第十章 土壤養(yǎng)分循環(huán)

1、第十章 土壤養(yǎng)分循環(huán),,主要內(nèi)容 (重點(diǎn))：,教學(xué)目標(biāo)與要求：,教學(xué)方式與手段：,課時安排與進(jìn)度：,,,,,1.土壤氮素循環(huán) （重點(diǎn)）2.土壤磷和硫的循環(huán) （重點(diǎn)）3.土壤中的鉀鈣鎂 4.土壤中的微量元素循環(huán),從養(yǎng)分的來源、含量、形態(tài)和轉(zhuǎn)化過程來掌握各種土壤養(yǎng)分。重點(diǎn)掌握土壤氮、磷的轉(zhuǎn)化過程，尤其是無效化過程；了解土壤鉀、鈣、鎂的狀況以及微量元素的重要性。,幻燈，動畫演示；舉例分析；,課時數(shù)：4課時,? 土壤養(yǎng)分－指植物

2、所必需的，主要是土壤來提供的營養(yǎng)元素就叫做土壤養(yǎng)分。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤肥力的重要組成因素。,土壤養(yǎng)分的基本概念,指來自土壤的元素通?？梢苑磸?fù)的再循環(huán)和利用,典型的再循環(huán)過程。包括 ①生物從土壤中吸收養(yǎng)分； ②生物的殘體歸還土壤； ③在土壤微生物的作用下，分解生物殘體，釋放養(yǎng)分； ④養(yǎng)分再次被生物吸收。,土壤養(yǎng)分循環(huán),一、作物所必需的營養(yǎng)元素,作物所需的營養(yǎng)元素,亞農(nóng)（Arnon）

3、1954年對植物“必需”的養(yǎng)料元素定了三條標(biāo)準(zhǔn)： （1）如果缺少這種元素，植物就不能生長或不能完成生 命周期 （2）這種元素不能被其他元素所代替，它有所具有的營 養(yǎng)作用 （3）這種養(yǎng)料元素在植物的代謝過程中具有直接的作用。,Mo對全部高等植物及大部分微生物是必需的；Na和Co對藻類、細(xì)菌與高等植物是必需的；Ca、B、Cl對高等植物是必需的，但對微生物，特別是真菌的生長則并不必

4、需。此外，鋇、硅、鋁、碘與鎵幾種元素只對少數(shù)幾種植物必需。,農(nóng)作物多數(shù)屬于高等植物，所以其必需的營養(yǎng)元素一般有16個：C、O、H、N、K、P、S、Ca、Mg、Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl,其中第一條最重要。但要通過實(shí)驗(yàn)來證明這幾點(diǎn)往往很困難。除了C、H、O三元素外，還有九種元素對所有的植物都是必需的：N、P、K、Mg、S、Fe、Mo、Zn、Cu,這是路密斯（Loomis）和許爾（Shull）于1973年首先使用的名稱。按習(xí)

5、慣標(biāo)準(zhǔn)： 大量元素：植物對這種元素的需要量超過1%。前九種屬之。 前九個占干體重的絕大多數(shù)，即植物吸收的數(shù)量大，通常占植物干重千分幾到百分之幾十。 微量元素：植物對這種元素的需要小于植物干重的0.1%。,大量元素和微量元素,土壤養(yǎng)分三要素在植物所必需的營養(yǎng)元素中，C、H、O大約占植株干重的95%。碳主要來自與大氣中的二氧化碳，而H、O則來自與土壤中的水分，氧可來自空氣。氮則除豆科作物外大部分取源于土

6、壤。,氮磷鉀三要素，簡稱土壤養(yǎng)分三要素。其所以重要就在于必需經(jīng)常調(diào)節(jié)其供不應(yīng)求的狀況，而不是指它們在作物營養(yǎng)中所起的作用。,第一節(jié) 土壤氮素循環(huán),1．含量 我國耕地土壤含氮一般在0.02%~0.2%之間；高于0.2%的很少，大部分低于0.1%。而華北、西北大部分地區(qū)土壤耕層發(fā)含氮量不足0.1%；南方土壤的含氮量介于二者之間。,一般把土壤含氮量 > 0.2%者為“高”；0.2%~0.1%之間者為“中”；0.1%~0

