第3章土壤环境地球化学-1

第三章土壤环境地球化学你想过吗？whatisthissoil?!如果没有土，世界将会怎么样？如果没有土，明天将会怎么样？Howtousethesoil?第一节土壤在人类农业和生态系统中的重要性土壤是植物生长繁育和生物生产的基地土壤是陆地生态系统的重要组成部分土壤是最珍贵的自然资源土壤资源是可持续农业的基础一、土壤是植物生长繁育和生物生产的基地在人类赖以生存的物质生活中，人类消耗的约80％以上的热量，75％以上的蛋白质和大部分的纤维都直接来源自土壤。土壤的重要性民以食为天，食以土为本！土壤植物性生产动物性生产土壤在植物生长中的特殊作用***2、养分转化和循环作用3、雨水涵养作用4、生物的支撑作用5、稳定和缓冲环境变化的作用1、营养库的作用一、土壤养分1、土壤养分：由土壤提供的植物生长所必须的营养元素。2、土壤养分分类：大量元素和微量元素大量元素、中量元素和微量元素MnBFeSNCOHCaKPCuClZnMgMoMnBFeSNCOHCaKPCuClZnMgMoNi目前国内外公认的高等植物所必需的营养元素有16种。它们是碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、锰、铜、锌、鉬、氯。镍MnBFeSNCOHCaKPCuClZnMgMo必需营养元素Ni镍：1987年，P.H.Brown等必需营养元素的分组分组原则：根据植物体内含量的多少分为（0.1%）大量营养元素：含量占干物重的0.1%以上C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S9种微量营养元素：微量营养元素含量一般在0.1%以下Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl、Ni8种必需营养元素的分组分组原则：根据植物体内含量的多少分为（0.1%）大量营养元素：含量占干物重的0.1%以上C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S9种微量营养元素：微量营养元素含量一般在0.1%以下Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl、Ni8种二、土壤养分来源1、土壤养分的基本来源——矿物岩石P、K、Ca、Mg、Fe、B、Mo、Cu、Mn、S等2、土壤养分的主要来源——森林凋落物3、土壤养分的其他来源生物固氮、大气降水、人工施肥、客土、灌溉等N灰分元素凋落物灌、草、伐根等保存聚集三、土壤养分形态1、水溶态养分：土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物2、代换态养分：是水溶态养分的来源之一3、矿物态养分：大多数是难溶性养分，有少量是弱酸溶性的（对植物有效）4、有机态养分：矿质化过程的难易强度不同根据在土壤中存在的化学形态分为：根据植物对营养元素吸收利用的难易程度分为：速效养分：不经转化就可被植物直接吸收利用的养分迟效养分：不能直接利用，只有经分解转化为速效态才能被植物利用的养分三、土壤养分形态1、水溶态养分：土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物2、代换态养分：是水溶态养分的来源之一3、矿物态养分：大多数是难溶性养分，有少量是弱酸溶性的（对植物有效）4、有机态养分：矿质化过程的难易强度不同根据在土壤中存在的化学形态分为：根据植物对营养元素吸收利用的难易程度分为：速效养分：不经转化就可被植物直接吸收利用的养分迟效养分：不能直接利用，只有经分解转化为速效态才能被植物利用的养分四、土壤养分的有关概念有效养分－能够直接或经过转化被植物吸收利用的土壤养分速效养分－在作物生长季节内，能够直接、迅速为植物吸收利用的土壤养分。迟效（缓效）养分无效养分－不能被植物吸收利用的土壤养分。土壤养分状况－是指土壤养分的含量、组成、形态分布和有效性的高低。