土壤养分循环(精)
第十章 土壤养分循环详细版.ppt
作物所需的营养元素
一、作物所必需的营养元素
亚农（Arnon）1954年对植物“必需”的养料元素定了三 条标准：
（1）如果缺少这种元素，植物就不能生长或不能完成生 命周期
（2）这种元素不能被其他元素所代替，它有所具有的营 养作用
（3）这种养料元素在植物的代谢过程中具有直接的作用。
农作物必需的营养元素一般有16个：
（1） 土壤酸碱度
pH6.5-6.8之间为宜，可减少磷的固定作用，提高土壤磷 的有效性。
① 难溶性磷酸盐 如氟磷灰石、羟基磷灰石等存在于石灰性土壤中；粉红磷
铁矿和磷铝石在酸性土壤中较多。
② 易溶性磷酸盐 包括水溶性和弱酸溶性两种。 易溶磷酸盐，一方面来自与化肥，另一方面来自于难溶磷
酸盐的溶解。
（四）土壤磷的转化
1．土壤磷的有效化过程
有机态磷和难溶性磷酸盐在一定条件 下，转化为植物可以吸收利用的水溶性的 磷酸盐或弱酸溶性的磷酸盐的过程并使其有 效性提高的过程，通常称之为磷的释放。
④ 水分60~70%； ⑥C/N比适当。
⑤ pH值要求在4.8~5.2
2．硝化过程
氨、胺、酰胺
NH4+→NO3-分两步
硝态氮化合
（1）亚硝化作用
亚硝化微生物
2NH4+ + 3O2
2NO2- + 2H2O + 4H+ + 158千卡 以(Nitrosonas为主)
条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物） 通气：良好 O2< 5% pH 5.5 - 10 (7-9), < 4.5 受抑制！ 水分：50~60% 温度：35℃ ＜ 2℃ STOP! 养分：Cu，Mo等促进硝化作用的进行。缺钙，不利。
土壤学16(土壤养分)
溶
碳酸磷灰石 3Ca3(PO4)2 •CaCO3
解
羟基磷灰石 3Ca3(PO4)2 •Ca(OH)2
度
氧基磷灰石 3Ca3(PO4)2 •CaO
增
磷酸三钙 Ca3(PO4)2
加
磷酸二钙 CaHPO4
磷酸一钙 Ca(HPO4)2
Chap. 16 土壤养分
2）磷酸铁和磷酸铝类化合物（Fe-P、Al-P） 主要存在于酸性土 3）闭蓄态磷（O-P） 闭蓄态磷是由氧化铁胶膜包被的磷酸盐 主要存在于酸性土 （石灰性土壤中包被的胶膜是难溶性的钙
3.土壤淹水 4.集中施肥
Chap. 16 土壤养分
§3土壤钾素
土壤钾素的来源： 母质来源
地壳含钾约为2.45%，土壤全钾在 5~25mg/kg 之间 钾肥
Chap. 16 土壤养分
土壤钾素的形态： 1.按化学组成 水溶性钾 交换性钾 非交换性钾 矿物钾 2.按植物营养有效性 速效钾、缓效钾和无效钾
钾素转化与循环
分化作用
含钾母质
分解
固定
固定作用 径流
难溶性钾
分解 固定
吸收 固定
溶解
代换性钾
代换
水溶性钾
吸收
分解
生物吸收 分解
有机体内钾
流失
Chap. 16 土壤养分
土壤钾的固定、释放与影响因素 土壤钾的固定与影响因素 土壤钾的释放与影响因素
铵的硝化
2NH4+ +3O2
2NO2- +2H2O+4H++660kJ
2NO2- +2O2
2NO3- +167kJ
硝化作用是专性微生物（亚硝化菌和硝化
菌）完成—自养硝化（中性pH、好氧条件）
土壤养分循环.ppt
CO2 content of atmosphere in 1988 was 351 ppm and in 1992 was 356 ppm
CO2 content of atmosphere in 1996 was 363 ppm CO2 content of atmosphere in 1999 was 370 ppm
3. 土壤碳的循环转化
The Carbon Cycle
1. autotrophs fix carbon dioxide from the atmosphere during photosynthesis 2. carbon dioxide is released back into the atmosphere by respiration 3. the carbon cycle is very fast 4. Other carbon cycles are slow
