2012土壤学第十章土壤元素的生物地球化学循环.ppt

第十章土壤元素的生物地球化学循环上午10时48分2§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。上午10时48分3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。4§10土壤元素的生物地球化学循环学习目标掌握有关“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。上午10时48分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、土壤碳循环二、土壤光合作用三、土壤呼吸作用四、土壤碳的固定五、土壤碳酸盐转化与平衡过程六、土壤碳循环与全球气候变化§10-2土壤氮的生物地球化学循环一、土壤氮循环二、大气氮的沉降三、大气氮的生物固定四、土壤有机氮的矿化五、土壤铵的硝化六、土壤无机氮的生物固定七、土壤铵离子的矿物固定八、土壤氨的挥发九、土壤硝酸盐淋失十、土壤反硝化损失十一、土壤中氮损失的环境效应十二、土壤氮的调控§10-3土壤磷的生物地球化学循环一、土壤磷循环二、土壤有机磷的矿化和无机磷的生物固定三、土壤磷的吸附与解吸四、土壤磷的沉淀与溶解五、土壤磷的流失六、土壤磷的调控§10-4土壤硫的生物地球化学循环一、土壤硫循环二、大气硫的沉降三、土壤有机硫的矿化四、土壤无机硫的生物固定五、硫的氧化和还原六、硫的吸附和解吸七、土壤硫的调控和管理§10-5土壤钾的生物地球化学循环一、土壤钾的循环二、土壤钾的固定三、土壤钾的释放四、土壤钾的损失五、土壤钾的控制与管理§10-6土壤微量元素的生物地球化学循环一、土壤微量元素的循环二、土壤微量元素的吸附与解吸固定三、土壤微量元素的沉淀与溶解四、土壤微量元素的氧化与还原五、土壤微量元素的络合与离解六、土壤微量元素的调控与管理上午10时48分6§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、土壤碳循环基本平衡上午10时48分§10土壤元素的生物地球化学循环海洋中C空气CO2绿色植物光合作用石油煤呼吸、燃烧、工业利用土壤有机质动物微生物矿化(一)土壤碳库在生物地球化学循化中的周转(二)土壤碳循环对土壤氮、硫、磷循环的影响(三)土壤碳循环对环境的影响(四)当前土壤碳循环研究存在的问题上午10时48分8二、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上午10时48分9§10土壤元素的生物地球化学循环三、土壤呼吸作用在分压梯度的作用下，驱使CO2气体分子不断从土壤中向大气扩散，同时使O2分子不断从大气向土壤空气扩散。土壤的这种从大气中吸收O2，同时排出CO2的气体扩散作用，称为土壤呼吸。CO2O2上午10时48分10§10土壤元素的生物地球化学循环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。四、土壤碳的固定上午10时48分11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。上午10时48分12五、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-)。上午10时48分13§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。(二)土壤碳循环与大气中CH4浓度大气中每年有386×1012gC的CH4被氧化为C02；每年土壤净损失和大气净积累的CH4为23×1012g–28×1012gC。湿地中90％的CH4在回到大气之前被氧化成C02。(三)CH4和CO2对大气碳库环境的综合影响上午10时48分14§10土壤元素的生物地球化学循环土壤碳循环意义：满足光合作用的需要；调节气候气候变化与粮食安全研究结果表明，与目前常用的１９５１年至１９８０年中国种植制度气候区划结果相比，１９８１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％。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。上午10时48分18§10土壤元素的生物地球化学循环§10-2土壤氮的生物地球化学循环(一)土壤中氮的形态1.无机态氮铵(NH4+)、硝态氮(NO3-)、亚硝态氮(NO2-)、分子态氮(N2)、氧化亚氮(N20)和一氧化氮(N0)。就土壤肥力而言，主要以NH4+和N03-两种形态的氮最为重要，占土壤全氮的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)。一、土壤氮循环上午10时48分20§10土壤元素的生物地球化学循环(二)陆地生态系统中的氮循环陆地生态系统中的氮循环：氮以不同形态存在于大气圈、岩石圈、生物圈和水圈，并在各圈层之间相互转换。陆地生态系统氮素循环由两个重叠循环构成：一是大气层的气态氮循环，氮的最大储存库是大气，整个氮循环的通道多与大气直接相连，几乎所有的气态氮对大多数高等植物无效，只有若干种微生物及少数与这些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；另一个是土壤氮的内循环，即在土壤植物系统中,氮在生物体、微生物体、土壤有机质和土壤矿物中的转化和迁移，包括有机氮的矿化和无机氮的生物固定(持)作用、黏土对铵的固定和释放作用、硝化和反硝化作用、腐殖质形成和腐殖质稳定化作用。上午10时48分21§10土壤元素的生物地球化学循环上午10时48分22§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。上午10时48分23§10土壤元素的生物地球化学循环二、大气氮的沉降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。上午10时48分24§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(氨化作用)：1.在充分通气条件下RCHNH2C00H+02→RC00H+NH3+CO2能量2.在嫌气条件下RCHNH2C00H+2H→RCH2C00H+NH3+能量或RCHNH2C00H+2H→RCH3+NH3+CO2+能量3.水解作用酶RCHNH2COOH+H20→RCH20H+NH3+C02+能量酶或RCHNH2COOH+H2O→RCHOHC00H+NH3+能量上午10时48分25§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：六、土壤无机氮的生物固定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(一NH2)，通过微生物和植物的吸收同化，成为生物有机体组成部分(与土壤有机氮的矿化是土壤中两个不断同时进行但方向相反的过程)。上午10时48分26§10土壤元素的生物地球化学循环七、土壤铵离子的矿物固定不同土壤对NH4+的固定能力不同：1.土壤黏粒矿物类型(2:1型)---蛭石对NH4+的固定能力最强，其次是水云母，蒙脱石较小；(1:1型)---高岭石黏粒矿物，基本上不固定铵。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八、土壤氨的挥发氨挥发易发生在石灰性土壤上。若土壤pH接近或低于6时，NH3被质子化，几乎全部以NH4+形式存在；在pH=7时，NH3约占6％；pH为9.2～9.3时，NH3和NH4+约各占一半。氨的挥发还与土壤性质、施用化肥种类和纯化学反应等因素有关。上午10时48分27§10土壤元素的生物地球化学循环九、土壤硝酸盐淋失十、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。硝酸盐带负电荷，又极易溶于水，是最易被淋洗的氮形式，随着渗漏水的增加，硝酸盐的淋失增大。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。上午10时48分28§10土壤元素的生物地球化学循环十二、土壤氮的调控(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氮，以补其不足。有机物质C/N比值大于30:1，则其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供氮的效果，反而有可能是植物的缺氮现象更为严重(微生物争氮同化)；有机物质C/N比值小于15:1时，在其矿化作用一开始，它所提供的有机氮量就会超过微生物同化量，使植物有可能从有机物质矿化过程中获得有效氮的供应。了解这一规律，对于采用施肥措