土壤养分

第11章土壤养分第十章土壤养分土壤所含养分的来源、消耗和循环大量元素、微量元素的生理功能、存在形态及其对植物的有效性主要内容提要第一节概述土壤养分：指主要依靠土壤来供给的植物必需营养元素。土壤养分的有效性是决定植物生长和土壤生产力的主要因素之一，是土壤肥力的重要因子之一。如缺少该营养元素，植物就不能完成其生活史（必要性）该营养元素的功能不能由其它营养元素所能代替（不可替代性或专一性）该营养元素直接参与植物代谢作用。如为植物体的必需成分或参与酶促反应等。（直接性）1、判断必需元素的依据（ArnonandStout，1939提出三条标准）必需营养元素的种类(16+1)大量元素（0.1%以上）微量元素（0.1%以上）C、H、O天然营养元素N、P、K植物营养三要素或肥料三要素Ca、Mg、S中量元素Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl、（Ni）来源非矿质元素来自空气和水矿质元素来自土壤一、土壤养分的来源1、矿物质岩石矿物风化释放出来的养分，是土壤最初的养分来源。K如正长岩、流纹岩和花岗岩、云母片岩P玄武岩闪长岩花岗岩Ca石灰岩最多,其他如辉长岩、玄武岩、闪长岩等Mg橄榄岩最多，其次玄武岩、辉长岩等Fe玄武岩最多2、土壤有机质有机质分解释放出来的养分.N、P、S等营养元素绝大部分以有机态积累和贮藏在土壤中。生物固氮大气降水含有NO2、NO、SO2NH3Cl2及MgNaKCa施肥：人为地施入有机或无机肥。3、其他来源二、土壤养分的有效性土壤中不是所有的养分形态均能被植物吸收的，这决定于它们的存在形态，能被植物吸收的养分称为有效养分(availablenutrient)。土壤养分的分类（根据养分对植物的有效程度）速效养分缓效养分难效养分第二节土壤中的大量元素一、土壤中的氮1、氮的功用蛋白质的重要组分（蛋白质中平均含氮16%-18%）；核酸的成分（核酸中的氮约占植株全氮的10％）叶绿素的组分元素（叶绿体含蛋白质45～60％，是光合作用的场所）许多酶的组分（酶本身就是蛋白质）；多种维生素、植物激素、生物碱的成分田间水稻缺氮土壤表层的含氮量通常为0.02-0.5%。地球总氮量的98%存在于地球深处的岩浆岩中，远离我们所生活的土壤-植物-大气-水分环境。因此，我们将重点讨论生物圈中2%的氮素循环。土壤中的大部分氮素来源于生物固氮。2、氮素的来源和分布土壤中的氮素以两类形态存在:无机态氮和有机态氮,大部分的土壤氮以有机态存在。（1）无机态氮包括：铵态氮(NH4+):被胶体吸附着，易被植物吸收。植物直接吸收的两种主要氮素形态,称速效硝态氮(NO3-):存在于土壤溶液中，易流失。养分，只占全氮的1-2%亚硝态氮(NO2-)：亚硝态氮对植物生长有害,但一般土壤中含量极少,因很快转化为硝态氮，只有在极端厌氧条件下才会积累。氧化亚氮：反硝化过程的产物,氧化氮和氮气：一般存在于土壤空气中3、氮素的形态（2）有机态氮包括：有机态氮通常占土壤全氮量的95%以上。有机态含氮化合物以蛋白质，氨基酸和其它复杂的有机氮化合物形态存在。根据它们的可溶性和分解的难易程度可分为:可溶性有机氮水解行有机氮非水解性有机氮非共生固氮闪电固氮-降雨NO3-共生固氮豆科植物NH4+R-HN2氨化作用氨基化固定NH3挥发NH3矿质化NO3-NO2-硝化淋失反硝化N2N2ONONO2N2ONO,N2土壤有机质植物动物残体植物吸收NO3-/NH4+NO3-/NH4+2:1粘土矿物粘土矿物固定4、氮素循环（1）有机氮的矿化作用定义：指含氮的有机化合物在多种微生物的作用下降解为铵态氮的过程。（分成两个过程进行）Ⅰ、水解过程蛋白质多肽氨基酸、酰胺等条件①真菌、细菌、放线菌等；②在通气良好；③温度较高；④水分60~70%；⑤pH值适中；⑥C/N比适当水解水解朊酶朊酶图中所描述的氮素循环表明，土壤中氮素的循环过程有以下几个方面:Ⅱ、水解过程RCHNH2COOH+O2RCH2COOH+NH3+E条件：①真菌、细菌、放线菌等；②在通气良好；③对低温特别敏感；④水分60~70%；⑤pH值要求在4.8~5.2⑥C/N比适当。