土壤学第十章土壤元素的生物地球化学循环资料
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第十章土壤元素的生物地球化学循环PPT课件
光合作用是土壤碳循环中重要的碳同化途径。光 合作用产生的有机物质主要是碳水化合物，它是土壤 有机碳的最初来源。
光合作用强度直接受植物生物学特性和气候条件 的影响。
三、土壤呼吸作用
土壤呼吸作用是指土壤产生并向大气释 放二氧化碳的过程，主要由土壤微生物(异养 呼吸)和根系(自养呼吸)产生。除植被冠层光 合作用，土壤呼吸作用是陆地生态系统碳收 支中最大的通量。
研究土壤呼吸作用引起的土壤CO2通量变化必须特别注意 土壤表层附近的不稳定碳库的变化。人为扰动或全球变暖引起 的土壤CO2通量释放的增加主要源于具有最短更新时间的不稳 定碳库。如温带森林土壤的CO2年生产量中有83%是仅为15cm 的表层土壤提供的。
四、土壤碳的固定
土壤碳的固定：光合作用固定的碳大于呼吸 作用消耗的碳。
➢土壤碳库估计中不确定性还与土壤实测调查数据 不充分有关。
➢控制土壤碳储量的主导因子多，包括气候（温度 和水汽）、植物类型、母岩（黏土含量和土壤排水 层）等，而温度、水汽和颗粒大小在土壤剖面的不 同深度变化极大。
图 中国土壤有机碳密度（0-100cm）分布
二、土壤光合作用
光合作用（Photosynthesis）是绿色植物吸收 光能 ，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为 有机物，并释放出氧气的过程。
木质素、树脂和某些芳香族化合 几个月到几年 物
纤维、脂肪
几天到几个月
氨基酸、简单糖类和低分子脂肪 几小时到几天 酸等
➢不同土壤层中有机碳的的平均停留期受土壤有机质的 性质和数量、腐殖质的特性以及环境条件等影响，一 般为100~3000年。
➢地质大循环的土壤碳周转时间可达几百万年甚至几亿 年，远远长于大气碳库和陆地植被碳库，可见土壤碳 库在生物地球化学循环中周转速度最慢。
光合作用强度直接受植物生物学特性和气候条件 的影响。
三、土壤呼吸作用
土壤呼吸作用是指土壤产生并向大气释 放二氧化碳的过程，主要由土壤微生物(异养 呼吸)和根系(自养呼吸)产生。除植被冠层光 合作用，土壤呼吸作用是陆地生态系统碳收 支中最大的通量。
研究土壤呼吸作用引起的土壤CO2通量变化必须特别注意 土壤表层附近的不稳定碳库的变化。人为扰动或全球变暖引起 的土壤CO2通量释放的增加主要源于具有最短更新时间的不稳 定碳库。如温带森林土壤的CO2年生产量中有83%是仅为15cm 的表层土壤提供的。
四、土壤碳的固定
土壤碳的固定：光合作用固定的碳大于呼吸 作用消耗的碳。
➢土壤碳库估计中不确定性还与土壤实测调查数据 不充分有关。
➢控制土壤碳储量的主导因子多，包括气候（温度 和水汽）、植物类型、母岩（黏土含量和土壤排水 层）等，而温度、水汽和颗粒大小在土壤剖面的不 同深度变化极大。
图 中国土壤有机碳密度（0-100cm）分布
二、土壤光合作用
光合作用（Photosynthesis）是绿色植物吸收 光能 ，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为 有机物，并释放出氧气的过程。
木质素、树脂和某些芳香族化合 几个月到几年 物
纤维、脂肪
几天到几个月
氨基酸、简单糖类和低分子脂肪 几小时到几天 酸等
➢不同土壤层中有机碳的的平均停留期受土壤有机质的 性质和数量、腐殖质的特性以及环境条件等影响，一 般为100~3000年。
➢地质大循环的土壤碳周转时间可达几百万年甚至几亿 年，远远长于大气碳库和陆地植被碳库，可见土壤碳 库在生物地球化学循环中周转速度最慢。
第十章 土壤养分循环
1）具反硝化能力的细菌，反硝化细菌现已知有33个属，多数 是异养型，也有几种是化学自养型，但在多数农田都不重要； 2）合适的电子供体，如有机C化合物、还原性硫化合物或分 子态氢；有效态碳的影响最大;
3）厌氧条件，与田间持水量大小密切相关；
嫌气状态 O2 < 5%或土壤溶液中 [O2] < 4 10-6M Eh < 344mv (pH = 5时)
从上到下，磷的含量逐渐降低。原因 ① 磷的迁移率很低； ② 植物根系的富积； ③ 有机胶体或无机胶体对磷酸根的吸附作用，
上层较强。 ④ 耕作制度和施肥的影响；
三）土壤中磷的存在形态 土壤磷素可分为两大类：有机态磷和机
态磷。 有机态磷的含量占全磷的10~20%左
右。
1．有机磷化合物 主要是植素（肌醇六磷酸）或植酸
大量元素：植物对这种元素的需要量超过1%。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
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。
好气性固氮能力强，在热带林地，可达10~30斤/亩
对于农田来说，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；
（4）施肥；① 有机肥；② 无机化肥；它们是土壤 氮肥的主要来源。
一 影响土壤氮素含量的因素
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
3）厌氧条件，与田间持水量大小密切相关；
嫌气状态 O2 < 5%或土壤溶液中 [O2] < 4 10-6M Eh < 344mv (pH = 5时)
从上到下，磷的含量逐渐降低。原因 ① 磷的迁移率很低； ② 植物根系的富积； ③ 有机胶体或无机胶体对磷酸根的吸附作用，
