第8章-土壤氮、磷循环与环境效应-环境土壤学
土壤中氮、硫、磷的循环与环境质量68页PPT
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46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
氮磷循环与农业环境研究
氮磷循环与农业环境研究农业作为人类的主要经济活动之一，不仅提供了我们的食物，还支撑着全球经济增长和社会发展。
同时，农业活动对环境的影响也愈加显著，其中之一就是氮磷循环。
本文将从氮磷循环的基本概念、农业活动的氮磷排放及其环境效应、探究如何发展可持续生产模式等方面探讨氮磷循环与农业环境研究。
一、氮磷循环的基本概念氮和磷是植物生长必需的营养元素，它们在自然界中以不同的形式存在。
氮以氨、硝酸盐等形式存在于空气中、地下水、土壤中的有机质和无机化合物中。
磷则存在于矿物中，并分散于土壤和岩石中。
氮磷循环是这两种元素在自然界和生态系统中的转化过程，包括由植物摄取、在植物和动物体内转换和释放至空气、水、土壤的循环。
二、农业活动的氮磷排放及其环境效应由于农业活动需要大量的化肥和畜禽粪便作为肥料，使得农业成为氮磷排放的重要来源之一。
但是，过量的氮磷排放将对环境造成很多不利的影响。
1. 土壤酸化氮磷肥料的使用会导致土壤PH值降低，从而导致土壤酸化。
酸性土壤会对植物的生长产生不利的影响，严重的还会影响土壤的生态系统功能。
2. 水体富营养化氮磷会在降雨或灌溉中进入水体中，导致水体富营养化。
植物和浮游生物的过度生长会消耗水体氧气，形成死亡区域，严重影响水生生物的生存。
3. 温室气体排放氮肥的制造和使用，以及畜禽粪便的堆积和处理都会产生温室气体，如甲烷、氨、氧化亚氮等，对全球气候变化产生负面影响。
三、探究如何发展可持续生产模式为了减轻人类活动对环境的影响，需要采用可持续生产模式来实现生产的可持续发展。
下面是几点我们可以考虑的方法：1. 采用有机肥料有机肥料是一种天然的堆肥，能够提高土壤的健康程度，并且在生态系统中具有更好的环境效应。
2. 监管农业活动政府和科学家应该更好地监管农业活动，确保农民使用符合标准的肥料，并控制排放量。
3. 大规模粪便处理在畜禽养殖场和养殖区建立便于处理的处理站来处理畜禽粪便。
粪便的去处不仅解决了污染问题，还可作为肥料应用于农业生产中。
土壤学教学大纲-西南林业大学—环境科学与工程学院
《土壤学》教学大纲课程编号：A14101学时：32学分：2.0修读专业：林学、林学（双外语）大纲文本一、课程的主要内容土壤学是研究土壤发生分类分布、土壤理化和生物学性状、利用和改良的科学。
本课程主要内容包括土壤的基本物质组成，土壤的形成，土壤物理、化学和生物学性质、土壤分类、分布等。
根据授课专业特点，基本的章节内容分列如下：第一章绪论1、土壤在农林业生产和生态系统中的作用2、土壤及土壤肥力的基本概念3、近代土壤学的发展概况4、土壤学的学科体系及学习土壤学的作用和任务第二章地质学基础1、地球的一般特征地球的形状，大小，地球的物理性质，地球的圈层结构。
2、矿物矿物的概念，矿物的物理性质，常见造岩矿物的识别特征。
3、岩石岩浆岩、沉积岩、变质岩的形成、特征及常见岩石。
4、地质作用与地形地貌地质内力作用和地形地貌，地质外力作用和地形地貌。
第三章岩石风化和土壤形成1、风化过程风化作用及其类型。
2、风化产物的类型风化产物及其地球化学类型、母质类型。
3、土壤形成土壤形成因素，土壤形成过程中的大小循环学说。
4、土壤剖面及形态特征自然土壤、耕作土壤剖面的形成及其形态特征。
第四章土壤生物1、土壤动物土壤主要动物及其与生态环境的关系。
2、土壤微生物土壤细菌、真菌、放线菌、土壤藻类及其与土壤的关系。
3、植物根系及其与微生物的联合植物根系形态，根际与根际效应，根际微生物，菌根，根瘤。
4、土壤酶土壤酶的来源与存在形态，土壤酶的种类与功能，土壤酶活性及其影响因素。
第五章土壤有机质1、土壤有机质的来源、组成2、土壤有机质的转化土壤有机质矿质化和腐殖化过程。