•50%-90% savings for NT vs. CT
•Increased leaching •Increased fertilizer use
Soil carbon equilibrium
•Affected by many factors
• amount and type of biomass input
•Biomass
•has degradation resistant litter •provides good soil microbial habitat •has high water holding capacity •protects from oxidation •cools soil by shading/water •promotes aggregation •tight nutrient budget
（土壤学讲义）第10章土壤养分循环
第十章土壤养分循环第一节土壤氮素循环第二节土壤磷和硫的循环第三节土壤中的钾钙镁第四节土壤中的微量元素循环第五节土壤养分平衡及有效性循环第一节土壤氮素一、陆地及土壤生态系统中的氮循环（一）陆地生态系统中的氮形态大气中氮以分子态氮（N2）和各种氮氧化物（NO2、NO、N2O）等形式存在。
其中N2占78% ，生物作用下转化为土壤和水体生物有效态（铵态氮和硝态氮）（二）氮素循环由两个重叠循环构成：一是大气层的气态氮循环几乎所有的气态氮对大多数高等植物无效，只有若干种微生物或少数与微生物共生的植物可以固定大气中的氮素，使它转化成为生物圈中的有效氮。
二是土壤氮的内循环1-矿化作用 2-生物固氮作用 3-铵的粘土矿物固定作用4-固定态铵的释放作用 5-硝化作用6-腐殖质形成作用 8-腐殖质稳定化作用7-氨和铵的化学固定作用二、土壤氮的获得和转化（一）土壤氮的获得1、大气中分子氮的生物固定2、雨水和灌溉水带入的氮3、施用有机肥和化学肥料（二）土壤中N的转化1、氮的形态---无机态氮和有机态氮（1）土壤无机态氮铵态氮（NH4+-N）硝态氮（NO3--N）（2）有机态氮 --主要存在形态，占全N的95%以上水溶性有机氮按溶解度大小分水解性有机氮非水解性有机氮2、土壤氮素的转化（1）有机氮的矿化矿化过程分两个阶段：第一阶段：氨基化阶段即复杂的含氮化合物(如氨基糖、蛋白质、核酸等)经微生物酶的系列作用下，逐渐分解而形成简单的氨基化合物。
第二阶段：氨化作用即在微生物作用下，各种简单的氨基化合物分解成氨的过程。
氨化作用于可在不同条件下进行：O2 RCOOH +NH3+CO2+QRCHNH2COOH + 2H---RCH2COOH +NH3+QH2O RCHOHCOOH+NH3+Q（2）铵的硝化硝化作用：是指土壤中大部分NH4+通过微生物作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。
2NH4++3O2-------2NO2-+2H2O+4H++Q2NO2-+O2-------2NO3-+Q（3）无机态氮的生物固定定义：矿化作用生成的铵态氮、硝态氨和某些简单的氨基态氮，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分，称为无机态N的生物固定（又称为生物固持）（4）铵离子的矿物固定定义：是指离子直径大小与2：1型粘土矿物晶架表面孔穴大小接近的铵离子，陷入晶架表面的孔穴内，暂时失去了它的生物有效性，转变为固定态铵的过程。
土壤养分循环
矿物固定态铵离子的含量与土壤中其他交换性阳离子的种类和性质有关， 尤其与钾离子的含量关系密切。土壤的干湿交替、酸碱度等对铵的矿物 固定或固定态铵的释放也有直接的影响。
在某些森林土壤O层和A层中大约有一半的氮以固定态铵或者与腐殖质化 学结合态的形式被固定。
三、土壤中氮素的循环转化及其调节 （二）土壤氮素内部转化（氨化作用、硝化作用、固持） 一般把有机态氮转变成氨态氮和硝态氮的过程（氨化和硝化作用）统称 为矿化过程（nitrogen mineralization ）。
核酸是一类含磷、氮的复杂有机化合物，是直接从生物残体特别是微生 物体中的核蛋白质分解出来的。经微生物酶系作用分解为磷酸盐后即可 为植物吸收。