7、.05%者為“低”，< 0.05%者為“極低”。一般把作物在不施氮區(qū)的全年生長期所吸收的氮量為土壤供氮能力的良好指標(biāo)。,固氮作用主要是靠微生物，固氮微生物分共生和自生兩類。 （1）與豆科作物共生的固氮菌，其固氮能力很強(qiáng)。10~20斤/畝 （2）自生固氮菌，有分為好氣和嫌氣兩類。 好氣性固氮能力強(qiáng)，在熱帶林地，可達(dá)10~30斤/畝,2．來源 土壤中的氮素關(guān)非來源于土壤礦物質(zhì)。是生物固氮作用產(chǎn)生的

8、。,,對于農(nóng)田來說，土壤氮素的來源不止以上兩種途徑，包括： （1）固氮作用；自生固氮 、共生固氮和聯(lián)合固氮 （2）降水； （3）灌水； （4）施肥；① 有機(jī)肥；② 無機(jī)化肥；它們是土壤氮肥的主要來源。,1．植被與氣候一般： 草本植物 ＞ 木本植物 草本植物：豆科＞ 非豆科木本植物：闊葉林＞針葉林,一 影響土壤氮素含量的因素,一般而言：? 溫度愈高，有機(jī)質(zhì)分解愈快，OM含量低，N少；?

9、濕度愈高，有機(jī)質(zhì)分解愈慢，OM積累的多，N多。,2．土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤氮素和土壤有機(jī)質(zhì)二者呈正相關(guān)關(guān)系。土壤氮素的含量大致占土壤有 機(jī)質(zhì)含量的5%左右。,1．有機(jī)成氮占全氮的絕大部分，92~98%。有機(jī)氮的礦化 率只有3~6%。（1）可溶性有機(jī)氮 < 5%，主要為： 游離氨基酸、胺鹽 （速 效 氮）及酰胺類化合物（2）水解性有機(jī)氮50~70%，用酸堿或酶處理而得。包 括：蛋

10、白質(zhì)及肽類、核蛋白類、氨基糖類（3）非水解性有機(jī)氮30~50%，主要可能是雜環(huán)態(tài)氮、 縮胺類,二 土壤氮素的存在形態(tài),2．無機(jī)態(tài)氮 土壤無機(jī)氮占全氮 1~2%(1~50ppm)。最多不超過5~8%； （1）銨態(tài)氮(NH4) 在土壤里有三種存在方式：游離態(tài)、交換態(tài)、固定態(tài)。 （2）硝態(tài)氮（NO3-N）在土壤主要以游離態(tài)存在。 （3）亞硝態(tài)氮（NO2-N）主要在嫌氣性條件下才有可能

11、存在，而且數(shù)量也極少。在土壤里主要以游離態(tài)存在。3．游離態(tài)氮（N2）,三 土中氮素的轉(zhuǎn)化,一）土壤氮素的有效化過程1．有機(jī)態(tài)氮的礦化過程 含氮的有機(jī)合化物，在多種微物物的作用下降解為簡單的氨態(tài)氮的過程。,條件：亞硝化細(xì)菌（專性自養(yǎng)型微生物） 通氣：良好 O2< 5% pH 5.5 - 10 (7-9), < 4.5 受抑制！ 水分：5

12、0~60% 溫度：35℃ ＜ 2℃ STOP! 養(yǎng)分：Cu，Mo等促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行。缺鈣，不利。,（2）硝化作用 硝化微生物 2NO2- + O2 2NO3- + 40千卡 以(Nitrobacter為主) 條件：硝化細(xì)菌（以N

13、itrobacter為主）其它同亞硝化作用,,在通氣良好的條件下，硝化作用的速率＞亞硝化作用＞銨化作用，因此，在正常土壤中，很少有亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮及氨的積累。,,反硝化作用的條件是1）具反硝化能力的細(xì)菌，反硝化細(xì)菌現(xiàn)已知有33個屬，多數(shù)是異養(yǎng)型，也有幾種是化學(xué)自養(yǎng)型，但在多數(shù)農(nóng)田都不重要； 2）合適的電子供體，如有機(jī)C化合物、還原性硫化合物或分子態(tài)氫；有效態(tài)碳的影響最大;3）厭氧條件，與田間持水量大小密切相關(guān)； 嫌氣狀態(tài)

