮素与环境质量土壤氮素与环境质量2022-4-182主要内容主要内容1. 土壤中氮素的含量及其来源土壤中氮素的含量及其来源2. 土壤中氮素的形态土壤中氮素的形态3. 土壤中氮素转化过程土壤中氮素转化过程4. 土壤氮素管理与环境质量土壤氮素管理与环境质量2022-4-1831. 土壤氮素的含量及其来源土壤氮素的含量及其来源含量：含量：一般土壤含量范围：一般土壤含量范围：0.02%0.50%我国耕地含量：我国耕地含量：0.04%0.35%表层高，心、底土低表层高，心、底土低来源：来源：A 生物固氮：包括自生固氮生物固氮：包括自生固氮 、共生固氮和联合固氮；、共生固氮和联合固氮；B
2、 降水：降水：1.5-10.5 kg/hm2.a；C 灌水；灌水；D 施肥；有机肥、无机化肥施肥；有机肥、无机化肥目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。2022-4-184 氮素是土壤中活跃营养元素，作物需求量大。和植物氮素是土壤中活跃营养元素，作物需求量大。和植物需求相比，全世界大部分土壤缺氮，氮肥的应用有力需求相比，全世界大部分土壤缺氮，氮肥的应用有力地促进农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。地促进农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。 土壤中氮可以通过一系列化学反应和物理过程以各种土壤中氮可以通过一系列化学反应和物理过程以各种形态进入大气和水体，对局部
3、乃至全球环境产生种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、农产品品质、环境直是土壤、肥料、地球物质循环、农产品品质、环境科学等多个研究领域密切关注的问题。科学等多个研究领域密切关注的问题。 2022-4-1852. 土壤中氮素的形态土壤中氮素的形态有机态氮 可溶性有机氮5%； 水解性有机氮5070%； 非水解性有机氮3050%。无机态氮 铵态氮(NH4+)； 硝态氮(NO3-)； 亚硝态氮(NO2-)。2022-4-186 有机态氮有机态氮占全氮的绝大部分，95%以
4、上。 可溶性有机氮可溶性有机氮5%，主要为：游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物； 水解性有机氮水解性有机氮5070%，用酸碱或酶处理而得。包括：蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类； 非水解性有机氮非水解性有机氮3050%，主要可能是杂环态氮、缩胺类。2022-4-187无机态氮无机态氮数量少、变化大，表土中占全氮12%，最多不超过58%。 铵态氮铵态氮(NH4+N)：可被土壤胶体吸附，一般不易流失，但在旱田中，铵态氮很少，在水田中较多。在土壤里有三种存在方式：游离态游离态、交换态交换态、固定态固定态。 硝态氮硝态氮(NO3-N)：移动性大；通气不良时易反硝化损失；在土壤中主要以游离态存在。 亚硝态氮
5、亚硝态氮(NO2-N)：主要在嫌气性条件下才有可能存在，而且数量也极少。在土壤里主要以游离态存在。 其他其他，氨态氮、氮气及气态氮氧化合物。速效氮速效氮：土壤溶液中的铵溶液中的铵、交换性铵交换性铵和硝态氮硝态氮因能直接被植物根系所吸收，常被称为速效态氮。2022-4-188全全 氮氮有效氮：有效氮：能被当季作物利用的能被当季作物利用的氮素，包括无机氮氮素，包括无机氮(2)和易分和易分解的有机氮解的有机氮碱解氮：碱解氮：测得的有效氮。测得的有效氮。全氮全氮：土壤中氮素的总量。土壤中氮素的总量。速效氮速效氮：土壤溶液中的铵、交土壤溶液中的铵、交换性铵和硝态氮因能直接被植物换性铵和硝态氮因能直接被植
6、物根系所吸收，常被称为速效态氮。根系所吸收，常被称为速效态氮。有效氮有效氮速效氮速效氮几个概念几个概念2022-4-189中国不同地区耕层土壤的全氮含量中国不同地区耕层土壤的全氮含量2022-4-18103. 土壤中氮素的转化土壤中氮素的转化 铵态氮铵态氮 硝态氮硝态氮 矿化作用矿化作用 硝化作用硝化作用 生物固定生物固定 硝酸还原作用硝酸还原作用NH3N2、NO、N2O吸附态铵或吸附态铵或固定态铵固定态铵水体中的水体中的硝态氮硝态氮 挥发损失挥发损失 反硝化作用反硝化作用吸附固定吸附固定 淋洗损失淋洗损失 有机态氮有机态氮生物生物 固定固定有机态氮有机态氮2022-4-1811土壤氮素的有效
7、化有机氮的矿化（有机氮水解；氨化）硝化（亚硝化；硝化）土壤氮素的损失反硝化生物脱氮化学脱氮（亚硝酸分解；氨挥发）粘粒对铵的固定生物固定氮素淋洗2022-4-1812土壤氮素有效化土壤氮素有效化 有机氮矿化：有机氮矿化：定义定义：含氮的有机合化物，在多种微生物的作用下降解为简单的氨态氮的过程。它包括：a. 水解水解：b. 氨化：氨化：蛋白质蛋白质 多肽多肽 氨基酸氨基酸水解水解肽酶朊酶氨化微生物RCHNH2COOH + O2 RCH2COOH + NH3 + 能量能量酶2022-4-1813定义：定义：将土壤中的氨、胺、酰胺等微生物的作用下氧化 为硝酸的生物化学过程。第一步：亚硝化作用第一步：亚
