第十章土壤元素的生物地球化学循环

第十章土壤元素的生物地球化学循环土壤中化学元素以能量为驱动力，沿土壤-生物-大气进行物质循环传递的过程称为土壤元素的生物地球化学循环。第一节土壤碳的生物地球化学循环一个碳原子的旅程据Garrels等（1975)计算：•在大气圈中停留4年；•在生物圈中停留11年；•在海洋上层水域停留385年；•在深海中停留10万年；•在地壳中停留3.42×108一、土壤碳循环图10-1土壤碳生物地球化学循环概图陆地生命体830×1012kg大气712×1012kg凋落物60×1012kg土壤2500×1012kg4×1012kg/年矿化作用55×1012kg/年矿化作用呼吸作用光合作用腐殖化作用56×1012kg/年110×1012kg/年55×1012kg/年56×1012kg/年陆地生命体830×1012kg大气712×1012kg凋落物60×1012kg土壤2500×1012kg4×1012kg/年矿化作用55×1012kg/年矿化作用呼吸作用光合作用腐殖化作用56×1012kg/年110×1012kg/年55×1012kg/年56×1012kg/年（一）土壤碳库在生物地球化学循环中的周转土壤碳库在生物地球化学循环中的周转速度与土壤有机质的平均停留期有着密切的关系。生物学稳定性数量组成停留期分解最慢组分最多最少胡敏酸、蜡和某些稳定的环状结构化合物几年到几千年分解较慢组分木质素、树脂和某些芳香族化合物几个月到几年不溶性物质组分纤维、脂肪几天到几个月易分解组分氨基酸、简单糖类和低分子脂肪酸等几小时到几天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。土壤在碳循环过程中充当“储存库（汇）”的功能，土壤有机碳分解和积累速率的变化直接影响到全球的碳平衡。土壤碳库储存对减缓大气CO2浓度上升具有重要意义。（二）土壤碳循环对土壤氮、硫、磷循环的影响土壤碳循环是土壤氮、硫、磷循环的驱动因子，只有在适宜于土壤有机碳积累的条件下，才会有有机氮、硫、磷含量的增多。土壤有机碳的矿化伴随着有机氮和碳键硫的矿化。（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。泥炭地、热带雨林的开垦，显著增加土壤中CO2的净逸出量，增加大气中CO2的浓度。大气中CH4和CO2量的增加会通过温室效应使气候变暖。（四）当前土壤碳循环研究存在的问题土壤碳循环仍然是陆地碳循环研究中最薄弱的环节，尤其是对土壤有机碳动态变化的了解更少，对全球土壤碳库的估计差异也很大。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。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。土壤呼吸由3个生物学过程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和1个非生物学过程（含碳物质的化学氧化作用）组成。土壤呼吸作用释放的CO2中30~50%来自根系的活动或自养呼吸作用，其余部分主要来源于土壤微生物对有机质和凋落物的分解作用，即异氧呼吸作用。土壤呼吸作用通常通过直接测定从土壤表面释放的CO2量来确定。测定方法有：静态气室法、密闭或敞开系统的动态气室法、CO2浓度梯度法和微气象法。影响土壤呼吸作用的直接因素是土壤环境，包括土壤质地、酸度、有机碳和水热条件等。气候条件决定植被类型的分布和生长，并影响土壤的水热条件；人类活动影响植物的生长和土壤环境，进而影响土壤呼吸。（黄看看等，2008）根据土壤呼吸速率的快慢，可将土壤有机碳区分为两个具有不同更新时间的碳库：其一，靠近土壤表层由新鲜残留物组成的“小”碳库。更新速度快，流通量大；其二，贯穿整个土壤深层剖面的由难分解的腐殖质复合物组成的“大”碳库。其更新十分缓慢。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、土壤碳的固定土壤固碳能力与土壤中稳定组分的含量密切相关，只有那些能够在土壤中保存很长时间的有机质，才具有固碳意义。研究土壤有机质的稳定性在土壤固碳的相关研究中非常重要。土壤有机质稳定性的研究包括：①土壤有机质周转速率的测定；②影响土壤有机质稳定性的因素；③土壤微生物。土壤碳的固定：光合作用固定的碳大于呼吸作用消耗的碳。提高土壤固碳能力和潜力，要从碳库和碳流两方面考虑：从碳库方面看，关键在于提高土壤的最大碳储量和碳累积速率；从碳流方面看，关键在于增加碳库输入速率，降低输出速率，延长碳在土壤中的保留时间。五、土壤碳酸盐转化与平衡过程土壤无机碳主要以碳酸盐的形式存在，且主要分布于半干旱地区的干旱土、始成土、淋溶土和新成土中。全球土壤碳酸盐碳库含量为780~930Pg。关于无机碳在土壤碳循环中转化与平衡过程的研究较少。已明确的土壤碳酸盐转化和平衡过程主要涉及成土过程中碳酸盐参与下的淋溶和淀积过程。