14、 O2 8.2 - 9時，反硝化作用減弱。,（1）亞硝酸分解反應(yīng) 3HNO2 ? HNO3 + 2NO ? + H2O條件：酸性愈強(qiáng)，分解愈快。（2）氨態(tài)氮的揮發(fā)在堿性條件下， NH4+ + OH- ? NH3 ? + H2O土壤中的銨態(tài)氮在堿性條件下，很容易以NH3的形式直接從土壤表面損失掉。,2．化學(xué)脫氮過程 主要是指在一些特殊的情況下，如強(qiáng)酸反應(yīng)，溫度較高和水分含量很低等，亞硝酸協(xié)與一些

15、其他化合物（包括有機(jī)化合物）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成分子態(tài)氮或氧化亞氮的過程,3．粘粒礦物對銨的固定 我國北方的土壤中，能固銨的粘粒礦物較多，但其土壤中銨極少，而南方水田的銨態(tài)較多，而能固定銨的粘土礦物不多。因此，銨的粘土礦物固定在我國的意義不大。4．生物固定5、硝酸鹽的淋洗,四、土壤氮素的調(diào)控,,（一） C/N比影響,（二）施肥的影響,（三）淹水、灌溉的影響,1、在水田剖面的不同層次上，氮素的形態(tài)不同；2、在水田中無

16、機(jī)氮素以銨態(tài)氮為主；3、反硝化作用明顯；,第三節(jié) 土壤磷和硫的循環(huán),（一）土壤中磷素的來源 土壤中的磷是由巖石風(fēng)化而來的。原生礦物的含磷量為0.12%左右。,（二）土壤磷的含量及影響因素 1．土壤磷的含量 一般來說，土壤的磷素含量都在0.2%以下，紅壤、黃壤含磷只有0.04%。我國土壤全磷的含量在0.02%—0.11%之間。從總體來說，自北而南，土壤磷的含量是逐漸降低的 。,2．影響土壤磷含量的因素

17、 （1）母質(zhì)中礦物成分的不同； 基性巖 ＞ 酸性巖 堿性沉積體＞酸性沉積體 如，由石灰性風(fēng)化體形成的紅壤的含磷量比由的 紅壤多得多。 （2）土壤質(zhì)地的差別 土壤細(xì)粒部分所含的磷主要是次生的磷化合物。 （3）P在土壤剖面上的分布,從上到下，磷的含量逐漸降低。原因 ① 磷的遷移率很低； ② 植物根系的富積； ③ 有機(jī)膠體或無

18、機(jī)膠體對磷酸根的吸附作用，上層較強(qiáng)。 ④ 耕作制度和施肥的影響；,三）土壤中磷的存在形態(tài)土壤磷素可分為兩大類：有機(jī)態(tài)磷和機(jī) 態(tài)磷。有機(jī)態(tài)磷的含量占全磷的10~20%左右。,1．有機(jī)磷化合物 主要是植素（肌醇六磷酸）或植酸類，核蛋白或核酸以及磷類化合物。,,② 易溶性磷酸鹽 包括水溶性和弱酸溶性兩種。 易溶磷酸鹽，一方面來自與化肥，另一方面來自于難溶磷酸鹽的溶解。,一般來說，根據(jù)磷酸

19、鹽的溶解性，可分為：,① 難溶性磷酸鹽 如氟磷灰石、羥基磷灰石等存在于石灰性土壤中；粉紅磷鐵礦和磷鋁石在酸性土壤中較多。,1．土壤磷的有效化過程 有機(jī)態(tài)磷和難溶性磷酸鹽在一定條件 下，轉(zhuǎn)化為植物可以吸收利用的水溶性的 磷酸鹽或弱酸溶性的磷酸鹽的過程是其有 效性提高的過程，通常稱之為磷的釋放。,（四）土壤磷的轉(zhuǎn)化,,易溶性或速效態(tài)磷酸鹽轉(zhuǎn)化為難溶性遲效態(tài)和緩效態(tài)的過程，通

