第七章土壤与植物氮素营养及化学氮肥

第七章 土壤与植物氮素营养及化学氮肥

第一节 土壤氮素营养

一、土壤中氮素的来源及其含量 （一）来源

1. 施入土壤中的化学氮肥和有机肥料 2. 动植物残体的归还 3. 生物固氮

＋－

4. 雷电降雨带来的NH4－N和NO3－N (二)、土壤氮素的含量 1 土壤氮素的含量

土壤中氮素的含量受自然因素如母质、植被、气候等影响，同时也受人为因素如利用方式、耕作、施肥及灌溉等措施的影响。

我国自然植被下土壤表土中氮素的含量与有机质含量密切相关。 我国土壤含氮量的地域性规律：

北 增加

西 长江 东 增加

南 增加

一般农业土壤耕层氮素含量在0.5-3.0g/kg之间。

较高的氮素含量往往被看成为土壤肥沃程度的重要标志。 表层含氮量最高，以下各层随深度增加而锐减。 (三)、土壤中氮的形态

1. 无机氮 吸附态 土壤胶体吸附

(1～2％) 固定态 2：1型粘土矿物固定 水溶性 速效氮源 <全氮的5% 2. 有机氮 水解性 缓效氮源 占50～70% (>98%) 非水解性 难利用 占30～50% 离子态 土壤溶液中

（1）土壤无机态氮:位于粘土矿物晶层间的固定态铵是数量最大的一部分。 （1）土壤无机态氮

交换性NH4+、溶液中NH4+和NO3-最易被植物吸收，一般为几个mg/kg，具有重要的农学意义。

土壤无机氮还包括NO2-,一些含氮气体，如 NH3、N2O、NO、NO2等。N2O是温室气体之一。 （2）土壤有机态氮

一般情况下土壤有机态氮构成了土壤全氮的绝大部分。

土壤有机态氮的组成较为复杂，以前已分离鉴定出的含氮化合物单体有氨基酸、氨基糖，嘌呤、嘧啶以及微量存在的叶绿素及其衍生物、磷脂、各种胺、维生素等。 绝大多数有机态氮存在于土壤固相中，只有很少量的存在于土壤液相中。 (四)、土壤中氮的转化

NH3 N2、NO、N2O

矿化作用 硝化作用 生物固定

有机质 铵态氮 硝态氮 有机氮

生物固定 硝酸还原作用

吸附态铵 水体中的硝态氮

或固定态铵

（一）有机态氮的矿化作用（氨化作用）与生物固持作用

矿化作用：在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解生成氨的过程。 过程： 有机氮 异养微生物 水解酶

解蛋白作用

氨基酸

氨化作用

氨化微生物 水解、氧化、还原、转位

＋＋

NH4－N有机酸

氮的矿化-生物固持作用过程的相对强弱，受能源物质种类和数量以及水、热条件等强烈影响。

土壤氮素的矿化与土壤氮素的供应密切相关。

肥料氮的生物固持有利于减少土壤溶液中矿质态氮的积累和氮素损失，有利于肥料氮的保持。

2 铵的粘土矿物固定与释放

铵的粘土矿物固定与释放是两个相反的过程。 铵被粘土矿物所吸持呈非交换性铵的过程为固定；

土壤粘土矿物所吸收的非交换性铵向交换性铵甚至水溶性铵的转化过程称为释放。 在粘土矿物中，只有2：1型矿物才固定铵，不同的2：1型粘土矿物固定铵的能力也不相同。 结果：减缓NH4＋的供应程度新固定的或施肥后新增加的固定态铵的有效性很高； 固有的（土壤中原有的）固定态铵的有效性则较低。

铵的固定可以在一定程度上起到调节土壤溶液中铵态氮浓度、提高土壤对氮的缓冲能力、把速效氮肥变为缓效氮肥的作用，不仅有利于作物良好生长，而且也有助于减少氮素的气态或淋失等损失。 （三）硝化作用

