土壤氮碳循环与农业环境

土壤碳氮循环与农业和环境的基础科学问题姚槐应土壤碳氮循环与农业和环境的基础科学问题Ⅰ土壤碳氮循环Ⅱ土壤碳氮与农业Ⅲ土壤碳氮与环境Ⅳ土壤碳氮与农业和环境的热点研究课题Ⅰ土壤碳氮循环Ⅰ-1土壤—植物—大气系统中的碳氮循环固定矿化分解淋洗水循环碳循环氮循环土壤光合作用呼吸作用生物碳分解腐殖质形成关键过程降水蒸发入渗径流大气1土壤碳氮循环.土壤腐殖质的分离(P46).土壤有机质在肥力上的作用(P50)Ⅰ土壤碳氮循环Ⅰ-2土壤碳氮循环过程微生物（原动力、推进器和转换器）土壤碳库（稳定性）物理化学环境因子(P40)矿质化腐殖质过程Ⅰ-3土壤氮素循环有机氮矿化NH4+微生物吸收或同化成腐殖质植物吸收转移NH4,NO3工、农业副产品(NH4+,NO2,有机N)化肥（NH4+,NO3-,尿素）降雨（NH4,NO3)生物转化NO3-N氨挥发NH4+—NH3矿物固铵NH4+硝态氮淋洗NO3-生物氧化NH4+—NO3-作物残留生物固氮侵蚀，径流地表水矿质化腐殖化反硝化Ⅱ土壤碳氮与农业Ⅱ-1现代农业必须在持续农业、环境保护和经济效益种种矛盾中作出选择生产—生活—生态（三生农业）高产—高效—高质（三高农业）WTO—全球经济一体化成功的调控土壤C、N及氮素肥料是提高作物产量，改善品质的主要手段194919982030总产1.13亿吨5.12亿吨6.4亿吨单产1.0t/ha4.5t/ha5.6t/haⅡ-2氮素转化、去向及利用土壤是作物生产的氮素供应库.不同土壤、作物氮素生产效率与土壤供氮效率是变量土壤生产效率=单位面积作物产量单位面积作物N收获量产量kg/Nkg氮素生理生产效率=施氮区产量—无氮区产量施氮区N收获量—无氮区收获量产量kg/Nkg氮素利用效率=施氮区N收获量—无氮区N收获量单位面积施氮量产量kg/Nkg氮素农田生产效率=施氮区产量—无氮区产量单位面积施氮量产量kg/NkgⅡ-3矿化作用（过程）—物质循环重要环节概念：在微生物作用下，有机碳、氮、磷、硫转变为矿质态的过程有机碳→CO2+H2O+能量→嫌气CO2、CH4等有机氮→NH4+，NO3-有机磷→H3PO4有机硫→SO42-→嫌气H2S适度的土壤有机碳、氮矿化作用如何调控？Ⅱ-4腐殖质化作用（过程）—物质循环重要环节概念：土壤腐殖物质的形成过程，一系列复杂过程总称，是由微生物为主导的生物化学过程腐殖质形成的阶段—途径—产物及产物转化等仍只了解它的一般轮廓，其内容很不清楚植物残体在微生物作用下转化氨基化合物多酚木质素分解产物糖类木质素醌醌腐殖物质Ⅲ土壤碳氮与环境Ⅲ-1土壤氮与水体氮污染（径流、淋失、渗滤）七大水系：黄河、珠江、淮河、海河、辽河、长江、松花江主要河段—N污染湖泊：131个主要湖泊调查，N、P造成富营养化67个：滇池巢湖洪泽湖太湖洞庭湖赤潮:1970年前共3次,1972-1994共256次,1998年22次饮用水:苏浙沪76个井调查,硝、亚硝超标38.2%,57.9%;京津唐69个井调查,硝、亚硝超标50%以上,高达300mg/L(国家环境公报1997,1998)Ⅲ-2土壤碳氮与“温室气体”效应(反硝化、挥发)农业活动(土壤)对“温室气体”的贡献10—20%CO270%CH490%N2OⅢ-3“温室气体”组成贡献量：CO2CH4N2O增温势：1：56：2801980—1990其它8%CO266%CFC-118-128%N2O3%CH415%Ⅳ.