3、磷脂类（不足1%）
一类不溶于水而溶于醇或醚类的含磷有机化合物，普遍存在于动植物及 微生物体内。磷脂类化合物经微生物分解转化为有效磷后才能被植物利 用。
二、土壤中磷素的存在形态及其有效性 土壤无机磷：（占土壤全磷2/3~3/4） 1、难溶类磷酸盐类 （1）磷酸钙（镁）类化合物（以Ca-P表示） 指磷酸根在土壤中与钙、镁等碱土金属离子以不同比例结合形成的一系 列不同溶解度的磷酸钙、镁盐类。它们是石灰性或钙质土壤中磷酸盐的 主要形态。 在我国北方石灰性土壤中常见的磷酸盐有磷灰石[ Ca5(PO4)·F]、羟基磷灰 石[ Ca5(PO4)3·OH]、磷酸三钙[ Ca3(PO4)2]和磷酸八钙[Ca8(PO4)6·5H2O]、磷 酸十钙[ Ca10(PO4)6·(OH)2 ]。
第十二章 土壤养分 10.19
5．提高土壤中有效磷的途径
（3） 土壤淹水 土壤淹水还原pH向中性趋近（稀释作用），酸性土壤pH上升 促使活性铁、铝氧化物的沉淀，减少磷的固定；碱性土pH降 低，增加磷酸钙的溶解度。 土壤淹水Eh下降，高价铁还原成低价铁，磷酸低铁的溶解度 较高，可增加磷的有效度。
6．土壤硫的来源及含量
主要来源：母质、灌溉水、大气沉降和施肥等。 矿质土壤含硫量一般在0.1~0.5 g/kg之间，随有机质含量增加而 增加。 土壤有效硫（S）分级为:
3．土壤中磷的形态
矿质态磷：几乎全为正磷酸盐。
土 壤 磷 形 态
磷酸钙（镁）类化合物(Ca—P)
磷酸铁和磷酸铝类化合物（Fe—P及Al—P) 闭蓄态磷（ O—P ）：氧化铁胶膜包被着的磷酸盐。 有机态磷：含量变幅很大，一般占全磷的25-50%。 20-30%的有机磷形态不清楚。
核酸类：占有机磷5-10%。直接来源于生物残体特 别是为生物体中的核蛋白质分解物。
性的高低。
气 态 损 失 NH3
湿沉降 NO3干沉降 NOx NH4+ 4 N2 NOx
N2 收获 灌施 水肥 枯枝落叶 吸收 矿化 固持 风化 固持 粘粒矿物 地下水
NH4+
NH3
径流 氨 挥 发 硝化
NO3-
腐殖质 微生物 可交换态 固定态
淋 洗
NO3-
第一节
1．含量
土壤氮素循环
氮素是“肥料三要素”之首。
（K2O）钾含量一般0.5～2.5%，平均为1.2% ，自南向北、自 东向西增加。
土壤钾形态(占全钾%)
非交换性钾 （2～8%） 交换性钾 （1～2%） 水溶性钾 （很少）
形态
矿物钾 (90～98%)
10土壤养分循环
第三节 土壤中的钾钙镁
土壤中的钙和镁
土壤中钙、镁形态
矿物态 交换态和水溶态
土壤钙、镁的丰、缺状况
第四节
土壤中的微量元素循环
土壤中微量元素的来源及转化
土壤中微量元素的来源与损失
来源
岩石 大气 施肥
损失
植物吸收和收获物移出 土壤淋洗和侵蚀
第四节
土壤中的微量元素循环
土壤中微量元素的来源及转化
微量元素转化
第五节
土壤养分平衡及有效性
土壤溶液中养分的补给
养分容量和强度指标
容量指标指土壤中有效养分总量； 强度指标指土壤溶液中养分离子的浓度； 缓冲容量指土壤固相维持溶液中养分强度的能力。
土壤养其吸附离子的结合能； 养分位 把养分的有效性与化学位联系起来，用化学位衡 量养分的有效度，称为养分位。但养分位不等于化学位， 而是化学位的简单函数。
思考问题
土壤的养分贮存在何处？ 在氮素循环中所强调的重要概念是什么？ 什么是磷的固定？ 钾是如何从土壤中损失的？ 哪些微量元素的有效度依赖于土壤pH？
粘粒矿物的类型 土壤质地 土壤水分条件 土壤酸碱度
第三节 土壤中的钾钙镁
土壤钾的固定和释放及其影响因子
土壤钾的释放及影响因素
释放过程主要是非交换性钾转变为交换性钾的过程; 只有当土壤交换性钾减少时，非交换性钾才释放为 交换性钾，土壤钾的释放量随交换性钾含量下降而 增加； 土壤释钾能力主要决定于其非交换性钾的含量； 干燥、灼烧和冰冻对土壤钾的释放有显著影响。
土壤氮的转化
有机氮的矿化 铵的硝化 无机态氮的生物固定 铵离子的矿物固定
第一节
土壤氮素循环
土壤氮的损失
淋洗损失 气体损失
反硝化作用 氨挥发
植物的根系生理与土壤养分循环
植物的根系生理与土壤养分循环植物的根系生理与土壤养分循环是植物生长和发育的关键过程。
