土壤氮素循環(huán)

[1]王曉蓉.環(huán)境化學(xué).南京大學(xué)出版社,2005.氮的基態(tài)電子構(gòu)型為1S22S22P3，有5個(gè)價(jià)電子，氧化態(tài)從一3到+5。氮在地殼中的百分含量為0.0046%,大部分以氮分子的形式存在于大氣中。已知氮有7種同位素，質(zhì)量數(shù)12－18。天然存在的穩(wěn)定同位素有14N和15N，豐度比為273:1。其它五種均為放射性同位素，壽命最長(zhǎng)的13N半衰期近10min。土壤氮素含量與分布自然土壤中氮素的含量分布有明顯的地帶性，與自然條件特別是氣候條件相關(guān)。耕地土壤的氮素含量受人為因素的強(qiáng)烈影響。土壤中氮的含量范圍為：0.02-0.5%,表層土壤和心、底土的含量相差很大。一般耕地土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量自亞表層以下銳減。土壤氮含量在剖面中分布狀況各異，主要與有機(jī)質(zhì)的分布有關(guān)。影響進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和有機(jī)質(zhì)分解的因素，包括水熱條件、土壤質(zhì)地等，都對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量產(chǎn)生顯著影響。例在太湖平原，黏壤質(zhì)中性潴育性水稻土的有機(jī)質(zhì)和氮素含量分別為25.8g/kg和1.59g/kg,而質(zhì)地較輕粗的石灰性的潴育性水稻土僅分別為19.2g/kg和1.16g/kg。氮素，作為植物礦物質(zhì)營養(yǎng)之首：作物中積累的氮素約有50％系來自土壤，個(gè)別土壤上該值超過70％。（大氣中）植物體內(nèi)的N有機(jī)物動(dòng)物體內(nèi)的N有機(jī)物植物體內(nèi)的N有機(jī)物動(dòng)物體內(nèi)的N有機(jī)物陷機(jī)恕剣（生物體中）遺體及排泄物N+O—2NO22N2+3Mg—Mg3N2N+CaC—C+CaCN222土壤中存在的氮的形態(tài)：無機(jī)態(tài)氮土壤中的無機(jī)態(tài)氮占的比例雖小，卻是植物氮營養(yǎng)的直接形態(tài)，意義特別重要。目前我國氮肥施用也以無機(jī)態(tài)氮為主。無機(jī)態(tài)氮包括固定態(tài)銨、交換性銨（包括土壤溶液中銨）硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氮氧化物和氮?dú)?，在土壤中占全氮的比例變幅較大，一般在2－8％。銨能以同晶置換作用（類質(zhì)同象）取代鉀離子占據(jù)礦物晶格，形成固定態(tài)氮。影響銨固定的因子有粘土礦類型、銨的濃度、共存陽離子、土壤的質(zhì)地、pH、有機(jī)質(zhì)等。土壤利用方式也會(huì)導(dǎo)致固定態(tài)銨量的明顯變化。水稻土的固定態(tài)銨較其毗鄰的同一母質(zhì)上發(fā)育的旱地土壤為低。固定態(tài)銨在剖面中的分布較為均勻。土壤交換性氮包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮最易被植物吸收，其含量受土壤的礦化、生物固持、銨的固定和釋放、硝化、反硝化、植物吸收、氨揮發(fā)、淋溶等各種作用影響。耕地土壤交換性氮的變化主要受植物吸收和地溫變化影響（施肥除外）。土壤溶液中的氮以硝態(tài)氮為主，亞硝態(tài)氮一般很少甚至難以檢出。土壤中含氮?dú)怏w總量雖少，但其與氮的利用和溫室氣體排放相關(guān)，為研究者廣泛注意。氨揮發(fā)是氮肥損失的主要途徑之一，氧化亞氮是重要的溫室氣體。有機(jī)態(tài)氮土壤中的氮絕大部分以有機(jī)態(tài)存在，一般占92－98％。