20、常稱之為磷的固定。 土壤中磷的固定是非常普遍的。,,2．土壤磷的無效化過程,（1）化學(xué)沉淀機(jī)制,? 該固磷作用發(fā)生在土壤固相的表面。具體可分為： ① 表面交換反應(yīng)（pH 5.5~6.5）通過土壤固相表面的OH-和溶液中的磷根交換， ② 表面上次生化學(xué)反應(yīng)在土壤CaCO3晶核的表面通過化學(xué)反應(yīng)或吸附形成一層 CaHPO4的膜狀沉淀。 ③ 陽離子吸附機(jī)制（中性土壤）,（2）表面反應(yīng)機(jī)制

21、,（3）閉蓄機(jī)制 當(dāng)磷在土壤中固定為粉紅磷鐵礦后，若土壤局部的pH升高，可粉紅磷鐵礦的表面形成一層無定形的氧化鐵薄膜，把原有的磷包被起來，這種機(jī)制叫閉蓄機(jī)制。Fe(OH)3 PKs = 37~38 粉紅磷鐵礦：PKs = 33~35 膠膜有鐵鋁質(zhì)的、鈣質(zhì)的。,（4）生物固定 有機(jī)質(zhì)C/P比為200∶1~300∶1，當(dāng)微生物的C/P比小于土壤有機(jī)質(zhì)時，就可產(chǎn)生生物固定。當(dāng)土壤中的磷太少時，對磷

22、素、微生物和作物就會發(fā)生競爭。特點(diǎn)：① 表聚性；② 暫時無效；③ 把無機(jī)磷 → 有機(jī)磷。,,（五）土壤磷的調(diào)節(jié),1、活性磷和磷的固定 只有那些不溶性磷化合物和保持在粘?；蛴?機(jī)質(zhì)中的固持態(tài)磷才稱為固定態(tài)的磷，這部分磷 占土壤全磷的95%以上，又稱為非活性磷。 土壤中可被植物吸收的磷組分稱為土壤的有效磷,2、提高土壤磷有效性的途徑。（1） 土壤酸堿度 pH6.5-6.8之間為宜，可減少磷的固定作用，提高土壤磷的有效性。,

23、（2） 土壤有機(jī)質(zhì) ① 有機(jī)陰離子與磷酸根競爭固相表面專性吸附點(diǎn)位，從而減少了土壤對磷的吸附。 ② 有機(jī)物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸和其它螯合劑的作用，將部分固定態(tài)磷釋放為可溶態(tài)。 ③ 腐殖質(zhì)可在鐵、鋁氧化物等膠體表面形成保護(hù)膜，減少對磷酸根的吸附。 ④ 有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2,溶于水形成H2CO3,增加鈣、鎂、磷酸鹽的溶解度。,（3） 土壤淹水 ①酸生土壤pH上升促使鐵、鋁形成氫氧化物

24、沉 淀，減少了它們對磷的固定；堿性土壤pH有所 下降，能增加磷酸鈣的溶解度；反之，若淹水 土壤落干，則導(dǎo)致土壤磷的有效性下降。 ②土壤氧化還原電位(Eh)下降，高價鐵還原成低 價鐵,磷酸低鐵的溶解度較高，增加了磷的有效 度。 ③包被于磷酸表面鐵質(zhì)膠膜還原，提高了閉蓄 態(tài)磷的有效度。,第四節(jié) 土壤中

25、的鉀 一、土壤中鉀的形態(tài)和含量,（一）土壤鉀素的來源 土壤鉀的來源于巖石的風(fēng)化。 在地殼巖石中，鉀的含量比磷高得多，整個巖石界 含鉀量平均為2.45%。因此在氮、磷、外三要素中，鉀 在土 壤中的含量最高。,（二）鉀素的形態(tài) 1 礦物鉀 土壤礦物中的鉀一般稱為結(jié)構(gòu)鉀，占全鉀量的92-98%。 鉀長石 （KAlSi3O8）含鉀7.5～12.5% 微斜長石（C

26、aI ? Na ? KAlSi3O8）含鉀7.0-11.5%， 白云母（K(AlSi3O8)Al2(OH2F)2）含鉀量6.5～9.0%，,2、非交換態(tài)鉀又 稱緩效鉀，是指存在于膨脹性粘土礦物層間和 邊緣上的一部分鉀。占全鉀量的2-8%。,3、交換態(tài)鉀指吸附在土壤膠體表面的鉀離子。在土壤中的含量一般為40-600mg/kg，占土壤全鉀量的1-2%。,1．土壤中鉀的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氮、磷，大體不超高3%（K2O）。我國自南向北含鉀