3、土壤腐殖质土壤腐殖质的分组，土壤腐殖酸的性质。
4、土壤有机质的作用与调节土壤有机质在土壤肥力及生态环境方面的作用，土壤有机质的调节。
第六章土壤质地、结构与孔性1、土壤质地土壤固体颗粒及其性质，土壤质地划分，土壤质地与肥力，土壤质地改良等。
2、土壤结构土壤结构体类型及其形成，土壤结构性评价，土壤结构体的改善等。
土壤中的碳,氮,磷素循环
土壤中的碳,氮,磷素循环碳在大气、陆地生命体和土壤有机质几个分室中的迁移、转化。
它是生物界能量转化的主要形式，主要由生命过程所驱动。
分室的大小和通量土壤碳循环的各主要过程（见图）。
全球大气分室中的碳总量约为712×1012千克，土壤有机质分室中的碳总量约为2500×1012千克，陆地生命体分室中的碳总量约为830×1012千克。
从19世纪中叶以来每年从大气中经由光合作用输入土壤中的碳约为30×1012千克，占大气中总碳量的4%，每年从土壤中经由生物分解和其它氧化过程返回大气中的碳量与此量大致相等。
因此，土壤有机质总量基本上保持不变，处于稳定态。
土壤有机质的周转光合产物进入土壤中后，一部分矿化为二氧化碳，与此同时，一部分变为微生物体，还有一部分转化为腐殖物质。
微生物和腐殖物质将经历光合产物同样的命运，即部分矿化为二氧化碳，部分变为新一代的微生物体，部分变为新腐殖物质。
如此循环往复，整个土壤有机质处于动态平衡中。
土壤有机质生物学稳定性可分为不同的组分。
各组分的数量决定于其本身分解的难易程度和其输入速率。
其中以分解最慢的组分（包括胡敏酸、蜡和某些稳定的环状结构的化合物等）的数量为最多；次为分解较慢的组分，包括木质素、树脂和某些芳香族化合物；再次为包括纤维、脂肪等不溶性物质的组分；氨基酸、简单的糖类和低分子脂肪酸等易分解组分的数量最少。
它们在土壤中的停留期依次分别为几年到几千年、几个月到几年、几天到几个月和几小时到几天。
整个土壤有机质的平均停留期约为25年，它主要是温度的函数。
土壤有机质总量取决于其年分解量和年光合产物输入量的相对大小。
影响两者的因子有气候条件、土壤水分状况、质地和酸碱度以及管理措施等。
不同土壤的上述条件不同，其有机质含量差异极大。
泥炭土因处于渍水条件下，氧气缺乏，年分解量远低于年光合产物输入量，因而其有机质含量最高，可达90%以上，其厚度可超过20米。
《环境土壤学》课件
土壤结构包括土壤颗粒大小、孔隙度和团聚体等，影 响水分和空气的流动，以及养分的保持和传递。
土壤生态系统由土壤生物、土壤环境、土壤结 构和土壤养分等组成，具有物质循环、能量流 动和信息传递等功能。
土壤环境包括土壤温度、湿度、酸碱度、氧化还 原电位和土壤气体等，对土壤生物的生存和活动 产生影响。
交通运输
汽车尾气、轮胎磨损等 产生的有害物质进入土
壤。
土壤污染的类型
重金属污染
如铅、汞、镉等重金属元素在土壤中积累。
放射性污染
放射性核素在土壤中的富集。
有机物污染
如石油、农药、多环芳烃等有机化合物污染 土壤。
病原菌和寄生虫污染
污水灌溉和垃圾填埋等导致病原菌和寄生虫 在土壤中滋生。
土壤污染对环境和人体的影响
土壤生态保护与修复
通过生态工程和生物修复等技 术手段，恢复受损土壤生态功 能。
土地资源管理与规划
结合地理信息系统等技术，进 行土地资源调查、评价和规划
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环境土壤学的发展历程
20世纪初
环境土壤学开始萌芽，主要关注土壤污染问题。
20世纪中叶
随着工业化和城市化加速，土壤污染和退化问题日益严重，环境土 壤学得到快速发展。
土壤生物的种类与分布
土壤生物包括微生物、植物和动物等，其中微 生物包括细菌、真菌、放线菌等，植物包括根 系和地衣等，动物包括蚯蚓、蚂蚁和蜘蛛等。
土壤生物的种类和分布受地理环境、气候条件 、植被类型和土壤类型等多种因素的影响，不 同地区的土壤生物群落存在差异。
土壤生物在土壤形成、物质循环和生态平衡等 方面发挥着重要作用，对人类生产和生活也有 重要影响。
特点