上层较强。 ④ 耕作制度和施肥的影响；
三）土壤中磷的存在形态 土壤磷素可分为两大类：有机态磷和机
态磷。 有机态磷的含量占全磷的10~20%左
右。
1．有机磷化合物 主要是植素（肌醇六磷酸）或植酸
大量元素：植物对这种元素的需要量超过1%。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
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。
好气性固氮能力强，在热带林地，可达10~30斤/亩
对于农田来说，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；
（4）施肥；① 有机肥；② 无机化肥；它们是土壤 氮肥的主要来源。
一 影响土壤氮素含量的因素
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
土壤磷循环
土壤溶液中磷浓度因植物的吸收而降低，从而失去了原有 的平衡，使反应向解吸方向进行；
2）竞争吸附
所有能进行阴离子吸附的阴离子，在理论上都可与磷酸根 有竞争吸附作用，从而导致吸附态磷的不同程度的解吸。
竞争吸附的强弱主要取决于磷与竞争阴离子的相对浓度。
四、土壤磷的沉淀和溶解
• 土壤中磷化合物的沉淀作用也是磷在土壤中被固定
对磷的调控可通过提高土壤磷有效性来实现。
（二）提高土壤磷有效性的途径
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。
2、土壤有机质 ① 有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位，从而减 少了土壤对磷的吸附。
② 有机物分解产生的有机酸和其它螯合剂的作用，将部分固 定态磷释放为可溶态。 ③ 腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成保护膜，减少对 磷酸根的吸附。 ④ 有机质分解产生的CO2，溶于水形成H2CO3，增加钙、镁、 磷酸盐的溶解度。
• 土壤中的磷可随地表径流流失，也可被淋 溶流失。 • 磷流失造成水体污染。
对磷的调控可通过提高土壤磷有效性来实现。
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。 2、土壤有机质 ① 有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位，从而减 少了土壤对磷的吸附。 ② 有机物分解产生的有机酸和其它螯合剂的作用，将部分固 定态磷释放为可溶态。
合理施用磷肥是减少磷对环境影响的主要措施。科学制定 施肥用量；重点施在旱作上；等。
3、土壤淹水
① 酸生土壤pH上升促使铁、铝形成氢氧化物沉淀，减少了 它们对磷的固定；碱性土壤pH有所下降，能增加磷酸钙的溶解 度；反之，若淹水土壤落干，则导致土壤磷的有效性下降。 ② 土壤氧化还原电位(Eh)下降，高价铁还原成低价铁，磷 酸低铁的溶解度较高，增加了磷的有效度。
生物地球化学循环知识点总结
生物地球化学循环知识点总结生物地球化学循环是指地球上生物体内元素的循环过程，包括碳循环、氮循环、磷循环等。
这些元素在生态系统中的循环起着至关重要的作用。
本文将对生物地球化学循环的相关知识点进行总结。
一、碳循环1. 植物吸收二氧化碳：植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，将其转化为有机物并释放氧气。
2. 呼吸作用：植物和动物进行呼吸作用，将有机物氧化成二氧化碳，释放能量。
3. 死亡和分解：生物死亡后，其体内的有机物经过分解作用释放出二氧化碳。
4. 化石燃料燃烧：煤、石油等化石燃料的燃烧会释放大量二氧化碳，导致大气中二氧化碳浓度上升。
5. 海洋吸收二氧化碳：海洋中的浮游植物吸收二氧化碳，海洋也是碳库之一。
6. 碳储存：植物通过光合作用将碳储存在地下或水体中，形成碳储库。
二、氮循环1. 氮固定：部分细菌能够将空气中的氮气转化为植物可利用的形式，即氨或硝酸盐。
2. 植物吸收氮：植物通过根系吸收土壤中的含氮化合物，作为生长的营养源。
3. 食物链传递：植物被动物摄食后，氮元素通过食物链传递到更高级别的消费者体内。
4. 生物死亡和分解：生物死亡后，分解细菌将蛋白质分解为氨，返回到环境中。
5. 脱氮作用：一些细菌能够将硝酸盐还原为氮气，从而释放到大气中。
6. 氮沉积：氮通过大气和降水进入土壤、水体中，形成氮的沉积物。
三、磷循环1. 磷吸收：植物通过根系吸收土壤中的磷酸盐，作为生长的重要营养源。
2. 食物链传递：磷元素经由食物链传递到更高级别的消费者体内。
3. 生物死亡和分解：生物死亡后，分解细菌将有机磷化合物分解成磷酸盐，并返回到环境中。
4. 沉积和矿化：部分磷酸盐会在水体中沉积形成矿物质，经过矿化作用再次释放出可利用的磷酸盐。
5. 土壤侵蚀：土壤侵蚀会导致磷酸盐从陆地流入水体，造成水体富营养化。
四、其他地球化学循环除了碳循环、氮循环和磷循环以外，地球上还存在着其他重要的地球化学循环。
1. 水循环：地球上的水在大气、陆地和海洋之间进行循环，包括蒸发、降水、地表径流等。
(土壤学教学课件)第十章-土壤元素的生物地球化学循环
态氮（-NH2）通过微生物和植物吸收同化， 成为生物有机质的组成部分，称为无机氮的 生物固定。
22
土壤中氮素的损失
1. 硝酸盐的淋失 2. 反硝化脱氮 嫌气条件下，硝酸盐在反硝化微生物作用下被
还原成为氮气和氮氧化物的过程。
