土壤氮碳循環(huán)與農(nóng)業(yè)環(huán)境

關(guān)于土壤氮碳循環(huán)與農(nóng)業(yè)環(huán)境第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月土壤碳氮循環(huán)與農(nóng)業(yè)和環(huán)境的

基礎(chǔ)科學問題Ⅰ土壤碳氮循環(huán)Ⅱ土壤碳氮與農(nóng)業(yè)Ⅲ土壤碳氮與環(huán)境Ⅳ土壤碳氮與農(nóng)業(yè)和環(huán)境的熱點研究課題第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅰ土壤碳氮循環(huán)Ⅰ-1土壤—植物—大氣系統(tǒng)中的碳氮循環(huán)固定礦化分解淋洗水循環(huán)碳循環(huán)氮循環(huán)土壤光合作用呼吸作用生物碳分解腐殖質(zhì)形成關(guān)鍵過程降水蒸發(fā)入滲徑流大氣第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月土壤碳氮循環(huán)

.土壤腐殖質(zhì)的分離(P46)

.土壤有機質(zhì)在肥力上的作用(P50)第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅰ土壤碳氮循環(huán)Ⅰ-2土壤碳氮循環(huán)過程微生物（原動力、推進器和轉(zhuǎn)換器）土壤碳庫（穩(wěn)定性）物理化學環(huán)境因子(P40)礦質(zhì)化腐殖質(zhì)過程第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅰ-3土壤氮素循環(huán)有機氮礦化NH4+微生物吸收或同化成腐殖質(zhì)植物吸收轉(zhuǎn)移NH4,NO3工、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品(NH4+,NO2,有機N)化肥（NH4+,NO3-,尿素）降雨（NH4,NO3)生物轉(zhuǎn)化NO3-N氨揮發(fā)NH4+—NH3礦物固銨NH4+硝態(tài)氮淋洗NO3-生物氧化NH4+—NO3-作物殘留生物固氮侵蝕，徑流地表水礦質(zhì)化腐殖化釋放固定硝化作用反硝化第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ土壤碳氮與農(nóng)業(yè)Ⅱ-1現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必須在持續(xù)農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護和經(jīng)濟效益種種矛盾中作出選擇生產(chǎn)—生活—生態(tài)（三生農(nóng)業(yè)）高產(chǎn)—高效—高質(zhì)（三高農(nóng)業(yè)）WTO—全球經(jīng)濟一體化成功的調(diào)控土壤C、N及氮素肥料是提高作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)的主要手段

194919982030總產(chǎn)1.13億噸5.12億噸6.4億噸單產(chǎn)1.0t/ha4.5t/ha5.6t/ha第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ-2氮素轉(zhuǎn)化、去向及利用土壤是作物生產(chǎn)的氮素供應庫.不同土壤、作物氮素生產(chǎn)效率與土壤供氮效率是變量土壤生產(chǎn)效率=單位面積作物產(chǎn)量單位面積作物N收獲量產(chǎn)量kg/Nkg氮素生理生產(chǎn)效率=施氮區(qū)產(chǎn)量—無氮區(qū)產(chǎn)量施氮區(qū)N收獲量—無氮區(qū)收獲量產(chǎn)量kg/Nkg氮素利用效率=施氮區(qū)N收獲量—無氮區(qū)N收獲量單位面積施氮量產(chǎn)量kg/Nkg氮素農(nóng)田生產(chǎn)效率=施氮區(qū)產(chǎn)量—無氮區(qū)產(chǎn)量單位面積施氮量產(chǎn)量kg/Nkg第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ-3礦化作用（過程）—物質(zhì)循環(huán)重要環(huán)節(jié)概念：在微生物作用下，有機碳、氮、磷、硫轉(zhuǎn)變?yōu)榈V質(zhì)態(tài)的過程有機碳→CO2+H2O+能量→嫌氣CO2、CH4等有機氮→NH4+，NO3-有機磷→H3PO4有機硫→SO42-→嫌氣H2S適度的土壤有機碳、氮礦化作用如何調(diào)控？第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ-4腐殖質(zhì)化作用（過程）—物質(zhì)循環(huán)重要環(huán)節(jié)概念：土壤腐殖物質(zhì)的形成過程，一系列復雜過程總稱，是由微生物為主導的生物化學過程腐殖質(zhì)形成的階段—途徑—產(chǎn)物及產(chǎn)物轉(zhuǎn)化等仍只了解它的一般輪廓，其內(nèi)容很不清楚植物殘體在微生物作用下轉(zhuǎn)化氨基化合物多酚木質(zhì)素分解產(chǎn)物糖類木質(zhì)素醌醌腐殖物質(zhì)第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅲ土壤碳氮與環(huán)境Ⅲ-1土壤氮與水體氮污染（徑流、淋失、滲濾）七大水系：黃河、珠江、淮河、海河、遼河、長江、松花江主要河段—N污染湖泊：131個主要湖泊調(diào)查，N、P造成富營養(yǎng)化67個：滇池>巢湖>洪澤湖>太湖>洞庭湖赤潮:1970年前共3次,1972-1994共256次,1998年22次飲用水:

蘇浙滬76個井調(diào)查,硝、亞硝超標38.2%,57.9%;京津唐69個井調(diào)查,硝、亞硝超標50%以上,高達300mg/L(國家環(huán)境公報1997,1998)第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅲ-2土壤碳氮與“溫室氣體”效應(反硝化、揮發(fā))農(nóng)業(yè)活動(土壤)對“溫室氣體”的貢獻10—20%CO270%CH490%N2O第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅲ-3“溫室氣體”組成貢獻量：CO2>CH4>N2O增溫勢：1：56：280第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅳ.土壤碳氮與農(nóng)業(yè)和環(huán)境的前沿研究

Ⅳ-1.1土壤碳氮周轉(zhuǎn)的微生物學機理研究土壤碳氮周轉(zhuǎn):進入土壤的有機質(zhì)在微生物作用下,經(jīng)過一系列生物和化學轉(zhuǎn)化所構(gòu)成的物質(zhì)流稱為土壤有機碳氮周轉(zhuǎn).水稻土壤的碳氮周轉(zhuǎn)、循環(huán)在國際更是日益升溫.水稻土壤與旱地土壤的本質(zhì)區(qū)別—淹育環(huán)境.第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅳ-1.2土壤碳氮周轉(zhuǎn)的微生物學機理研究

水稻土壤碳氮周轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)觀點－有機碳氮積累＞分解量(與旱地土壤比較)

水稻土有機碳分解速率下降,利于積累的解釋是－

土壤微生物數(shù)量少,且生長速度慢.氧化還原反應的電子受體主要是有機質(zhì)本身降解產(chǎn)物和無機體系中的Fe3+、Mn4+、SO42-、CO2等.氧化還原過程中釋放能量低,提供微生物合成的能量自然亦少.糖酵解產(chǎn)物不是通過三羧循環(huán)氧化CO2,而是通過積累的有機酸、醇類、H2S等,這些物質(zhì)對微生物有抑制作用第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅳ-1.3水稻土碳氮周轉(zhuǎn)的生物學機理研究

水稻土碳氮周轉(zhuǎn)的新看法-淹水土壤有機碳分解量高于好氣土壤分解量.溫室排放研究也發(fā)現(xiàn)CO2排放隨稻田淹水延長而上升.為什么會得到截然相反的結(jié)論,問題出在何處?是實驗方法、技術(shù)?是理論推導?還是其它?一是有機碳本身二是土壤碳氮周轉(zhuǎn)驅(qū)動力-微生物第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅳ1.4土壤碳氮周轉(zhuǎn)的微生物學機理研究土壤有機碳(氮)庫(NCSOIL)土壤有機質(zhì)微生物生物量庫Ⅰ活性有機碳庫庫Ⅱ穩(wěn)定性有機碳庫庫Ⅲ碳、氮在三個庫中是怎樣轉(zhuǎn)化、流通的？怎樣表征活性有機碳庫的指標？微生物生物量碳、氮（SMBC，SMBN)，水溶性有機碳(WSOC),熱水溶性有機碳(HWC),輕組有機碳(LF-C),重鉻酸鉀易氧化有機碳(K2Cr2O7-ROC)第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅳ1.5土壤碳氮周轉(zhuǎn)的微生物學機理研究研究的總體思路土壤淹水過程中氧化還原穩(wěn)定性(pH-pE)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能多樣性和活性的動態(tài)變化土壤有機碳在各碳庫中的分配、流通,尤其是活性碳庫中的分配、流通情況.第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月水稻土壤有機質(zhì)分解，轉(zhuǎn)化與循環(huán)機理研究的總體思路土壤微生物生態(tài)特征土壤三個有機碳庫間的流通及周轉(zhuǎn)（微生物生物量C、N及其周轉(zhuǎn)及土壤CO2,CH4釋放積累量及土壤活性有機碳庫及其周轉(zhuǎn)測定）土壤氧化還原穩(wěn)定性（Eh,pH,Fe3+/Fe2+,NO3-/NH4+（多樣性及活性，如微生物結(jié)構(gòu)多樣性，功能多樣性，電子運輸系統(tǒng)活度，基礎(chǔ)呼吸第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅳ-1.6土壤碳氮周轉(zhuǎn)的微生物學機理研究(技術(shù)路線)土壤穩(wěn)定有機碳庫（庫Ⅲ）測定穩(wěn)定態(tài)有機碳含量培養(yǎng)期間土壤微生物生態(tài)特性變化(PLFA法、BIOLOG法、基礎(chǔ)呼吸及其代謝商等）培養(yǎng)期間土壤氧化還原穩(wěn)定性（土壤pH、Eh、Fe3+/Fe2+、NO3