环境土壤学具有跨学科性，涉及环境 科学、土壤学、地理学、生态学等多 个领域；同时，环境土壤学强调实践 应用，旨在解决实际的环境问题。
环境土壤学课程教学大纲-上海交通大学
《环境土壤学》教学大纲一、课程基本信息课程代码：EV362 课程名称：环境土壤学英文名称：Environmental Soil Science 课程类别：专业选修课学时：32 学分：3.0适用对象：环境科学、环境工程、生态学、地理科学、农业工程等专业本科生考核方式：闭卷考试，平时成绩占总成绩的30%前修课程：无机化学、有机化学、环境化学原理、环境学概论等二、课程简介环境土壤学是一门新兴的土壤学与环境科学交叉融合的综合性学科。
是在近代土壤污染状况日益严重，日益引起世界各国人民关注的情况下应运而生的一门基础理论课程。
该课程主要关注自然因素和人为条件下土壤环境质量恶化的机制、土壤中重要的元素，包括生命必需元素和生命毒性物质的生物、化学性质及其土壤环境行为。
课程内容涉及：土壤质量与生物品质、土壤与水和大气质量的关系；土壤环境质量变化对人体健康、社会经济、生态系统结构和功能的影响；探索调节、恢复和控制土壤环境质量的途径和方法。
通过本课程的学习，使学生正确理解土壤在环境中的作用与地位，掌握土壤基本组成、性质与分类，了解土壤的形成、发展、退化和恢复的过程及机制，熟悉不同类型污染物对土壤生态系统造成的危害，掌握土壤环境质量调控和改善的基本途径和方法。
为培养环境、农业方面的工程人才和科研人才打下坚实的基础。
三、课程性质与要求土壤是环境中的一项基本要素，且土壤决定了环境污染物的归趋，是许多重要元素的源和汇，与大气、水体等介质有着持续不断的物质、能量交换，是重要的环境介质。
对于环境专业学生来说，了解土壤在环境学中的地位与作用，了解土壤中污染物的行为十分重要。
本课程为面向环境科学与工程专业本科三年级的专业基础课程，与2017年最新开设的工程类课程《土壤与地下水污染修复技术》形成姊妹篇，其目的是使学生掌握土壤这种重要的环境介质与污染物之间的关系，为培养专业的治污人才提供足够的科学理论知识储备。
本课程知识点繁多、信息量大，学科交叉融合性极强。
1章-绪论-《环境土壤学》
土壤分类学 Soil Taxonomy
土壤发生学 土壤资源学 土壤区划学 土壤管理学
土壤矿物学 Soil Mineralogy 土壤环境学 Soil Environment
土壤生态学 土壤环境化学 土壤修复学
土 壤化学 Soil Chemistry
土壤无机化学 土壤有机化学 土壤分析化学 土壤物理化学 土壤生物化学 土壤胶体化学 土壤电化学 土壤表面化学
益的部分。
有效（经济）肥力：土壤肥力在当季生产中表现出来产
生经济效益的部分。
（四）土壤的物理性质
土壤物理特性包括其疏松性、结构性、透水性、 持水性、水分移动性、透气性、吸附性等，这些特 性决定了土壤中物质的运移和能量的转化，为植物 根系的发育和高等及低等生物的定居提供了相对有 利的条件，同时在环境保护、地下水水质保持等方 面起到不可替代的作用。土壤物理学就是研究土壤 的这些独特物理性质的土壤学分支。
“土壤”和“土地”概念的区别：
不是同一范畴的概念。
土壤是土地的物质组成部分，而土地不仅包括土 壤要素，还包括地形、植被、水文、人文等要素。
土壤
自然土壤 农业土壤
二、土壤的基本特性
（一）土壤剖面的垂直分层特性
土壤是在生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下 的产物，这种综合作用就称为成土作用。由成土作用形成的层 次称为土壤发生层，而完整的垂直土层序列称之为土壤剖面。
一、土壤是人类农业生产的基地 二、土壤是地球表层系统自然地理环境的重要组成部分 三、土壤是陆地生态系统的基础 四、土壤是最珍贵的自然资源
土壤与人类生存发展的关系示意图
一、土壤是人类农业生产的基地
（一）土壤是植物生长繁育和生物生产的基地
环境科学中的陆地生态系统氮磷循环
环境科学中的陆地生态系统氮磷循环陆地生态系统氮磷循环是自然界中一个重要的循环系统，为生态环境的健康发展提供了保障。