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
23
3. 化学脱氮 ➢指土壤中的含氮化合物通过纯化学反应生成
(土壤学教学课件）第十章-土壤元素 的生物地球化学循环
土壤养分的基本概念
土壤养分－由土壤提供的植物生长发育所必须的营养 元素。
植物体中含有90余种元素，生长发育必需元素17种：
植物“必需”营养元素的标准：
如果缺少这种元素，植物就不能生长或不能完 成生命周期。
这种元素不能被其他元素所代替，它具有营养 的作用。
11
土壤氮素含量
• 我国土壤全氮含量差异较大，南北略高，中 部略低。
• 耕地土壤全氮含量一般在1 g kg-1以下。
12
土壤中氮素的形态
（一）无机态氮
✓无机态氮在土壤中含量很少，表土中一般只占全 氮含量的1～2%，表土层以下的土层含量更少。
✓土壤中无机态氮的形态主要为：铵态氮(NH4-N) （ammonium nitrogen）和硝态氮(NO3-N)（nitrate nitrogen）。
气态氮而损失的过程。
➢双分解作用。铵态氮和亚硝态氮生成亚硝酸 铵产生双分解作用脱氮。
➢亚硝酸分解。生成一氧化氮。 ➢氨挥发。与土壤的酸碱性密切相关。土壤碱
性越强，质地越轻，氨的挥发也越严重。
24
25
土壤氮素调节
➢土壤氮素的矿化作用和硝化作用是有机氮的 有效化过程。
➢反硝化作用和化学脱氮是有效氮的损失过程。
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土壤中氮素的损失
1. 硝酸盐的淋失 2. 反硝化脱氮 嫌气条件下，硝酸盐在反硝化微生物作用下被
还原成为氮气和氮氧化物的过程。
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
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3. 化学脱氮 ➢指土壤中的含氮化合物通过纯化学反应生成
(土壤学教学课件）第十章-土壤元素 的生物地球化学循环
土壤养分的基本概念
土壤养分－由土壤提供的植物生长发育所必须的营养 元素。
植物体中含有90余种元素，生长发育必需元素17种：
植物“必需”营养元素的标准：
如果缺少这种元素，植物就不能生长或不能完 成生命周期。
这种元素不能被其他元素所代替，它具有营养 的作用。
11
土壤氮素含量
• 我国土壤全氮含量差异较大，南北略高，中 部略低。
• 耕地土壤全氮含量一般在1 g kg-1以下。
12
土壤中氮素的形态
（一）无机态氮
✓无机态氮在土壤中含量很少，表土中一般只占全 氮含量的1～2%，表土层以下的土层含量更少。
✓土壤中无机态氮的形态主要为：铵态氮(NH4-N) （ammonium nitrogen）和硝态氮(NO3-N)（nitrate nitrogen）。
气态氮而损失的过程。
➢双分解作用。铵态氮和亚硝态氮生成亚硝酸 铵产生双分解作用脱氮。
➢亚硝酸分解。生成一氧化氮。 ➢氨挥发。与土壤的酸碱性密切相关。土壤碱
性越强，质地越轻，氨的挥发也越严重。
24
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土壤氮素调节
➢土壤氮素的矿化作用和硝化作用是有机氮的 有效化过程。
➢反硝化作用和化学脱氮是有效氮的损失过程。
第十章土壤养分循环ppt课件
2．化学脱氮过程
主要是指在一些特殊的情况下，如强酸反应，温度较 高和水分含量很低等，亚硝酸协与一些其他化合物（包 括有机化合物）进行化学反应而生成分子态氮或氧化亚 氮的过程
（1）亚硝酸分解反应 3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O
条件：酸性愈强，分解愈快。 （2）氨态氮的挥发 在碱性条件下， NH4+ + OH- NH3 + H2O 土壤中的铵态氮在碱性条件下，很容易以NH3的形式直接 从土壤表面损失掉。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
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。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
主要内容 (重点)：
1.土壤氮素循环 （重点） 2.土壤磷和硫的循环 （重点） 3.土壤中的钾钙镁 4.土壤中的微量元素循环
教学目标与要求：
从养分的来源、含量、形态和转化过程来掌握 各种土壤养分。重点掌握土壤氮、磷的转化过 程，尤其是无效化过程；了解土壤钾、钙、镁 的状况以及微量元素的重要性。
（一） C/N比影响
二 土壤氮素的存在形态
1．有机成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
主要是指在一些特殊的情况下，如强酸反应，温度较 高和水分含量很低等，亚硝酸协与一些其他化合物（包 括有机化合物）进行化学反应而生成分子态氮或氧化亚 氮的过程
（1）亚硝酸分解反应 3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O
条件：酸性愈强，分解愈快。 （2）氨态氮的挥发 在碱性条件下， NH4+ + OH- NH3 + H2O 土壤中的铵态氮在碱性条件下，很容易以NH3的形式直接 从土壤表面损失掉。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