土壤碳氮与农业和环境的前沿研究Ⅳ-1.1土壤碳氮周转的微生物学机理研究土壤碳氮周转:进入土壤的有机质在微生物作用下,经过一系列生物和化学转化所构成的物质流称为土壤有机碳氮周转.水稻土壤的碳氮周转、循环在国际更是日益升温.水稻土壤与旱地土壤的本质区别—淹育环境.Ⅳ-1.2土壤碳氮周转的微生物学机理研究水稻土壤碳氮周转的传统观点－有机碳氮积累＞分解量(与旱地土壤比较)水稻土有机碳分解速率下降,利于积累的解释是－土壤微生物数量少,且生长速度慢.氧化还原反应的电子受体主要是有机质本身降解产物和无机体系中的Fe3+、Mn4+、SO42-、CO2等.氧化还原过程中释放能量低,提供微生物合成的能量自然亦少.糖酵解产物不是通过三羧循环氧化CO2,而是通过积累的有机酸、醇类、H2S等,这些物质对微生物有抑制作用Ⅳ-1.3水稻土碳氮周转的生物学机理研究水稻土碳氮周转的新看法-淹水土壤有机碳分解量高于好气土壤分解量.温室排放研究也发现CO2排放随稻田淹水延长而上升.为什么会得到截然相反的结论,问题出在何处?是实验方法、技术?是理论推导?还是其它?一是有机碳本身二是土壤碳氮周转驱动力-微生物Ⅳ1.4土壤碳氮周转的微生物学机理研究土壤有机碳(氮)库(NCSOIL)土壤有机质微生物生物量库Ⅰ活性有机碳库库Ⅱ稳定性有机碳库库Ⅲ碳、氮在三个库中是怎样转化、流通的？怎样表征活性有机碳库的指标？微生物生物量碳、氮（SMBC，SMBN)，水溶性有机碳(WSOC),热水溶性有机碳(HWC),轻组有机碳(LF-C),重铬酸钾易氧化有机碳(K2Cr2O7-ROC)Ⅳ1.5土壤碳氮周转的微生物学机理研究研究的总体思路土壤淹水过程中氧化还原稳定性(pH-pE)土壤微生物群落结构、功能多样性和活性的动态变化土壤有机碳在各碳库中的分配、流通,尤其是活性碳库中的分配、流通情况.水稻土壤有机质分解，转化与循环机理研究的总体思路土壤微生物生态特征土壤三个有机碳库间的流通及周转（微生物生物量C、N及其周转及土壤CO2,CH4释放积累量及土壤活性有机碳库及其周转测定）土壤氧化还原稳定性（Eh,pH,Fe3+/Fe2+,NO3-/NH4+（多样性及活性，如微生物结构多样性，功能多样性，电子运输系统活度，基础呼吸Ⅳ-1.6土壤碳氮周转的微生物学机理研究(技术路线)土壤稳定有机碳库（库Ⅲ）测定稳定态有机碳含量培养期间土壤微生物生态特性变化(PLFA法、BIOLOG法、基础呼吸及其代谢商等）培养期间土壤氧化还原稳定性（土壤pH、Eh、Fe3+/Fe2+、NO3-/NH4+等指标）培养期间土壤有机碳氮在各分库中的库存和流通生物活性有机碳库（库Ⅰ）测定土壤微生物生物量C、N及标记的生物量C14、N15非生物活性有机碳库（库Ⅱ）测定标记及未标记的CO2、CH4释放量，WSOC、HWC、LF-C含量等Ⅵ-2.1土壤硝化、反硝化过程与亚硝酸盐积累研究土水环境的亚硝酸（NO2-）污染.来源:硝化作用:NH4+→NO2→NO3反硝化作用:NO3→NO2→N2O→N2水质标准:地表水质0.06mgNO2--N/L(中国)淡水鱼类保护标准0.003.0.09mg/L(欧盟)环境积累传统认为亚硝酸盐不会在陆地生态系统中积累,近年研究表明:在河流、地下水湖泊、海湾中大量积累.污染状况(中国):北方地表水严重.18断面检测到68.5%受污染,最高2.365mgNO2-N/L.