27、量是逐漸增加的，如華南地區(qū)，其平均水平 2%，東北、內(nèi)蒙的黑土可達(dá)2.6%。這主要是和地區(qū)的風(fēng)化、成土條件不同有關(guān)。,（三）土壤鉀的含量及影響因素,（1）母質(zhì) 富鉀礦物：① 長石類 正長石 鉀微斜長石等 含鉀量約在7- 12%之間。 云母類 白云母 黑云母 含鉀量約在 5- 9%之間。③ 次生粘粒礦物 水化云母（伊利石類）綠泥石等四川的紫色土含鉀較豐富,2．影響鉀含量的因素,（2）風(fēng)化及成土條

28、件北方 ＞ 南方高溫、多雨而淋溶強(qiáng)度大，K。（3）質(zhì)地粒徑越小，含K越多；質(zhì)地越粘，含K越多。,1．鉀的有效化（1）礦物風(fēng)化在土壤風(fēng)化和成土過程中所產(chǎn)生的各種有機(jī)或無機(jī)酸可以把含鉀礦物中的鉀釋放出來。所釋放的鉀都是水溶性的速效鉀。,（四）土壤鉀的轉(zhuǎn)化,（2）微生物分解一些微生物可以將鋁硅酸鹽分解，從而將其中的鉀釋放出來。如硅酸鹽細(xì)菌。（3）緩效鉀的釋放,圖10－8 土壤中不同形態(tài)鉀的平衡關(guān)系,（1）

29、鉀固定的機(jī)制在土壤條件變化時，如干濕交替、凍融交替、灼燒等，被土壤吸附在晶層表面的代換性鉀就會掉進(jìn)晶穴里，當(dāng)晶層間距變小，鉀離子便被封閉在里面，伊利石、拜來石、蒙脫石等，它們都屬2∶1型礦物，但前二者比后者固鉀能力更強(qiáng)。 （2）影響鉀固定的因素 有粘粒礦物組成、結(jié)構(gòu)，水分；土壤反應(yīng)，農(nóng)業(yè)措施。,2．土壤中鉀的無效過程－鉀的固定 鉀的固定是指代換性鉀轉(zhuǎn)化為緩效鉀的過程。,土壤中硫的循環(huán)及轉(zhuǎn)化,土壤硫的輸入

30、主要途徑有:①大氣無機(jī)硫(SO2)的沉降。②含硫礦物質(zhì)和生物有機(jī)質(zhì) 土壤硫的輸出：主要是植物吸收和土壤淋洗。,1、有機(jī)硫的礦化和固定 有機(jī)質(zhì)的C/S300-400,則就有可能產(chǎn)生生物固硫。,2、礦物質(zhì)的吸附和解吸 在富含鐵、鋁氧化物和水化氧化物、水鋁英石及1:1型粘粒礦物為主的土壤，硫酸根(SO42-)有可能被帶正電荷的土壤膠體所吸附,但吸附的SO42-容易被其它陰離子交換。,3、硫化物和元素硫的氧化

31、 土壤Eh和pH值是影響硫化物氧化的重要因素。,土壤硫轉(zhuǎn)化主要包括:,第五節(jié) 土壤中的微量元素循環(huán),圖10－9 土壤中的微量元素循環(huán),一、土壤中微量元素的來源 土壤中微量元素主要來自巖石和礦物，母質(zhì)不同的土 壤，微量元素種類和含量不同。 元素之間存在著相親與伴生。植物必需的微量元素有鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬和氯,二、土壤中微量元素的形態(tài) （4級或6級）（一）水溶態(tài) （二）交換態(tài)

32、（三）專性吸附態(tài) （四）有機(jī)態(tài) （五）鐵、錳氧化物包被態(tài) （六）礦物態(tài),三、土壤中微量元素有效性及其影響因素,1、pH 以鐵為例。 2、Eh 3、OM. 4、Texture 5、耕作管理,本章小結(jié),一、名詞解釋 土壤養(yǎng)分 2. 大量元素 3. 微量元素 4、交換態(tài)鉀 5. 有效養(yǎng)分