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。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
主要内容 (重点)：
1.土壤氮素循环 （重点） 2.土壤磷和硫的循环 （重点） 3.土壤中的钾钙镁 4.土壤中的微量元素循环
教学目标与要求：
从养分的来源、含量、形态和转化过程来掌握 各种土壤养分。重点掌握土壤氮、磷的转化过 程，尤其是无效化过程；了解土壤钾、钙、镁 的状况以及微量元素的重要性。
（一） C/N比影响
二 土壤氮素的存在形态
1．有机成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
第十章土壤元素的生物地球化学循环(2011-4-10)
（三）土壤碳循环对环境的影响
泥炭土、沼泽土和水稻土中逸出的CH4是大气中CH4 的主要来源之一。大气中CH4和CO2量的增加会通过 温室效应而使气候变暖。
（四）当前土壤碳循环研究存在的问题
1、对土壤有机碳动态变化的了解较少； 2、区域尺度上的土壤循环研究； 3、土壤碳库估计中不确定问题； 4、控制土壤碳储量的主导因子。
引起CO2浓度升高的主要原因是土地利用的改变 和燃烧化石燃料。
控制气候交换的因素有温度、湿度、Eh和基质的 有效性。
（二）土壤碳循环与大气中CH4浓度
CH4的代谢比CO2复杂，土壤中既产生CH4， 又消耗 CH4。全球每年进入大气的CH4排放量约0.41PgC。湿地土 壤的CH4每年排放量约0.131PgC，占总排放量的32%，其中 自然湿地和水田分别为86TgC和45TgC（1Tg=0.001Pg)。
2NH4+ + 3O2
2NO2- + 2H2O + 4H+ + 660kJ
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。
2）硝化作用
1、在充分通气条件下（氨化作用）
RCHNH2COOH+O2
2、在嫌气条件下
RCH2COOH + NH3 + 能量
RCHNH2COOH+2H RCHNH2COOH+2H
RCH2COOH + NH3 + 能量 RCH2 + CO2 + NH3 + 能量
土壤元素的生物地球化学循环
条件：硝化细菌（以 Nitrobacter为主）其它 同上
六、土壤无 机氮的生物 固定
矿化作用生成的铵态氮、硝态氮和某些简 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，称为土 壤无机氮的生物固定（immobilization， 又称生物固持）。
七、土壤铵离子的矿物固定
土壤中另一个无机氮固氮反 应称为铵离子的，称为土壤 无机氮的矿物固定 （ammonium fixation）。 无机态氮中，粘土矿物固定 态的铵约占土壤全氮量的百 分之几至十几。
九、土壤硝酸盐淋失
酸盐带负电荷，是最易被淋洗的氮形式，随渗漏水的增加， 硝酸盐的淋失增加。在自然条件下，硝态氮的淋失取决于
土壤、气候、施肥和栽培管理等条件。
十、土壤反硝化 损失
土壤中反硝化作用的强弱， 主要取决于土壤通气状况、 pH值、温度和有机质含 量，其中尤以通气性的影 响最为明显。
八、土壤氨的挥发（ammonia volatilization）
H4+在土壤中可形成分子态氨(NH3)。在碱性条件下， NH4+ + OH- NH3 + H2O 在石灰性土壤中氨的挥发比非石灰性土壤更为严重。表施铵态氮和尿 素等化学氮肥时，氨挥发损失可高达施氮量的30%以上。氨挥发与土 壤性质和施用化肥种类有关，改化学氮肥表施为深施、粉施为粒施可 减少氨挥发损失。
01
自生固氮
02
共生固氮
03
联合固氮
自生固氮微生物在土壤或培养基中生 活时，可以自行固定空气中的分子态 氮，对植物没有依存关系。常见的自 生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代 表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代 表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥 藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形 胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶， 可以进行生物固氮）。
六、土壤无 机氮的生物 固定
矿化作用生成的铵态氮、硝态氮和某些简 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，称为土 壤无机氮的生物固定（immobilization， 又称生物固持）。
七、土壤铵离子的矿物固定
土壤中另一个无机氮固氮反 应称为铵离子的，称为土壤 无机氮的矿物固定 （ammonium fixation）。 无机态氮中，粘土矿物固定 态的铵约占土壤全氮量的百 分之几至十几。
九、土壤硝酸盐淋失
酸盐带负电荷，是最易被淋洗的氮形式，随渗漏水的增加， 硝酸盐的淋失增加。在自然条件下，硝态氮的淋失取决于
土壤、气候、施肥和栽培管理等条件。
十、土壤反硝化 损失
土壤中反硝化作用的强弱， 主要取决于土壤通气状况、 pH值、温度和有机质含 量，其中尤以通气性的影 响最为明显。
八、土壤氨的挥发（ammonia volatilization）
H4+在土壤中可形成分子态氨(NH3)。在碱性条件下， NH4+ + OH- NH3 + H2O 在石灰性土壤中氨的挥发比非石灰性土壤更为严重。表施铵态氮和尿 素等化学氮肥时，氨挥发损失可高达施氮量的30%以上。氨挥发与土 壤性质和施用化肥种类有关，改化学氮肥表施为深施、粉施为粒施可 减少氨挥发损失。