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（二）土壤碳循环与大气CH4浓度（三）CH4和CO2对碳库环境的综合影响相同浓度下，甲烷是二氧化碳温室效应的21倍。第二节土壤氮的生物地球化学循环一、土壤氮循环（一）土壤中氮的形态1．无机态氮土壤中的无机氮的数量很少，表土中占全氮1~2%(1~50ppm)。最多不超过5~8%；（1）铵态氮(NH4)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。（2）硝态氮（NO3-N）易流失，不宜在水田施用。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。2．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、缩胺类3．游离态氮（N2）（二）陆地生态系统中的氮循环（三）土壤氮的内循环二、大气氮的沉降全球由大气降水进入土壤的氮，据估计每年每公顷2~22kg。三、大气氮的生物固定在自然界中，某些原核微生物在常温常压下通过固氮酶将空气中的氮素固定为氨，这一过程称为生物固氮，这类微生物称为固氮微生物。据估计，全球每年的生物固氮总量为2亿吨，约占全球作物需氮量的四分之三。自生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）。共生固氮共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。联合固氮有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。四、土壤有机氮的矿化含氮的有机合化物，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多肽氨基酸、酰胺等朊酶肽酶条件：①好气或嫌气；②真菌、细菌、放线菌等；③在通气良好；④温度较高；⑤水分60~70%；⑥pH值适中；⑦C/N比适当的条件下，矿化作用最强烈，最彻底。（2）氨化过程RCHNH2COOH+O2RCH2COOH+NH3+E酶条件：①好气或嫌气；②真菌、细菌、放线菌等；③在通气良好；④温度较高且特别敏感；⑤水分60~70%；⑥pH值要求在4.8~5.2⑦C/N比适当的条件下，矿化作用最强烈，最彻底。氨化微生物（1）亚硝化作用亚硝化微生物2HN4+3O22NO2-+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O25%pH5.5-10(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。五、土壤铵的硝化（2）硝化作用硝化微生物2NO2-+O22NO3-+40千卡以(Nitrobacter为主)条件：硝化细菌（以Nitrobacter为主）其它同上在通气良好的条件下，硝化作用的速率＞亚硝化作用＞铵化作用，因此，在正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态氮及氨的积累。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（ammoniumfixation）。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。不同土壤对NH4+的固定能力不同，与下列因子有关：1、土壤黏粒矿物类型2、土壤质地3、土壤中钾的状态4、铵的浓度5、水分条件6、土壤pH离子半径大小与晶格孔穴大小的关系：离子大小与孔径相近，离子易进入孔穴中，且稳定性较大，从而降低了有效性。如：孔穴半径为1.4Å，钾离子的半径为1.33Å，铵离子的半径为1.42Å，则有效性较低。八、土壤氨的挥发（ammoniavolatilization）NH4+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。九、土壤硝酸盐淋失硝酸盐带负电荷，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、土壤反硝化损失反硝化作用是硝态氮还原的一种途径，即NO3-在嫌气条件下，经反硝化细菌的作用，还原为气态氮(N2或N2O)的过程。当土壤中的氧气不足时，反硝化细菌就利用硝酸盐中的氧进行呼吸，使硝态氮还原。在还原过程中，每一步所释放的氧都能为微生物所利用。其生化过程如下：2NO3-→2NO2-→2NO→N2O→N2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。连二次硝酸反硝化作用的条件: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）