铵化微生物酶（2）硝化作用（nitrification）定义：硝化作用是指土壤中的铵或氨在微生物的作用下氧化为硝酸盐的过程（分两个过程进行）Ⅰ、亚硝化过程NH4＋＋O2NO2－＋4H＋条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物）通气：良好O25%pH5.5-10(7-9),4.5受抑制！水分：50~60%温度：35℃;＜2℃STOP!亚硝化细菌Ⅱ、硝化过程2NO2－＋O22NO3－硝化细菌条件：除了需要的微生物种类不一样，其它的同上一过程硝化作用的结果：利：为喜硝植物提供氮素弊：淋失、发生反硝化作用（3）反硝化作用（denitrification）定义：反硝化作用是指硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮（分子态氨和氮氧化物）的过程。两种类型：微生物反硝化和化学反硝化微生物反硝化（土壤中反硝化作用的重要形式）反应式：NO3－NO2－NON2ON2反应产物的影响因素：嫌气的程度、pH和温度。渍水条件：其产物几乎为氮气；嫌气条件不太强以及较低的pH和温度下，N2O的比例明显增加（4）铵的吸附（adsorption）与固定（fixation）铵的吸附是指土壤液相中的铵被土壤颗粒表面所吸附的过程铵的解吸是指土壤固相表面吸附的铵（土壤交换性铵）自土壤固相表面进入液相的过程粘土矿物对铵的固定（只有2：1型矿物）才固定铵原因：NH4+离子半径：0.148nm，2∶1型粘土矿物晶层表面六角形孔穴半径：0.140nm一旦NH4+陷入层间的孔穴后，转化为固定态铵暂时失去有效性在蛭石多的土壤中，固定态氮可占全氮的3～8%然而北方土壤：固铵的粘粒矿物较多，但其土壤中铵极少；南方土壤：水田的铵态氮较多，而能固定铵的粘土矿物少因此，铵的粘土矿物固定作用在我国的意义不大。（5）铵的挥发损失（volatilizaiton）定义：在中性或碱性条件下，土壤中的NH4＋转化为NH3而挥发的过程过程NH4＋NH3＋H＋OH-H+影响因素①pH值NH3挥发60.1%71.0%810.0%950.0%②土壤CaCO3含量：呈正相关③温度：呈正相关④施肥深度：挥发量表施深施⑤土壤水分含量⑥土壤中NH4＋的含量（6）硝酸还原作用NO3－NH4＋嫌气条件硝化还原酶（7）无机氮的生物固定定义：土壤中的铵态氮和硝态氮被微生物同化为其躯体的组成成分而被暂时固定的现象。过程：铵态氮硝态氮生物固定生物固定有机氮影响因素：影响条件土体的C/N比、温度、湿度、pH值（8）硝酸盐的的淋洗损失NO3－－N随水渗漏或流失，可达施入氮量的5～10％二、土壤中的磷1、磷素的功用磷是细胞核的成分之一，磷对细胞分裂和植物器官的分化，特别是开花结果起着重要作用。磷对提高植物的抗病性、抗性和抗旱能力有良好的作用。植物缺磷抑制体内细胞分裂，使生长缓慢，缺磷体内植物蛋白质合成减慢，有氨基酸积累，同时营养器官内含有大量糖类，有利于叶内合成花青素，使叶子呈紫色、深绿色，根系发育不良，植株表现矮化现象，结实率下降。自左至右，依次为油菜幼叶至老叶，缺磷油菜叶片从暗紫发展至紫红色。幼叶老叶油菜缺磷图为缺磷的油菜叶片，缺磷使体内碳水化合物代谢受阻，糖分积累，形成紫红色。土壤全磷含量低。通常不超过全氮含量的十分之一到四分之一。磷化合物在土壤中的难溶性导致它很难被植物吸收利用。土壤中的速效磷含量与全磷含量很少相关，所以土壤全磷量不能作为土壤磷素供应水平的确切指标。当有机或无机磷肥施用后，可溶性的磷很容易被固定变为不溶性的。一般每年只有10-20%的磷肥能被植物吸收利用。土壤缺磷三方面的原因2、磷素的形态无机态磷（占全磷的50-75%）（1）水溶态磷pH7.2以H2PO4-为主。pH7.2以HPO42-为主。pH=7.2时两者相等。