五、土壤养分转化与消耗1、养分形态的转化养分的有效化过程养分的固定过程。2、养分的消耗土壤内部复杂的转化过程；植物吸收利用；损失：淋失；气态损失；侵蚀流失；人为活动引起的损失；第二节土壤中的大量元素氮素是构成一切生命体的重要元素在植物生产中，植物对氮的需要量较大:肥料三要素氮素肥料施用过剩会造成江湖水体富营养化、地下水硝态氮（NO3-N)积累及毒害等。一、土壤中的氮1、土壤中氮的来源：生物固氮、降水、灌溉、施肥等土壤氮素的60%来自生物固氮。三叶草固氮量45—670KgN/ha/a。固氮的树木80—500KgN/ha/a降水带入氮素10—20KgN/ha/a，据测定在温带随降水进入土壤的NO3-和NH4+约为15.0kg/公顷/年（一）土壤中氮的来源和含量地下水中NO3-，高达10mgL-1，群众称为“肥水”。包括农家有机肥料和化学氮素肥料2．有机态氮土壤中的氮主要以有机态为主，一般可占全氮量的95%以上。按其溶解度和水解难易程度可分为以下三类：（1）水溶性有机氮不超过全氮的5%，很容易水解游离态氨基酸、胺盐、酰胺类化合物（2）水解性有机氮用酸、碱或酶处理能水解成简单的易溶性氮化合物约占全氮量的50%~70%①蛋白质及多肽类（30%~50%）——氨基酸和氨基②核蛋白质类（迟效氮源）③氨基糖类（约占水解氮的7%-18%）（3）非水解性有机氮(不溶于水，用酸、碱处理不水解)杂环态氮化物糖与铵的缩合物铵或蛋白质与木质素类物质作用形成复合物。无机氮（占全氮的2－5％）NH4+－NNO3-－NNO2-－N水溶性氮5％水解性氮50－70％非水解性氮30－50％有机氮（占全氮的95－98％）土壤氮（三）土壤中氮的转化（1）有机态氮的氨化：（2）NH4+－N的硝化：旱地通气条件下，铵态氮转化为硝态氮。（3）NO3-－N的反硝化：通气不良情况下，硝态氮转化为N2、N2O等，是土壤氮素的损失过程。（4）无机态氮的生物固定（5）无机态氮的晶格固定与释放、吸附与解吸氮损失途径：反硝化氨挥发氮素的淋洗表3-8化肥氮在冬小麦季的去向Table3-8Thefateofnitrogenfertilizerinwinterwheatseason处理Treatment作物吸收Cropuptake0～100cm土壤残留Soilresidue损失Losses吸收量Nuptake(kg/hm2N)利用率Recoveryrate(%)残留量Residue(kg/hm2N)残留率Residuerate(%)损失量Losses(kg/hm2N)损失率Lossesrate(%)N7533.6d44.926.0c34.715.3c20.4N15072.6c48.440.2c26.837.2b24.8N22599.4b44.282.2b36.543.4b19.3N300113.2a37.7117.2a39.169.6a23.2氨挥发：小麦：1-7%，玉米：2-8.5%NO3-NOxNH4+4地下水腐殖质微生物NO3-NH4+NO3-N2NOxNH3N2湿沉降干沉降收获枯枝落叶矿化固持硝化粘粒矿物可交换态固定态吸收淋洗风化固持氨挥发灌水施肥径流气态损失NH3土壤氮素转化过程与氮素循环示意图（四）土壤中氮的有效性无机氮（占全氮的2－5％）NH4+－NNO3-－NNO2-－N水溶性氮5％水解性氮50－70％非水解性氮30－50％有机氮（占全氮的95－98％）土壤氮（1）、土壤全氮：凯氏消煮（2）、剖面无机氮：0—100cm的NO3-N+NH4-N20mg/kg20-40mg/kg40mg/kg（Nmin）（3）、土壤碱解氮：1mol/LNaOH60mg/kg60-120mg/kg120mg/kg土壤诊断---土壤氮素丰缺指标（化学分析方法）土壤中磷的主要来源于矿物质，在长期的风化和成土过程中，经过生物的积累而逐渐聚积到土壤的上层土壤有机质开垦后，则主要来源于施用磷肥1、土壤中磷的来源：（一）土壤中磷的来源和含量2、土壤中磷的含量：我国大多数土壤表层（0-20cm）的含磷量变动在0.04%-0.25%之间，不同土壤类型变幅很大。