01
自生固氮
02
共生固氮
03
联合固氮
自生固氮微生物在土壤或培养基中生 活时，可以自行固定空气中的分子态 氮，对植物没有依存关系。常见的自 生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代 表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代 表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥 藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形 胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶， 可以进行生物固氮）。
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学习目标
掌握有关“土壤碳的生物地球化学循环”、 “土壤氮的生物地球化学循环”、“土壤磷的 生物地球化学循环”、“土壤硫的生物地球化 学循环”、“土壤钾的生物地球化学循环”、 “土壤微量元素的生物地球化学循环”的重要 概念和基本原理；了解土壤磷的控制机制和影 响土壤钾固定的因素。
4
§10 土壤元素的生物地球化学循环
7:03 AM
23
§10 土壤元素的生物地球化学循环 四、土壤有机氮的矿化
矿化过程主要分两个阶段：
第一阶段，先把复杂的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过
微生物酶的系列作用，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称为氨基化阶段(氨基化作
用) ：蛋白质→RCHNH2COOH(或RNH2)+C02+中间产物+能量 第二阶段，在微生物作用下，把各种简单的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段
第十章 土壤元素的生物地球化 学循环
§10 土壤元素的生物地球化学循环
土壤元素的生物地球化学循环是 “土壤圈”物质循环的重要组成部分。
土壤中化学元素以能量传递为驱动力， 沿着土壤-生物-大气进行物质循环传递的过 程(主要过程界定为:土壤-植物-大气)称为
土壤元素的生物地球化学循环。
7:03 AM
2
7:03 AM
20
§10 土壤元素的生物地球化学循环
7:03 AM 21
§10 土壤元素的生物地球化学循环
(三)土壤氮的内循环
氮经由矿化过程和生物固定过程从无机态变为有机态，又从有机态变为无 机态，是土壤氮的内循环最主要的特征。
7:03 AM
22
§10 土壤元素的生物地球化学循环
二、大气氮的沉降
二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物
四、土壤微量元素的氧化与还原
固定
五、土壤微量元素的络合与离解
7:03 AM 三、土壤磷的吸附与解吸
六、土壤微量元素的调控与管理
5
§10 土壤元素的生物地球化学循环
§10-1 土壤碳的生物地球化学循环
一、土壤碳循环
7:03 AM
基本平衡
6
§10 土壤元素的生物地球化学循环
但是气候变暖，影响粮食安全的气象 灾害（干旱、洪涝、冻害等）和病虫 害也越来越频繁，针对气候变化和可 能带来的不利影响，研究农业灾害预 警及风险评估技术，建立现代防灾减
灾体系是当务之急。
粮食安全 就是能确保所有的人在任何时候既买得
到又买得起他们所需的基本食品，这个概 念包括：
1、确保生产足够数量的粮食； 2、最大限度地稳定粮食供应； 3、确保所有需要粮食的人都能获得粮食。
典型的再循环过程：
①植物从土壤中吸收营养元素； ②植物的残体归还土壤； ③土壤微生物分解植物残体，释放营养元素； ④营养元素再次被植物吸收。
土壤元素循环: 在生物参与下，营养元素从土 壤到植物，再从植物回到土壤的循环，是一个 复杂的生物地球化学过程。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
三、土壤有机硫的矿化
一、土壤氮循环
四、土壤无机硫的生物固定
二、大气氮的沉降
五、硫的氧化和还原
三、大气氮的生物固定
六、硫的吸附和解吸
四、土壤有机氮的矿化
七、土壤硫的调控和管理
五、土壤铵的硝化
§10-5 土壤钾的生物地球化学循环
六、土壤无机氮的生物固定
一、土壤钾的循环
七、土壤铵离子的矿物固定
二、土壤钾的固定
呼吸、燃烧、工业利用
海洋中C
光合作用
空气CO2 土
绿色植 物
壤
矿 化
有 机
动物 微生物
质
石油煤
(一)土壤碳库在生物地球化学 (三)土壤碳循环对环境的影响
循化中的周转
(四)当前土壤碳循环研究存在
(二)土壤碳循环对土壤氮、硫、 的问题
磷循环的影响
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二、土壤的光合作用
绿色植物吸收太阳光的能量，同化C02和H2O， 制造有机物质并释放氧的过程，称为光合作用，是 土壤碳循环中重要的碳同化途径。光合作用产生的 有机物质主要是碳水化合物，它是土壤有机碳的最 初来源：
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
三、土壤呼吸作用
在断断分从从压土大梯壤气度中向的向土作大壤用气 空下扩 气，散 扩驱， 散使。同C土时O2壤气使的体O这分2分种子子从不不 CO2