根系是植物吸收水分和养分的主要器官，通过根系的吸收与释放作用，植物能够维持自身的生命活动。
同时，根系还具有塑造土壤环境、调节土壤养分循环的功能。
本文将探讨植物根系的生理机制和其与土壤养分循环之间的关系。
一、根系结构及生理机制植物的根系是由主根、侧根和细根组成的复杂网络系统。
主根是最早形成的根，起到支撑植物的作用，侧根则从主根上生长出来，增加吸收面积和稳定植物的生长。
细根则是根系中最细小的分支，是植物吸收水分和养分的主要部位。
根系的生理机制包括吸水吸养分、呼吸代谢和分泌物质等过程。
首先，根系通过根毛吸收土壤中的水分和养分。
根毛是细胞伸长增生的产物，具有极高的吸水吸养分能力。
其次，根系通过呼吸作用产生能量，并调节氧气和二氧化碳的交换。
根系的呼吸代谢对植物的能量供应和碳氮平衡具有重要影响。
此外，根系还能分泌有机酸、激素和酶等物质，对土壤养分的溶解、稳定和转化起到促进作用。
二、根系与土壤养分循环根系与土壤养分之间存在着密切的相互作用关系。
植物通过根系吸收土壤中的养分，同时根系的生长和分泌也会对土壤养分循环产生影响。
1. 养分吸收与利用根系通过根毛吸收土壤中的养分，包括氮、磷、钾等多种元素。
养分的吸收与利用是植物生长和发育的基础，也是植物抵抗逆境和提高产量的关键。
植物通过根系调控吸收通道的开闭以及养分的运输和转化，从而实现对土壤养分的选择性吸收和利用。
2. 化学物质的分泌与土壤改良根系分泌的有机酸、激素和酶等物质能够改变土壤环境，并促进土壤养分的溶解、转化和释放。
例如，植物的根系分泌有机酸可以降低土壤的pH值，促进磷的溶解和铝、锰等微量元素的释放。
同时，根系分泌的激素和酶也能够调节土壤中酶活性和微生物生态，进而影响土壤养分的循环和有效性。
3. 根系对土壤结构的调控植物的根系能够改善土壤的结构和通气性，增加土壤的持水保肥能力。
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3．质地
质地
N%
砂性土
低
壤性土
高
粘性土
4．地形及地势
二 土壤氮素的存在形态
1．有机态氮占全氮的绝大部分，92~98%。有机氮的矿化 率只有3~6%。 （1）可溶性有机氮 < 5%，主要为： 游离氨基酸、胺盐 （速 效 氮）及酰胺类化合物 （2）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 （3）非水解性有机氮30~50%，主要可能是杂环态氮、
3．游离态氮（N2）
三 土壤中氮素的转化
一）土壤氮素的有效化过程
1．有机态氮的矿化过程
含氮的有机合化物，在多种微物物的作用下降解为简单的氨 态氮的过程。 （1）水解过程 水解 水解
蛋白质
朊酶
多肽
肽酶
氨基酸、酰胺等
条件：① 真菌、细菌、放线菌等； ②在通气良好； ④ 水分60~70%； ③ 温度较高； ⑤ pH值适中；
在植物所必需的营养元素中，C、H、O大约占植 株干重的95%。碳主要来自与大气中的二氧化碳， 而 H 、 O 则来自与土壤中的水分，氧可来自空气。 氮则除豆科作物外大部分取源于土壤。
氮磷钾三要素，简称土壤养分三要素。 其所以重要就在于必需经常调节其供不 应求的状况，而不是指它们在植物营养 中所起的作用。
土壤养分循环
指来自土壤的元素通常可以反复的再循环和利用,典型的再 循环过程。包括 ①生物从土壤中吸收养分； ②生物的残体归还土壤； ③在土壤微生物的作用下，分解生物残体，释放养分； ④养分再次被生物吸收。
土壤系统中的养分循环过程
第二节 土壤氮素循环
1、氮素在自然界的分布
– 岩石圈 1.636*1011Tg(1012g) – 陆地土壤:有机质2.2*105 粘土矿物2*104 – 大气圈 3.86*109 – 水圈 2.3*107
1．植被与气候 一般： 草本植物 ＞ 木本植物 草本植物：豆科＞ 非豆科 木本植物：阔叶林＞针叶林
一般而言：
温度愈高，有机质分解愈快，OM含量低，N少；
湿度愈高，有机质分解愈慢，OM积累的多，N多。
2．土壤有机质含量
土壤氮素和土壤有机质二者呈正相关关系。土壤氮素的含 量大致占土壤有 机质含量的5%左右。