土壤中含氮有機(jī)物主要來自植物殘?bào)w、根分泌物以及微生物軀體。土壤氮的組成復(fù)雜，總體上與一般生物體中的含氮化合物類似，有蛋白質(zhì)（氨基酸）、核酸、氨基糖、生物堿、磷脂、胺、維生素、抗生素、葉綠素及腐殖質(zhì)等。腐殖質(zhì)是土壤中特殊的含氮有機(jī)物，占土壤有機(jī)物總量的85％以上，其含氮量在3－5％。土壤中的有機(jī)氮可按其溶解度大小及水解難易分為三類。（王曉蓉，2005）水溶性有機(jī)氮主要是一些比較簡(jiǎn)單的游離氨基酸、胺鹽及酰胺類化合物，一般不超過全氮量的5%,這類有機(jī)氮化合物不能直接被植物吸收，但很容易水解放出NH4+，從而成為植物的速效性氮源。水解性有機(jī)態(tài)氮凡是用酸、堿或酶處理時(shí)，能水解成為簡(jiǎn)單的易溶性化合物或直接生成銨化合物的有機(jī)態(tài)氮屬此類。水溶性有機(jī)態(tài)氮也包括在本類，其總量約占總氮量的50-70%。若按化學(xué)組分分類，蛋白質(zhì)及多肽類則是土壤氮素的最主要形態(tài)，一般占全氮的1/3至1/2。水解后主要生成多種氨基酸及數(shù)量不等的游離銨基。應(yīng)該指出，土壤中有機(jī)態(tài)氮的組分和化學(xué)形態(tài)還有待于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，目前有關(guān)土壤有機(jī)態(tài)氮的知識(shí)主要從酸解研究中獲得，大約有60－65％的酸解性未知態(tài)氮的化學(xué)本性有待研究，絕大部分非酸解性未知態(tài)氮的本性尚未認(rèn)識(shí)。二、土壤中氮素的轉(zhuǎn)化土壤中的氮在各種驅(qū)動(dòng)力下不斷轉(zhuǎn)化。被研究較多的有：有機(jī)態(tài)氮的礦化（氨化作用）、礦質(zhì)氮的生物固定、硝化、反硝化、銨的固定、吸持、釋放、氨揮發(fā)、生物固氮等。礦化作用與生物固持礦化過程中最先產(chǎn)生的無機(jī)氮以氨態(tài)氮為主。從復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，需經(jīng)過復(fù)雜的生物、生化和化學(xué)過程，反應(yīng)之初主要由微生物參與。能進(jìn)行氨化作用的細(xì)菌統(tǒng)稱為氨化細(xì)菌。影響氨化細(xì)菌活性的外界條件都對(duì)氨化作用產(chǎn)生影響，如溫度、濕度、pH、氧分壓等。此外，礦化量和過程受土壤有機(jī)質(zhì)的類型、結(jié)構(gòu)、結(jié)合方式和施肥機(jī)植物生長(zhǎng)等的影響。有機(jī)氮的礦化和礦質(zhì)氮的生物固持是兩個(gè)方向相反的過程。當(dāng)易分解的能源物質(zhì)過量存在時(shí)，生物固持作用可大于礦化作用，表現(xiàn)為土壤生物量的增加。這里所涉及的生物固定與生物固氮不同，生物固氮專指自然界中的固氮微生物，將空氣中的氮分子轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡纳飳W(xué)過程。硝化作用從氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的氧化過程總稱為硝化作用。一般認(rèn)為土壤中的硝化作用主要是由微生物進(jìn)行的，非生物的硝化過程即使存在，其份額將很小。硝化作用一般由好氣自養(yǎng)細(xì)菌完成，其硝化過程分為兩個(gè)階段。第一階段由亞硝化細(xì)菌把氨態(tài)氮氧化為亞硝態(tài)氮，需經(jīng)一系列的中間過程，其細(xì)節(jié)尚未明晰。第二階段由硝化細(xì)菌把亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽，可能是簡(jiǎn)單的脫氫過程。