南方地下水污染严重,太湖76口井查57.9%超标,最高量0.58mgNO2-N/L.Ⅵ-2.2土壤硝化、反硝化过程与亚硝酸盐积累机制参与硝化过程AOB和NOB是二类系统发育不相关的自养型细菌,一般认为只在有氧环境下存在,与异养型细菌相比.AOB和NOB对氧的竞争能力弱.硝化造成亚硝酸积累.pH是怎样对AOB和NOB影响的?不同类型土壤AOB和NOB组成和生理特征?土壤环境因子是怎样影响的?除AOB、NOB外甲烷氧化菌又怎样影响亚硝酸盐积累的？……硝化过程Nitrification氨氧化过程(AmmoniaOxidation)亚硝酸氧化过程(NitriteOxidatoin)Ⅵ-2.3土壤硝化、反硝化过程与亚硝酸盐积累反硝化过程:NO3-→NO2→N2O→N2反硝化作用是厌养条件细菌的一种异化代谢过程.反硝化细菌在种类发生上有广泛的多样性→包括除肠细菌、专性好养细菌和某些革兰氏阳性菌外的所有生理类型.什么环境影响反硝化细菌?淹水土壤水土界面,水稻根系分泌氧.土壤碳氮组成如何影响反硝化细菌活动?Ⅵ-2.4硝化、反硝化过程与硝酸积累机制研究硝酸盐异化还原为氨的过程,是在极端无氧环境中产生的,是在发酵代谢功能细菌作用下完成的.硝酸盐同化还原过程.是在生物利用NO3-N同化过程中产生的NO3-N还原为NO2-N的过程.土壤中微生物代谢也存在这一过程.Ⅵ-3.1硝酸盐淋失和氨挥发损失研究植物当季利用的肥料氮(收获物带走氮)只有30-40%未被植物利用氮去向怎样?生长季节后,有多少氮固定在作物秸杆中?多少氮最终被矿化、硝化、淋失、反硝化?土壤科学回答这些科学问题具有独特的优势.有利于对现代农作制及替代制作出评价.Ⅵ-4.1土壤对温室气体的排放/吸收的过程研究土壤是温室气体(CO2、CH4、N2O)的主要源(Source)和汇(Sink),水田土壤尤其值得关注.土壤中CH4和N2O单独排放/吸收过程.Keller(2000)认为人为活动(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减少排放量N2O下降6%,CH4吸收量增加26-580%Ⅵ-4.2土壤对温室气体的排放/吸收研究温室气体CO2,N2O,CH4的综合增温潜势.Robertson(2000).CO2,CH4,N2O的增温潜势存在巨大差异.综合增温潜势主要由N2O排放量和CH4吸收量决定.Mosier(1991)报导N2O排放和CH4吸收间存在耦合关系.SITANUL(1993).N2O排放速率和CH4吸收速率显著负相关.ANBUS(1995).在不同实验中总的N2O和CH4的平均通量间存在显著相关性.Ⅵ-4.3铵对CH4和NO2吸收/排放的调控作用徐慧荣(1999)NH4+浓度变化是N2O排放速率和CH4吸收速率耦合关系调控的重要因子.土壤CH4和NO2产生/氧化过程正相关关系无相关关系负相关关系土壤结构温度湿度养分pH微生物类群植物类群负向调控CH4吸收和N2O排放速率偶合关系生物与非生物影响正向调控Ⅵ4.4土壤对温室气体吸收/排放研究CH4、N2O的排放吸收通量影响CH4、N2O排放/吸收的环境因子N2O：肥料种类和数量;施肥技术和时间作物种类与品种耕作制度和方式土壤C、N含量,物理、化学性质CH4：土壤温度、土壤类型、耕作施肥方式、Eh、pH、有机碳Thankforyourattention!