亚硝化微生物 2HN4 + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+ + 158千卡 以(Nitrosonas为主) 条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物） 通气：良好 O2< 5% pH 5.5 - 10 (7-9), < 4.5 受抑制！ 水分：50~60% 温度：35℃ ＜ 2℃ STOP! 养分：Cu，Mo等促进硝化作用的进行。缺钙，不利。
（ 4 ）施肥；① 有机肥；② 无机化肥；它们是土壤 氮肥的主要来源。
3、 土壤氮的损失
●氨的挥发 NH4+（代换态） NH4+（液相） NH3（液 相） NH3 （气相） NH3 （大气） ●反硝化 生物反硝化： 化学反硝化： ●NO3-的淋失
土壤氮素养分循环
土壤氮素转化
二、 影响土壤氮素含量的因素
2、大量元素和微量元素
路密斯（Loomis）和许尔（Shull）于1973年 首先使用的名称。 大量元素：植物对这种元素的需要量超过1%。பைடு நூலகம்前九种属之。 前九个占干体重的绝大多数，即植物吸收的 数量大，通常占植物干重千分几到百分之几十。 微量元素：植物对这种元素的需要小于植物 干重的0.1%。
土壤养分三要素
缩胺类
2．无机态氮
土 壤 无 机 氮 占 全 氮 1~2%(1~50ppm) 。 最 多 不 超 过 5~8%；
（1）铵态氮(NH4) 在土壤里有三种存在方式：游离态、 交换态、固定态。
（2）硝态氮（NO3-N）在土壤主要以游离态存在。 （ 3 ）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。
固氮作用主要是靠微生物，固氮微生物分共生和自生两类。 （1）与豆科作物共生的固氮菌，其固氮能力很强。10~20斤/亩 （2）自生固氮菌，有分为好气和嫌气两类。 好气性固氮能力强，在热带林地，可达10~30斤/亩
对于农地来说，土壤氮素的来源不止以上两 种途径，包括：
（1）固氮作用；自生固氮 、共生固氮和联合固氮 （2）降水； （3）灌水；
Mo对全部高等植物及大部分微生物是必需的；
Na和Co对藻类、细菌与高等植物是必需的；
Ca、B、Cl对高等植物是必需的，但对微生物， 特别是真菌的生长则并不必需。 此外，钡、硅、铝、碘与镓几种元素只对少数 几种植物必需。 高等植物所必需的营养元素一般有16个：
C、O、H、 N、K、 P、 S、 Ca、Mg、Fe 、B、Mn、Cu、 Zn、Mo、Cl
第十章
土壤养分循环
第一节 土壤养分循环
一、土壤养分－指植物所必需的，且主要 由土壤提供的营养元素就叫做土壤养分。
●有效养分－能够直接或经过转化被植物吸收利用的
土壤养分
● 速效养分－在作物生长季节内，能够直接、迅速为 植物吸收利用的土壤养分。 ●无效养分－不能被植物吸收利用的土壤养分。 ●土壤养分状况－是指土壤养分的含量、组成、形态 分布和有效性的高低。
⑥ C/N比适当
（2）氨化过程
氨化微生物 RCHNH2COOH + O2 RCH2COOH + NH3 + E 酶
条件： ① 真菌、细菌、放线菌等； ② 在通气良好； ④ 水分60~70%； ⑥C/N比适当。 ③对低温特别敏感； ⑤ pH值要求在4.8~5.2
2．硝化过程
氨、胺、酰胺 （1）亚硝化作用
二、植物必需的营养元素
1、必需元素( essential element )
植物正常生长发育所必需而不能用其它 元素代替的植物营养元素。 判断标准 （ 1939 年 , 美国学者阿隆 (Arnon) 和斯托德(Stout)）：
①必须是完成植物生活周期不可缺少的； ②缺少时呈现专一的缺素症状； ③必须对植物起直接的营养作用。
– 生物圈 2.8*105
一 般 把 土 壤 含 氮 量 > 0.2% 者 为 “ 高 ” ； 0.2%~0.1% 之间者为“中”； 0.1%~0.05% 者为 “低”， < 0.05%者为“极低”。一般把作物在 不施氮区的全年生长期所吸收的氮量为土壤供氮 能力的良好指标。
2．土壤氮的来源
土壤中的氮素并非来源于土壤矿物质。是生物固氮作用产生 的。