O2
大用气，中称吸为收土壤O2，呼同吸时。排出CO2的气体扩散作
(一)利用有机物质C/N比值与土壤有效氮的相互关系
土壤氮的纯矿化量与有机物质本身的碳氮比(C/N)有关(C为能源)。
氮的来源除由有机物质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态氮或硝态
7:03 AM
11
五、土壤碳酸盐转化与平衡过程
决定土壤中碳酸盐淋溶与淀积的关键：CO2— H20体系平衡(即C02／HCO3-／C032-)。
7:03 AM
12
§10 土壤元素的生物地球化学循环
六、土壤碳循环与全球气候变化
(一)土壤碳循环与大气CO2浓度 如果没有土壤呼吸(包括土壤生
物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)产 生C02补充大气，大气中的C02在15年 内将被耗尽。可见，土壤有机碳库对 大气碳库C02浓度的影响很大。
十、土壤反硝化损失
2NO3- → 2NO2- → 2NO → N2O → N2
十一、土壤中氮损失的环境效应
土壤氮损失对环境的影响： ①径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响； ②气态损失对大气的污染； ③硝酸盐累积对农产品(如蔬菜)的污染。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环 十二、土壤氮的调控
大气层发生的自然雷电现象，可使氮氧化成 NO2 及 NO 等氮氧化 物。
散发在空气中的气态氮(烟道排气、含氮有机质燃烧的废气、由铵 化物挥发出来的气体等)，通过降水的溶解，最后随雨水带入土壤的过
程，称为大气氮的沉降。全球由大气降水进入土壤的氮，每年每公顷
大约2～22kg。
三、大气氮的生物固定
固氮微生物可分为三大类：非共生(自生)、共生和联合固氮菌。其中 自生固氮菌类分为好气性细菌和嫌气性细菌，都需要有机质作为能源；共 生固氮菌类包括根瘤菌和一些放线菌、蓝藻等，以和豆科共生为主，固氮 能力比自生固氮菌大得多；联合固氮菌类是指某些固氮微生物与植物根系 有密切关系，有一定的专一性，均有较强的亲和性，能进行联合固氮。
§10-1 土壤碳的生物地球化学循环
一、土壤碳循环
四、土壤磷的沉淀与溶解
二、土壤光合作用
五、土壤磷的流失
三、土壤呼吸作用
六、土壤磷的调控
四、土壤碳的固定
§10-4 土壤硫的生物地球化学循环
五、土壤碳酸盐转化与平衡过程
一、土壤硫循环
六、土壤碳循环与全球气候变化
二、大气硫的沉降
§10-2 土壤氮的生物地球化学循环
的2％～5％。
2.有机态氮 土壤有机态氮一般占土壤全氮的92％～98％。 有机氮：胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸(即蛋白质)、
游离态氨基酸、氨基糖、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合 体(胺和木质素反应的产物、醌和氮化合物的聚合物、糖与胺的缩合产物等)。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
八、土壤氨的挥发
三、土壤钾的释放
九、土壤硝酸盐淋失
四、土壤钾的损失
十、土壤反硝化损失
五、土壤钾的控制与管理
十一、土壤中氮损失的环境效应
§10-6 土壤微量元素的生物地球化学循环
十二、土壤氮的调控
一、土壤微量元素的循环
§10-3 土壤磷的生物地球化学循环
二、土壤微量元素的吸附与解吸固定
一、土壤磷循环
三、土壤微量元素的沉淀与溶解
土壤碳循环意义：
满足光合作用的需要；调节气候
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气候变化与 粮食安全
研究结果表明，与目前常用的１９５１年至１９ ８０年中国种植制度气候区划结果相比，１９８ １年以来由于气候变暖，在陕西、山西、河北、 北京和辽宁，一年两熟种植北界明显向北移动； 在湖南、湖北、安徽、江苏和浙江一年三熟种植 北界向北空间位移明显。在不考虑品种变化、社 会经济等方面因素的前提下，各省的种植制度由 一年一熟改变为一年二熟，粮食单产平均可增加 ５４％至１０６％；由一年二熟变成一年三熟， 粮食单产平均可增加２７％至５８％。
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全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均土 壤有机碳储量为每平方公里15339吨，土壤平均碳 密度为48.8吨/公顷，低于美国的50.3吨/公顷、 欧盟的70.8吨/公顷。
国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小 环说，我国承诺到2020年，将在目前基础上碳强 度减排40%—45%。由于森林面积有限，耕地需承 担更大的减排任务。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
四、土壤碳的固定
土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最 大碳汇，也是温室气体的主要碳源。土壤的 巨大碳容量和天然固碳作用，能最有效地减 缓碳释放。
关键：植树造林，扩大绿色植物在地面 的覆盖率，促进光合作用和减少呼吸作用， 延长有机碳在土壤中的存留时间。