（2）吸附态磷通过通过各种力被土壤固相表面吸附的磷酸根或磷酸阴离子。吸附和解吸处于动态平衡，当溶液中磷被移走（如植物吸收）时，吸附态磷就释放到溶液中，同样，溶液中磷增加，则有部分磷被吸附而呈吸附态磷。（3）矿物态磷无机磷几乎99%以上以矿物态存在。不同土壤中有不同的含磷矿物存在。石灰性土壤中主要是磷酸钙盐：氟磷灰石，氢氧磷灰石，碳酸磷灰石。酸性土壤中以磷酸铁和磷酸铝盐为主：有磷铝石和粉红磷铁矿。（4）闭蓄态磷酸性土壤中被水化氧化铁所包裹的磷化合物。有机态磷土壤中的有机磷一般占全磷的50%。表土中有机磷一般占全磷的20-80%。随着土层深度的增加，有机磷所占的比例减少而无机磷的比例逐渐增加。（1）肌醇磷酸盐这部分占全有机磷全量的10-50%。（2）核酸占有机磷全量的0.2-2.5%。（3）磷脂占有机磷全量的1-5%。3、磷素的循环磷循环主要在土壤-植物和微生物中进行，其过程为植物吸收土壤有效态磷，动植物残体磷返还土壤再循环；土壤有机磷矿化；土壤固结态磷的微生物转化；土壤粘粒和铁铝氧化物对无机磷的吸附解吸，溶解和沉淀。4、土壤磷的调节目的是要提高土壤磷的有效性（1）调节土壤酸度到中性范围因为此时磷的固定最少。（2）提高土壤有机质矿化释放磷减少磷的固定分解产生的有机酸可促进弱酸溶性磷的溶解（3）土壤淹水酸性土壤pH升高，而碱性土壤pH下降，即土壤pH趋于中性。土壤氧化还原电位下降，将高价磷酸铁还原成低价铁而提高磷酸铁的溶解度。闭蓄态磷的包模被还原溶解，内部的磷释放进入溶液。A、土壤矿物磷的吸附和解吸将受到矿物表面类型的影响。铁铝氧化物，它们的丰度以在高度风化的，酸性的土壤中最高，可吸附大量的磷。非晶质的氧化物由于表面积大，更容易吸附磷。1:1型粘土矿物如高岭石比2:1型粘土矿物如伊利石更容易吸附磷，因为它们含有更多的铁铝氧化物。石灰性土和钙饱和的粘土含有较低的可溶性磷，因为磷很容易被沉淀和吸附。和中性或碱性土相比，相同表面积的酸性土可固定两倍的磷，且被固定磷的结合强度比在中性或碱性土中高5倍。影响土壤中磷固定的因素B、土壤pH值在土壤pH极高或极低时，磷都很容易被固定。当pH值保持在6.0-7.0时磷被固定的可能性最小，土壤磷素对植物具有最大的有效性。C、土壤有机质通常有机质可阻止磷的固定。D、土壤中的阴离子和阳离子效应由于两价的阳离子比一价的阳离子吸附力大，因而对磷的吸附力也强。如上所述，由于无机和有机阴离子都可以和磷竞争吸附电位，从而导致对土壤溶液中磷的吸附作用降低。阴离子与矿物表面结合能力越强，被吸附的可能性就越大。磷肥施用量需要大于植物的需求量。注意磷肥的施用方式和深度。将施入的磷肥集中施于作物可利用的位置，如采用条施，以减少固定提高磷肥的利用率。将磷肥和氮肥同时施用，也可以提高磷肥的利用率。施用有机肥可提高原有土壤磷的有效性，施用含于有机肥中的磷素。对幼苗接种真菌菌株，可提高磷的利用率。磷肥的施用应注意的问题二、土壤中的钾1、钾素的功用加速CO2同化、碳水化合物合成调节细胞渗透压(细胞膜透性降低)酶活性增加抗性(抗病虫、抗旱、抗寒)－“抗逆元素”果品的品质(含糖量和Vc的含量)－“品质元素”缺素症状：从下部老叶开始玉米缺钾时，所形成的果穗尖端呈空粒，如能够形成籽粒也不充实，淀粉含量低。大多数土壤含钾较多，在0.5-2.5%之间。质地较粗的砂质或石英质土壤含钾量低于质地较细，含钾丰富的矿物风化形成的土壤。土壤溶液中的钾交换性钾非交换性钾矿物中的钾土壤溶液中的钾一般在4ppm左右，土壤饱和提取液中的钾在3到156ppm。在干旱或盐碱地中含钾量可能很高。是指存在于膨胀性层状硅酸盐矿物层间和颗粒边缘上的一部分钾。包括天然层状硅酸盐矿物如黑云母和伊利石中的钾和由交换性钾或水溶性钾转变为层间钾。这部分钾在一定条件下可以逐渐解释，供植物吸收利用。（占全钾的2-8%）静电作用带负电的土壤胶体可吸附钾离子（占全钾的1-2%）。包括白云母，金云母，正长石和微斜长石。钾长石是土壤中含钾最丰富的矿物，但矿物钾是被固定在晶格之间