随着工业和城市化进程的加速，人类活动对生态环境的影响也日益明显，对陆地生态系统氮磷循环的研究变得尤为重要。
本文将围绕陆地生态系统氮磷循环展开阐述，分别从概念、特征、影响因素和保护措施几个方面加以分析。
一、概述氮磷循环是指生态系统中氮、磷元素的赋存、运移、转换和利用的过程。
氮循环包括氮固定、氨化、硝化、反硝化等环节；磷循环包括磷礁溶解、有机磷矿物化、生物矿化等过程。
这些过程在生态系统中构成了一个循环系统，使氮磷元素在不同生物体之间进行了有规律的转移和循环，保证了生态系统中各生态物种的繁衍和生态系统的健康稳定。
二、特征1、氮磷元素在陆地生态系统中分布广泛，并经过复杂的相互作用和循环。
2、生态系统中土壤中氮磷元素的赋存和变化对气候、地貌、植被和生态环境变化等具有重要影响。
3、生态系统中氮磷元素的循环是一个复杂的生物地球化学过程，需要多个生物过程和环境因素共同影响。
三、影响因素1、生态系统中植物和微生物数量和种类对氮磷元素的循环有着重要的影响，其中植物又是影响因素中最重要的因素之一。
2、气候和土壤类型都对氮磷元素的循环有着重要的影响，其中气候因素中降水量和温度是影响因素中的两个重要因素之一。
3、地表流水和地下水对氮磷元素的运移和循环也具有一定的影响，它们可以在不同空间范围和时间尺度内对生态系统氮磷循环产生影响。
四、保护措施1、加强对生物多样性的保护，促进土壤有机质的增加和土壤不良状态的改善。
2、采用生态工程的方法提高土壤肥力，避免过度耕作对土壤造成的伤害。
3、加强生态环境监测，分析土地演变和不同生态系统之间的关系。
4、改善氮磷元素循环的结构和功能，提高土壤养分利用率和生态系统养分稳定性。
通过对陆地生态系统氮磷循环的了解，我们不仅可以更好地把握自然界的规律和变化，也能够更好地预防和应对各种环境问题和生态危机。
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土壤氮素损失 ——其他损失途径
• 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 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。
• 生物固定
• 氮素的淋洗
硅铝片
NH4+
淋
硅铝片
洗
四. 土壤氮素流失与环境质量
氮肥生产效率趋于下降，农业环境污染则趋于加重 保障粮食安全和农产品供应，减少农业环境污染环境 降低农田中化肥氮损失、提高氮肥利用率 途径：
主要可能是杂环态氮、缩胺类 。
无机态氮
数量少、变化大，表土中占全氮 1~2% ，最多不超过5~8%。
• 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、交换态、固定态。
• 硝态氮(NO3- — N) ：移动性大；通气不良时易反硝化损失；
为硝酸的生物化学过程。
第一步：亚硝化作用
2HN4+ + 3O2 亚硝化微生物 2NO2- + 2H2O + 4H+ + 158千卡
第二步：硝化作用
硝化微生物
2NO2- + O2
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 氮及氨的积累。
2NO3- + 40千卡
硝化作用：NH4+或NH3经NO2-氧化为NO3-
在土壤中主要以游离态存速在效。氮：土壤溶液中的铵、
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亚硝态氮(NO2-
—
N)：主交要换在性嫌铵气和性硝条态件氮下因才能有直可接能存在， 被植物根系所吸收，常被称
而且数量也极少。在土壤为里速主效要态以氮游。离态存在。
• 其他，氨态氮、氮气及气态氮氧化合物。
几个概念
全氮：土壤中氮素的总量。
有效氮：能被当季作物利用的
无机态氮
• 铵态氮(NH4+)； • 硝态氮(NO3-)； • 亚硝态ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(NO2-)。
有机态氮