酶
或 RCHNH2COOH+H2O → RCHOHC00H+NH3+能量
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
五、土壤铵的硝化
有机氮矿化释放的氨在土壤中转化为NH4+，部分被带负电荷的土壤黏粒表面 和有机质表面功能基吸附，另一部分被植物直接吸收。最后，土壤中大部分铵 离子通过微生物的作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐：
掌握有关“土壤碳的生物地球化学循环”、 “土壤氮的生物地球化学循环”、“土壤磷的 生物地球化学循环”、“土壤硫的生物地球化 学循环”、“土壤钾的生物地球化学循环”、 “土壤微量元素的生物地球化学循环”的重要 概念和基本原理；了解土壤磷的控制机制和影 响土壤钾固定的因素。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
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§10 土壤元素的生物地球化学循环 四、土壤有机氮的矿化
矿化过程主要分两个阶段：
第一阶段，先把复杂的含氮化合物，如蛋白质、核酸、氨基糖及其多聚体等，经过
微生物酶的系列作用，逐级分解而形成简单的氨基化合物，称为氨基化阶段(氨基化作
用) ：蛋白质→RCHNH2COOH(或RNH2)+C02+中间产物+能量 第二阶段，在微生物作用下，把各种简单的氨基化合物分解成氨，称为氨化阶段
第十章 土壤元素的生物地球化 学循环
§10 土壤元素的生物地球化学循环
土壤元素的生物地球化学循环是 “土壤圈”物质循环的重要组成部分。
土壤中化学元素以能量传递为驱动力， 沿着土壤-生物-大气进行物质循环传递的过 程(主要过程界定为:土壤-植物-大气)称为
土壤元素的生物地球化学循环。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
(三)土壤氮的内循环
氮经由矿化过程和生物固定过程从无机态变为有机态，又从有机态变为无 机态，是土壤氮的内循环最主要的特征。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
二、大气氮的沉降
二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物
四、土壤微量元素的氧化与还原
固定
五、土壤微量元素的络合与离解
7:03 AM 三、土壤磷的吸附与解吸
六、土壤微量元素的调控与管理
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
§10-1 土壤碳的生物地球化学循环
一、土壤碳循环
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基本平衡
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
但是气候变暖，影响粮食安全的气象 灾害（干旱、洪涝、冻害等）和病虫 害也越来越频繁，针对气候变化和可 能带来的不利影响，研究农业灾害预 警及风险评估技术，建立现代防灾减
灾体系是当务之急。
粮食安全 就是能确保所有的人在任何时候既买得
到又买得起他们所需的基本食品，这个概 念包括：
1、确保生产足够数量的粮食； 2、最大限度地稳定粮食供应； 3、确保所有需要粮食的人都能获得粮食。
典型的再循环过程：
①植物从土壤中吸收营养元素； ②植物的残体归还土壤； ③土壤微生物分解植物残体，释放营养元素； ④营养元素再次被植物吸收。
土壤元素循环: 在生物参与下，营养元素从土 壤到植物，再从植物回到土壤的循环，是一个 复杂的生物地球化学过程。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
三、土壤有机硫的矿化
一、土壤氮循环
四、土壤无机硫的生物固定
二、大气氮的沉降
五、硫的氧化和还原
三、大气氮的生物固定
六、硫的吸附和解吸
四、土壤有机氮的矿化
七、土壤硫的调控和管理
五、土壤铵的硝化
§10-5 土壤钾的生物地球化学循环
六、土壤无机氮的生物固定
一、土壤钾的循环
七、土壤铵离子的矿物固定
二、土壤钾的固定
呼吸、燃烧、工业利用
海洋中C
光合作用
空气CO2 土
绿色植 物
壤
矿 化
有 机
动物 微生物
质
石油煤
(一)土壤碳库在生物地球化学 (三)土壤碳循环对环境的影响
循化中的周转
(四)当前土壤碳循环研究存在
(二)土壤碳循环对土壤氮、硫、 的问题
磷循环的影响
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二、土壤的光合作用
绿色植物吸收太阳光的能量，同化C02和H2O， 制造有机物质并释放氧的过程，称为光合作用，是 土壤碳循环中重要的碳同化途径。光合作用产生的 有机物质主要是碳水化合物，它是土壤有机碳的最 初来源：
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
三、土壤呼吸作用
在断断分从从压土大梯壤气度中向的向土作大壤用气 空下扩 气，散 扩驱， 散使。同C土时O2壤气使的体O这分2分种子子从不不 CO2
O2
大用气，中称吸为收土壤O2，呼同吸时。排出CO2的气体扩散作
(一)利用有机物质C/N比值与土壤有效氮的相互关系
土壤氮的纯矿化量与有机物质本身的碳氮比(C/N)有关(C为能源)。
氮的来源除由有机物质供应外，还可吸取利用土壤中的铵态氮或硝态