全磷含量虽然受人为因素的影响变幅很大，但由于土壤磷的迁移率小，因而仍表现出明显的地带性分布规律二、土壤中的磷从总体看，我国自南而北或自东而西土壤含磷量呈递增趋势。以华南的砖红壤含磷量最低，东北的黑土、黑钙土和内蒙的栗钙土含磷量最高，华中的红、黄壤以及华北的褐土、棕壤介于以上二者之间。（耕作施肥影响）（二）土壤中磷的形态1．土壤中的有机磷化合物（简称有机磷）土壤磷素可分为两大类：有机态磷和无机态磷一般有机磷含量约占全磷量的10%~25%在侵蚀严重的红壤中不足10%，而东北地区的黑土有机磷的含量较高，可达70%以上。粘质土有机磷含量比砂质土高主要有：植素核酸类磷酯类70%左右不明态有机态磷20%~30%尚有：2．无机磷化合物（用P表示）（1）磷酸钙（镁）类化合物（Ca—P）磷酸一钙Ca(H2PO4)2磷酸二钙CaHPO4磷酸三钙Ca3(PO4)2磷酸八钙Ca8(PO4)65H2O磷酸十钙Ca10(PO4)6(OH)2羟基磷灰石Ca5(PO4)3OH磷灰石Ca5(PO4)3F、它们是石灰性或钙质土壤中磷酸盐的主要形态Ca/P比越大，稳定性增大，溶解度越小，对植物的有效性越低溶解度降低（2）磷酸铁和磷酸铝化合物（Fe—P,Al—P）在酸性土壤中常见主要有粉红磷铁矿Fe(OH)2H2PO4、磷铝石Al(OH)2H2PO4，它们溶解度极小。在水稻土和沼泽土中，常有蓝铁矿Fe3(PO4)28H2O，绿铁矿Fe3(PO4)2Fe(OH)2存在。（3）闭蓄态磷（O—P）氧化铁或氢氧化铁胶膜包被的磷酸盐。（4）磷酸铁铝和碱金属、碱土金属复合而成的磷酸盐磷酸盐成分更复杂，种类也多，溶解度极小，数量不多。风化程度较高的南方砖红壤、红壤中，以O—P占的比重最大，最高可达90%以上，其次是Fe—P,Al—P;Ca—P很少。风化程度较低的北方石灰性土壤中，Ca—P所占比例大，约在60%以上，其次是O—P;Al—P和Fe—P极少。我国主要土壤类型中，一般分布有以下规律：（三）土壤中磷的转化（2）无机磷的生物化学固定：(磷的固定)易溶性或速效态磷酸盐转化为难溶性迟效态和缓效态的过程，通常称之为磷的固定。吸附固定：非专性吸附、专性吸附化学沉淀：（1）有机态磷的矿化：（3）无机态磷的生物固定（4）难溶性磷的释放活化菌根菌根土壤难溶性无机磷释放的途径土壤难溶磷Ca-PAl-PFe-P可溶性磷50-80%酸化螯合有机肥带入的微生物分泌物解磷菌生理酸性肥料CO2（四）土壤中磷的有效性土壤中能直接或经转化为植物所利用的磷，称为有效磷。土壤中有效磷的形态主要有：1）土壤溶液中的磷酸根离子；2）包含在有机物中并较易分解的P；3）磷酸盐固相矿物中溶解的磷酸根离子；4）交换吸附态磷酸根离子。就有效P数量而言，以2）、3）两种形态最重要。在培肥较好的土壤中，有机P的重要性更大。而在一般土壤中，则以磷酸盐固相所释放出的P为主。速效态磷土壤有效磷（mg/kg)作物反应3作物出现严重缺乏症，生长受抑制3-5对一切作物施磷有效5-10对水稻无效，其它作物有效10-15对水稻、小麦无效，对绿肥、油菜，蚕豆有效15-20对大多数作物无效，但对某些豆科绿肥可能有效20对一般作物施磷无效土壤有效磷含量分级指标（0.5MNaHCO3浸提)土壤诊断土壤磷素丰缺指标3-7mg/kg华北土壤：5mg/kg5-15mg/kg15mg/kg森林土壤：变幅大：10-200mg/kg一般土壤：50mg/kg基本满足生长发育需要阔叶树、杉木：10-15mg/kg磷酸铁铝磷灰石：羟基磷灰石、F磷灰石迟效态磷三、土壤中的钾三要素品质元素限制因素（一）土壤中钾的来源和含量岩石矿物风化施肥1、土壤中钾的来源：2、土壤中钾的含量：（一）土壤中钾的来源和含量0.5～2.5%K2O平均为1.2%K2O我国自南向北含钾量是逐渐增加的趋势华南地区，其平均水平0.3%（玄武岩、凝灰岩、浅海沉积物——砖红壤）红黄壤地区为1.2%长江中下游地区的水稻土地区可达1.7%北方的土壤一般2%河北：1.92%135和150mg/kg东北、内蒙的黑土可达2.6%这主要是和地