占全氮的绝大部分，95%以上。 • 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50~70%，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30~50%，
一般土壤含量范围：0.02%~0.50% 我国耕地含量：0.04%~0.35% 表层高，心、底土低
来源：
A 生物固氮：包括自生固氮 、共生固氮和联合固氮； B 降水：1.5-10.5 kg/hm2.a； C 灌水； D 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。
➢ 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 地促进农业生产的发展，开创了农业历史的新纪元。
反硝化作用：硝酸盐等较复杂含氮化合物 转化为N2、NO、N2O
土壤氮素损失 ——化学脱氮过程
主要是一些特殊环境条件下的化学反应，如：
a. 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
3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O 条件：酸性愈强，分解愈快。
➢ 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、农产品品质、环境 科学等多个研究领域密切关注的问题。
二. 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50~70%； • 非水解性有机氮30~50%。
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
蛋白质 朊酶
水解
多肽 肽酶
氨基酸
b. 氨化：
氨化微生物
RCHNH2COOH + O2 酶
RCH2COOH + NH3 + 能量
土壤氮素有效化 ——硝化过程：
定义：将土壤中的氨、胺、酰胺等微生物的作用下氧化
硝酸还原作用硝态氮
氮
吸附固定
淋洗损失
有
生 物
机
固态 定氮
吸附态铵或固定态铵
水体中的硝态氮
土壤氮素的有效化
• 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
土壤氮素有效化 ——有机氮矿化：
– 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
……
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%；
土壤氮素损失 ——反硝化（生物脱氮过程）
过程： NO3-
硝酸盐 还原酶
NO2-
硝酸盐 还原酶
氧化氮
氧化亚氮
NO 还原酶 N20 还原酶 N2
N2
+ 2H+ -2H2O
2NO
- 4H+
+2H2O
N2O
- H20
厌氧 微生物
HN03
厌氧微生物 +4H+ - 2H2O
2HNO2
+4H+ -2H2O
H2N2O2
➢ 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0.5~0.4， 90年代则进一步下降为0.35~0.32 ,
氮素，包括无机氮(<2％)和易分 解的有机氮
碱解氮：测得的有效氮。
速效氮：土壤溶液中的铵、交
换性铵和硝态氮因能直接被植物 根系所吸收，常被称为速效态氮。
速
有
全
效
效
氮
氮
氮
中国不同地区耕层土壤的全氮含量
三. 土壤中氮素的转化
NH3
N2、NO、N2O
挥发损失
反硝化作用
有
机 态
矿化作用
生物固定 铵态氮
硝化作用
主要内容
第一节. 土壤中氮素转化与环境质量 第二节. 土壤中磷素的转化与环境质量 第三节. 土壤中氮磷流失控制
第一节. 土壤中氮素转化与环境质量
• 一. 土壤氮素的含量及其来源 • 二. 土壤中氮素的形态 • 三. 土壤中氮素的转化 • 四. 土壤氮素管理与环境质量
一. 土壤氮素的含量及其来源
含量：