-/NH4+等指標）培養(yǎng)期間土壤有機碳氮在各分庫中的庫存和流通生物活性有機碳庫（庫Ⅰ）測定土壤微生物生物量C、N及標記的生物量C14、N15非生物活性有機碳庫（庫Ⅱ）測定標記及未標記的CO2、CH4釋放量，WSOC、HWC、LF-C含量等第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-2.1土壤硝化、反硝化過程與亞硝酸鹽積累研究土水環(huán)境的亞硝酸（NO2-）污染.來源:硝化作用:NH4+→NO2→NO3

反硝化作用:NO3→NO2→N2O→N2水質(zhì)標準:

地表水質(zhì)<0.06mgNO2--N/L(中國)

淡水魚類保護標準<0.003.0.09mg/L(歐盟)環(huán)境積累傳統(tǒng)認為亞硝酸鹽不會在陸地生態(tài)系統(tǒng)中積累,近年研究表明:在河流、地下水湖泊、海灣中大量積累.污染狀況(中國):北方地表水嚴重.18斷面檢測到68.5%受污染,最高2.365mgNO2-N/L.

南方地下水污染嚴重,太湖76口井查57.9%超標,最高量0.58mgNO2-N/L.第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-2.2土壤硝化、反硝化過程與亞硝酸鹽積累機制參與硝化過程AOB和NOB是二類系統(tǒng)發(fā)育不相關(guān)的自養(yǎng)型細菌,一般認為只在有氧環(huán)境下存在,與異養(yǎng)型細菌相比.AOB和NOB對氧的競爭能力弱.硝化造成亞硝酸積累.pH是怎樣對AOB和NOB影響的?不同類型土壤AOB和NOB組成和生理特征?土壤環(huán)境因子是怎樣影響的?除AOB、NOB外甲烷氧化菌又怎樣影響亞硝酸鹽積累的？……硝化過程Nitrification氨氧化過程(AmmoniaOxidation)亞硝酸氧化過程(NitriteOxidatoin)AOBNOB第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-2.3土壤硝化、反硝化過程與亞硝酸鹽積累反硝化過程:NO3-→NO2→N2O→N2反硝化作用是厭養(yǎng)條件細菌的一種異化代謝過程.反硝化細菌在種類發(fā)生上有廣泛的多樣性→包括除腸細菌、專性好養(yǎng)細菌和某些革蘭氏陽性菌外的所有生理類型.什么環(huán)境影響反硝化細菌?淹水土壤水土界面,水稻根系分泌氧.土壤碳氮組成如何影響反硝化細菌活動?第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-2.4硝化、反硝化過程與硝酸積累機制研究硝酸鹽異化還原為氨的過程,是在極端無氧環(huán)境中產(chǎn)生的,是在發(fā)酵代謝功能細菌作用下完成的.硝酸鹽同化還原過程.是在生物利用NO3-N同化過程中產(chǎn)生的NO3-N還原為NO2-N的過程.土壤中微生物代謝也存在這一過程.第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-3.1硝酸鹽淋失和氨揮發(fā)損失研究植物當季利用的肥料氮(收獲物帶走氮)只有30-40%未被植物利用氮去向怎樣?生長季節(jié)后,有多少氮固定在作物秸桿中?多少氮最終被礦化、硝化、淋失、反硝化?土壤科學回答這些科學問題具有獨特的優(yōu)勢.有利于對現(xiàn)代農(nóng)作制及替代制作出評價.第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-4.1土壤對溫室氣體的排放/吸收的過程研究土壤是溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的主要源(Source)和匯(Sink),水田土壤尤其值得關(guān)注.土壤中CH4和N2O單獨排放/吸收過程.Keller(2000)認為人為活動(大量施氮,森林砍伐等…),已使N2O排放增加35-800%Borken(1997)酸性森林土壤施用石灰可大幅度減少排放量N2O下降6%,CH4吸收量增加26-580%第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ-4.2土壤對溫室氣體的排放/吸收研究溫室氣體CO2,N2O,CH4的綜合增溫潛勢.Robertson(2000).CO2,CH4,N2O的增溫潛勢存在巨大差異.綜合增溫潛勢主要由N2O排放量和CH4吸收量決定.Mosier(1991)報導N2O排放和CH4吸收間存在耦合關(guān)系.SITANUL(1993).N2O排放速率和CH