在通氣不足的條件下，第二階段反應(yīng)受抑制，可能產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累，或由亞硝態(tài)氮還原為氮?dú)?。自然界中有一些異養(yǎng)微生物，也進(jìn)行硝化作用。異養(yǎng)微生物不需從銨的氧化過程中獲得能量，其氧化產(chǎn)物具多樣性。異養(yǎng)菌的氧化能力雖遠(yuǎn)小于自養(yǎng)菌？，但在土壤中數(shù)量多，其作用不可忽視。土壤中異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌的連續(xù)硝化作用值得注意。3.反硝化作用反硝化作用主要也通過微生物進(jìn)行，將硝態(tài)氮分步還原。反硝化是土壤微生物利用硝酸根作為電子受體的獲得能量的自然過程，在厭氧條件下易于進(jìn)行?；瘜W(xué)反硝化作用研究較少，也遠(yuǎn)不如生物反硝化重要。研究認(rèn)為反硝化作用是單電子傳遞的硝態(tài)氮逐步還原過程，氧化亞氮或氮?dú)鉃楫a(chǎn)物。反硝化細(xì)菌是參與反硝化作用的微生物群的總稱，而不是細(xì)菌分類學(xué)上的名詞。反硝化所涉及的微生物種類多，數(shù)量大，分布廣，反硝化的產(chǎn)物和數(shù)量也決定于所發(fā)生土壤中細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)、相應(yīng)的酶活性和環(huán)境條件。反硝化細(xì)菌大多為異養(yǎng)型。土壤中進(jìn)行反硝化作用的條件中，以通氣性最為關(guān)鍵。如果硝化作用的臨界含水量為60％，則反硝化作用在高與這水平的土壤中產(chǎn)生，并隨含水量增加而增加。雖然硝化作用和反硝化作用不是可逆過程，但影響兩者發(fā)生的條件恰是相反，有利于硝化作用的，則不利于反硝化作用。而且，反硝化作用起于硝態(tài)氮，因此，從降低硝化和反硝化作用的負(fù)面效應(yīng)，應(yīng)多考慮抑制硝化過程。4.生物固氮在地殼表面，廣泛分布著具固氮作用的微生物和由微生物與植物所組成的各種類型的固氮體系，形成龐大的生物固氮網(wǎng)。就全球而言，農(nóng)產(chǎn)品收獲從土壤帶走的氮，主要由生物固氮來平衡。影響生物固氮的生物和環(huán)境因子較多，深入研究這些因子，發(fā)展各種調(diào)控受到，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。與農(nóng)業(yè)相關(guān)生物固氮體系豆科植物與根瘤菌的共生固氮。已知有1200多種豆科植物能結(jié)瘤，這一體系的固氮量占整個(gè)生物固氮量的50%，占農(nóng)業(yè)生態(tài)固氮量的70%。多年生牧草年固氮量為130—300kg/ha,—年生豆科作物為50－90kg/ha。藻厥共生固氮。紅萍是一種小的水生厥類植物與魚腥藻組成的藻厥共生固氮體系，我國利用紅萍的歷史悠久。稻田養(yǎng)萍，增產(chǎn)明顯。紅萍的固氮量種間差異很大，高的每天達(dá)10kg/ha。紅萍在固氮的同時(shí)還將部分固定的氮排出體外，供植物吸收。與農(nóng)業(yè)相關(guān)生物固氮體系自生固氮菌。土壤中以被確定有固氮作用的細(xì)菌有19個(gè)屬，其中圓褐固氮菌最為常見，幾乎在我國各地的土壤中均能找到。自生固氮菌對(duì)增加土壤氮素中的貢獻(xiàn)尚有待確定。藍(lán)藻。在已知的20個(gè)科140個(gè)屬2000多種藍(lán)藻中，有24個(gè)屬120多個(gè)種有固氮作用。固氮藍(lán)藻是一種光自養(yǎng)生物，在固氮的同時(shí)也進(jìn)行放氧的光合作用。初步估計(jì)藍(lán)藻在一季稻作期間固氮23—38kg/ha。聯(lián)合固氮體系。