＋

定义：通气良好条件下，土壤中的NH4 或NH3在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象 过程：

＋－＋

NH4＋O2 NO2 ＋ 4H 2NO2－＋O2 2NO3 影响硝化作用的因素: 土壤水分 气 热条件 pH

施入肥料的种类 根系分泌物

最适条件：铵充足、通气良好、

pH6.5～7.5、25～30oC

－

结果：形成NO3 －N 利：为喜硝植物提供氮素

弊：

四）反硝化作用

－

NO3 N2 、NO、N2O 1. 生物反硝化作用（嫌气条件下）

(1)定义：嫌气条件下，土壤中的硝态氮在反硝化细菌作用下还原为气态氮从土壤中逸失的现象

(2)过程：

NO3- NO2- N2 、N2O、NO

(3)最适条件：土壤通气不良，新鲜有机质丰富 pH5～8，温度30～35oC

稻田氮素损失的主要途径：占氮肥损失的35％ 2. 化学反硝化作用（可在好气条件下进行）

－

NO2 N2 、N2O、NO

－

发生条件： NO2存在

3. 结果：造成氮素的气态挥发损失， 并污染大气 5 铵的吸附与解吸

铵的吸附是指土壤液相中的铵被土壤颗粒表面所吸附的过程。

铵的解吸则是指土壤固相表面吸附的铵（土壤交换性铵）自土壤固相表面进入液相的过程。 铵的吸附与解吸是铵在土壤液相与固相之间的一种平衡过程，其平衡点受土壤阳离子交换量、伴随阳离子种类和浓度等因素的影响。

铵的吸附量随土壤中粘粒含量、有机质含量、溶液中铵的相对浓度的增加而增多。

土壤变干燥时，吸附态铵可部分转化为固定态铵；渍水时，固定态铵也因矿物膨胀而部分转变为吸附态铵。

土壤对铵离子的吸附与解吸，影响着作物根系对铵离子的吸收，影响着土壤中无机氮素形态的转化、迁移，也影响着土壤对来自肥料的铵离子的保蓄与缓冲能力 （六）氨的挥发损失

＋

1. 定义：在中性或碱性条件下，发生在土壤液相中的一种化学平衡，土壤中的NH4转化为NH3而挥发的过程 2. 过程：

＋＋

NH4 NH3 ＋ H 3. 影响因素：氨浓度，pH，温度，风速等 ① pH值 NH3挥发

6 0.1% 7 1.0% 8 10.0% 9 50.0% ② 土壤CaCO3含量：呈正相关 ③ 温度：呈正相关

④ 施肥深度：挥发量 表施>深施 ⑤ 土壤水分含量

＋

⑥ 土壤中NH4的含量 4. 结果：造成氮素损失

(七)硝酸盐的淋洗损失

－

NO3 －N 随水渗漏或流失，可达施入氮量的5～10％ 结果：氮素损失，并污染水体 土壤的供氮能力

土壤的供氮能力既是评价土壤肥力的一个重要指标，又是估算氮肥用量的重要依据。 土壤全氮量：反应了土壤氮素的贮量和土壤的基本肥力状况。然而土壤中的全氮主要以有机态存在，一般植物难以直接利用。

速效氮：为植物可以利用的氮素形式，主要包括土壤溶液中的硝态氮和铵态氮，代换性铵和部分简单的有机态氮，受植物吸收和环境条件的影响较大，含量通常很低，不能代表可给态氮的丰缺程度。

水解态氮：即用1mol/L NaOH处理土壤，经水解、扩散或蒸馏进行测定的氮含量。能反应土壤中氮的供应强度和容量。

目前一般以全氮、水解性氮及速效氮3种形态氮含量作为诊断指标。 土壤供氮能力指标：作物在不施氮区的全生长期内吸氮量作为土壤供氮能力的指标。土壤供氮量包括当季作物种植时土壤中已经积累的矿质氮量和作物生长期内土壤氮素的矿化量。