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五、土壤碳酸盐转化与平衡过程
决定土壤中碳酸盐淋溶与淀积的关键：CO2— H20体系平衡(即C02／HCO3-／C032-)。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
六、土壤碳循环与全球气候变化
(一)土壤碳循环与大气CO2浓度 如果没有土壤呼吸(包括土壤生
物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)产 生C02补充大气，大气中的C02在15年 内将被耗尽。可见，土壤有机碳库对 大气碳库C02浓度的影响很大。
十、土壤反硝化损失
2NO3- → 2NO2- → 2NO → N2O → N2
十一、土壤中氮损失的环境效应
土壤氮损失对环境的影响： ①径流和淋洗损失对地表水和地下水水质的影响； ②气态损失对大气的污染； ③硝酸盐累积对农产品(如蔬菜)的污染。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环 十二、土壤氮的调控
大气层发生的自然雷电现象，可使氮氧化成 NO2 及 NO 等氮氧化 物。
散发在空气中的气态氮(烟道排气、含氮有机质燃烧的废气、由铵 化物挥发出来的气体等)，通过降水的溶解，最后随雨水带入土壤的过
程，称为大气氮的沉降。全球由大气降水进入土壤的氮，每年每公顷
大约2～22kg。
三、大气氮的生物固定
固氮微生物可分为三大类：非共生(自生)、共生和联合固氮菌。其中 自生固氮菌类分为好气性细菌和嫌气性细菌，都需要有机质作为能源；共 生固氮菌类包括根瘤菌和一些放线菌、蓝藻等，以和豆科共生为主，固氮 能力比自生固氮菌大得多；联合固氮菌类是指某些固氮微生物与植物根系 有密切关系，有一定的专一性，均有较强的亲和性，能进行联合固氮。
§10-1 土壤碳的生物地球化学循环
一、土壤碳循环
四、土壤磷的沉淀与溶解
二、土壤光合作用
五、土壤磷的流失
三、土壤呼吸作用
六、土壤磷的调控
四、土壤碳的固定
§10-4 土壤硫的生物地球化学循环
五、土壤碳酸盐转化与平衡过程
一、土壤硫循环
六、土壤碳循环与全球气候变化
二、大气硫的沉降
§10-2 土壤氮的生物地球化学循环
的2％～5％。
2.有机态氮 土壤有机态氮一般占土壤全氮的92％～98％。 有机氮：胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸(即蛋白质)、
游离态氨基酸、氨基糖、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合 体(胺和木质素反应的产物、醌和氮化合物的聚合物、糖与胺的缩合产物等)。
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
八、土壤氨的挥发
三、土壤钾的释放
九、土壤硝酸盐淋失
四、土壤钾的损失
十、土壤反硝化损失
五、土壤钾的控制与管理
十一、土壤中氮损失的环境效应
§10-6 土壤微量元素的生物地球化学循环
十二、土壤氮的调控
一、土壤微量元素的循环
§10-3 土壤磷的生物地球化学循环
二、土壤微量元素的吸附与解吸固定
一、土壤磷循环
三、土壤微量元素的沉淀与溶解
土壤碳循环意义：
满足光合作用的需要；调节气候
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气候变化与 粮食安全
研究结果表明，与目前常用的１９５１年至１９ ８０年中国种植制度气候区划结果相比，１９８ １年以来由于气候变暖，在陕西、山西、河北、 北京和辽宁，一年两熟种植北界明显向北移动； 在湖南、湖北、安徽、江苏和浙江一年三熟种植 北界向北空间位移明显。在不考虑品种变化、社 会经济等方面因素的前提下，各省的种植制度由 一年一熟改变为一年二熟，粮食单产平均可增加 ５４％至１０６％；由一年二熟变成一年三熟， 粮食单产平均可增加２７％至５８％。
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全国多目标区域地球化学调查结果：我国平均土 壤有机碳储量为每平方公里15339吨，土壤平均碳 密度为48.8吨/公顷，低于美国的50.3吨/公顷、 欧盟的70.8吨/公顷。
国土资源部地质调查局教授级高级工程师奚小 环说，我国承诺到2020年，将在目前基础上碳强 度减排40%—45%。由于森林面积有限，耕地需承 担更大的减排任务。
7:03 AM
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
四、土壤碳的固定
土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最 大碳汇，也是温室气体的主要碳源。土壤的 巨大碳容量和天然固碳作用，能最有效地减 缓碳释放。
关键：植树造林，扩大绿色植物在地面 的覆盖率，促进光合作用和减少呼吸作用， 延长有机碳在土壤中的存留时间。
酶
或 RCHNH2COOH+H2O → RCHOHC00H+NH3+能量
7:03 AM
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§10 土壤元素的生物地球化学循环
五、土壤铵的硝化
有机氮矿化释放的氨在土壤中转化为NH4+，部分被带负电荷的土壤黏粒表面 和有机质表面功能基吸附，另一部分被植物直接吸收。最后，土壤中大部分铵 离子通过微生物的作用氧化成亚硝酸盐和硝酸盐：