8、硝化作用第二步：硝化作用第二步：硝化作用土壤氮素有效化土壤氮素有效化 硝化过程：硝化过程：2NO2- + O2 2NO3- + 40千卡硝化微生物硝化微生物2HN4+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+ + 158158千卡亚硝化微生物亚硝化微生物速率：硝化作用亚硝化作用铵化作用速率：硝化作用亚硝化作用铵化作用。因此，正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态因此，正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态氮及氨的积累。氮及氨的积累。2022-4-1814硝化作用：NH4+或NH3经NO2-氧化为NO3-2022-4-1815土壤氮素损失土壤氮素损失 反硝化（生物脱氮过程）反硝化（生物脱氮过程）过程
9、：过程：NO3- NO2- NO N20 N2氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶氧化氮还原酶- H20 2NO HN03 2HNO2 H2N2O2 厌氧微生物厌氧微生物 +4H+4H+ - 2H2O -2H2O + 2H+-2H2O+2H2ON2- 4H+厌氧厌氧 微生物微生物N2O2022-4-1816反硝化作用：硝酸盐等较复杂含氮化合物 转化为N2、NO、N2O2022-4-1817主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如：主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如：a.氨态氮挥发氨态氮挥发NH4+ + OH- NH3 + H2O在碱性条件下进行b.亚硝酸分解反应亚硝酸分解反应 3HNO2
10、HNO3 + 2NO + H2O条件：酸性愈强，分解愈快。土壤氮素损失土壤氮素损失 化学脱氮过程化学脱氮过程2022-4-1818土壤氮素损失土壤氮素损失 其他损失途径其他损失途径 粘粒矿物对铵的固定粘粒矿物对铵的固定 北方的土壤中，能固铵的粘粒矿物较多，但其土壤中铵极少，而北方的土壤中，能固铵的粘粒矿物较多，但其土壤中铵极少，而南方水田的铵态较多，而能固定铵的粘土矿物不多。因此，铵的南方水田的铵态较多，而能固定铵的粘土矿物不多。因此，铵的粘土矿物固定在我国的意义不大。粘土矿物固定在我国的意义不大。 生物固定生物固定 氮素的淋洗氮素的淋洗淋洗淋洗硅铝片硅铝片硅铝片硅铝片NH4+2022-4-1
11、8194. 土壤氮素管理与环境质量土壤氮素管理与环境质量现状：现状：氮肥生产效率趋于下降，农业环境污染则趋于加重氮肥生产效率趋于下降，农业环境污染则趋于加重任务：任务：保障粮食安全和农产品供应，减少农业环境污染环境保障粮食安全和农产品供应，减少农业环境污染环境目标：目标：降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率途径：途径： 适宜施氮量，避免盲目过量施氮 氮肥深施、早作上表施氮肥(特别是尿素）立即适量灌水、前氮后移 使用改性氮肥，延长肥效 利用作物与微生物共生固氮 2022-4-1820施用氮肥对环境质量的影响施用氮肥对环境质量的影响 据估计，我国农业中氮损失正以
12、惊人速度增加，如1969-1973年农业中氮（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0.6，70至80年代为0.50.4，90年代则进一步下降为0.350.322022-4-1821施用氮肥对土壤健康质量的影响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。
13、 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2022-4-1822施用氮肥的水体污染施用氮肥的水体污染 施用化肥对水体环境影响多方面，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0.2mg/L，磷（P）浓度达到0.015mg/L时就可能引起“藻化”现象。从土壤学角度看，这两个浓度很易达到。 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）水体中营养盐均远超过氮磷富营养化发生浓度，尤其
14、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遭到了氮和其化合物的污染。2022-4-1823施用氮肥的大气污染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。2022-4-1824施用氮肥对作物品质和人体健康影响施用氮肥对作物品质和人体健康影响 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