第二节 作物的氮素营养

一、作物体内氮的含量和分布

作物体内的含氮量约为作物干物质重的0.3%-5%，含量的高低因作物种类、器官类型、生育时期不同而异。 影响因素： 植物种类：豆科植物>非豆科植物 品种：高产品种>低产品种 器官：种子>叶>根>

组织：幼嫩组织>成熟组织>衰老组织，生长点>非生长点 生长时期：苗期>旺长期>成熟期>衰老期，营养生长期>生殖生长期 2. 分布： 幼嫩组织>成熟组织>衰老组织， 生长点>非生长点

原因：氮在植物体内的移动性强

在作物一生中，氮素的分布是在变化的：

营养生长期：大部分在营养器官中（叶、茎、根）

生殖生长期：转移到贮藏器官（块茎、块根、果实、籽粒），约占植株体内全氮的 70％ 二、植物体内含氮化合物的种类（氮的生理功能）

1. 氮是蛋白质的重要成分（蛋白质含氮16～18％）－－生命物质

2. 氮是核酸的成分（核酸中的氮约占植株全氮的10％）－－合成蛋白质和决定生物遗传性的物质基础

3. 氮是酶的成分－－生物催化剂

4.氮是叶绿素的成分（叶绿体含蛋白质45～60％）－－光合作用的场所 5. 氮是多种维生素的成分（如维生素B1、B2、B6等）－－辅酶的成分 6. 氮是一些植物激素的成分（如IAA、CK）－－生理活性物质

7. 氮也是生物碱的组分（如烟碱、茶碱、可可碱、咖啡碱、胆碱－－卵磷脂－－生物膜） 氮素通常被称为生命元素 三、植物对氮的吸收与同化

（一）植物对硝态氮的吸收与同化

1. 吸收：旱地作物吸收NO3-－N为主， 属主动吸收 吸收后，10～30％在根还原

70～90％运输到茎叶还原 小部分贮存在液胞内 2. 同化

(1) NO3-－N的还原作用 过程： 总反应式：

NO3-＋8H+＋8e- NH3＋2H2O＋ OH-

结果：产生OH-，一部分用于代谢；一部分排出体外，介质pH值 ?资料：植物吸收的NO3-与排出的OH-的比值约为10：1） (2)影响硝酸盐还原的因素

① 植物种类：与根系还原能力有关，如 木本植物 > 一年生草本植物 油菜 > 大麦 > 向日葵 > 玉米

－

② 光照：光照不足，硝酸还原酶活性低，使硝酸还要作用变弱，造成植物体内NO3－N浓度过高

③ 温度：温度过低，酶活性低，根部还原减少 ④ 施氮量：施氮过多，吸收积累也多（奢侈吸收）

－

⑤ 微量元素供应：钼、铁、铜、锰、镁等微量元素缺乏， NO3－N难以还原

＋－

⑥ 陪伴离子：如K，促进NO3向地上部转移，使根还原比例减少；若供钾不足，影响

－

NO3－N的还原作用

－

当植物吸收的NO3－N来不及还原，就会在植物体内积累 降低植物体内硝酸盐含量的有效措施：选用优良品种、控施氮肥、增施钾肥、增加采前光照、改善微量元素供应等。

（二）植物对铵态氮的吸收与同化 1. 吸收

（1）机理：①被动渗透

(Epstein,1972) ②接触脱质子

(Mengel,1982) （2）特点：释放等量的H＋，使介质pH值 ? 2. 同化

(1)部位：在根部很快被同化为氨基酸

(2)过程： 谷氨酰氨合成酶

NH3＋谷氨酸＋ATP 谷氨酰胺＋ADP＋Pi 谷氨酸合成酶

＋

谷氨酰胺＋α-酮戊二酸＋2e－＋2H 2谷氨酸

转氨酶 合成

谷氨酸＋17酮酸 17中氨基酸 蛋白质

3. 酰胺的形成及意义

形成：NH3 ＋谷氨酸 酰胺合成酶 谷氨酰胺

天门冬氨酸 ATP 天门冬酰胺