固氮細(xì)菌集居于植物的根際、根表，部分細(xì)菌則進(jìn)入根表的細(xì)胞中，兩者雖然沒有形成象根瘤的共生結(jié)構(gòu)，但存在專一性的聯(lián)合共生關(guān)系。該體系中植物與固氮細(xì)菌的關(guān)系和其對(duì)非豆科植物氮素營養(yǎng)的貢獻(xiàn)有待深入研究。Frankia與非豆科木本植物的共生固氮體系。某些非豆科木本植物也具結(jié)瘤固氮作用。例如沙棘林，每年可固氮180kg/ha，在干旱半干旱地區(qū)的水土保持和土壤改良方面有特殊意義。5.化學(xué)轉(zhuǎn)化?土壤中的三態(tài)氮在一定的條件下發(fā)生化學(xué)和物理化學(xué)轉(zhuǎn)化。?氨與銨的平衡，氨在固一氣、固一液界面的平衡，因此土壤中的氨態(tài)氮有不同程度的揮發(fā)。?在酸性條件下，土壤中的亞硝酸與氨或胺之間也可發(fā)生氧化還原作用，產(chǎn)生氮?dú)?，也可?duì)其它一些有機(jī)質(zhì)和低價(jià)鐵氧化，產(chǎn)生氮?dú)夂鸵恍┑难趸铩?亞硝酸本身也會(huì)分解產(chǎn)生氧化氮和二氧化氮，在溫度較高更易發(fā)生。?氨揮發(fā)和其它含氮?dú)怏w的揮發(fā)損失是氮肥損失的主體。?土壤對(duì)含氮化合物的吸附和固定是氮素轉(zhuǎn)化的另一形式。這方面主要是土壤對(duì)銨的吸附和固定。被土壤所吸附的銨有一部分為土壤固定而不能為其它陽離子代換。銨的固定同土壤粘土礦物有關(guān)。銨離子進(jìn)入由硅氧四面體和鋁氧八面體所形成的網(wǎng)眼中，而被封閉在粘土礦的晶層之間。?土壤對(duì)蛋白質(zhì)固定作用使其分解緩慢。三、土壤氮的供應(yīng)和有效性土壤的供氮量?土壤供氮量是指在一季作物生長(zhǎng)期間，土壤向作物提供的速效氮總量。?在實(shí)際測(cè)定中，以不施氮肥區(qū)作物成熟時(shí)所吸收的氮量與土壤中殘留的速效氮量之和計(jì)量。?土壤供氮量是評(píng)價(jià)土壤氮素供應(yīng)能力的主要依據(jù)，也是估計(jì)氮肥適宜施用量的一個(gè)主要參數(shù)。?不同季節(jié)、不同作物、不同土壤和不同地區(qū)土壤供氮量有很大差異，與土壤類型、耕作方式和氣候條件相關(guān)。?作物高產(chǎn)對(duì)土壤供氮量的依賴程度也有較大差別.積累的研究數(shù)據(jù)表明在45－83％之間。?應(yīng)指出上述土壤供氮量的計(jì)算中，已包括了一些非土壤來源的部分，有時(shí)需要加以區(qū)分:這些因素包括降水、灌溉水和非共生固氮所提供的氮等。土壤供氮過程?作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，和養(yǎng)分的化學(xué)形態(tài)和其在土壤中移動(dòng)性相關(guān)。?養(yǎng)分從土壤到達(dá)植物根面，取決于養(yǎng)分的移動(dòng)和根系的伸展。?旱作時(shí)，土壤礦質(zhì)氮以硝態(tài)氮為主，移動(dòng)性大，土壤氮素的供應(yīng)范圍較大。?而水稻季節(jié)，土壤氮素供應(yīng)以耕層土壤為主，但耕層以下土壤也有一定的貢獻(xiàn)。土壤氮素有效性指標(biāo)?土壤的有效氮是指能為當(dāng)季作物利用的氮，一般而言是指硝態(tài)氮和氨態(tài)氮.?由于微生物的參與，有機(jī)氮又可不斷地為微生物分解而產(chǎn)生無機(jī)態(tài)氮，使有效氮的概念變得復(fù)雜。?土壤有機(jī)態(tài)氮具有潛在的供氮能力，特別是其中易分解的部分，是潛在的有效氮?潛在的有效氮與難分解的有機(jī)氮又無明顯的界限。土壤氮素有效性指標(biāo)?研究表明，多種生物學(xué)培養(yǎng)法（好氣培養(yǎng)和嫌氣培養(yǎng)）測(cè)出的礦質(zhì)氮總量、化學(xué)方法（堿水解和酸水解）測(cè)定的有效氮土壤全氮量和之間