土壤氮素循环模型及其模拟研究进展
*
唐国勇
1,2
黄道友1 童成立
1**
张文菊
1,3
吴金水
1
(1中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态重点实验室,长沙410125;2中国科学院研究生院,北京100039;3
华中农业大学资源环境学院,武汉430070)
摘要 N 既是植物必需的营养元素,又是造成环境污染的重要元素.正确模拟土壤中N 循环已经成为科学家共同关注的热点问题.简述了土壤N 循环的基本过程,重点介绍了13种土壤N 循环模型和6个土壤N 循环过程的模拟,并讨论了模拟中存在的参数化问题.
关键词 土壤N N 循环 模型 模拟
文章编号 1001-9332(2005)11-2208-05 中图分类号 S153.6 文献标识码 A
Research advances in soil nitrogen cycling models and their simulation.T AN G Guo yong 1,2,HU AN G Daoyou 1,T ON G Cheng li 1,ZHA NG Wenju 1,3,WU Jinshui 1(1Key L abor ator y of S ubtr op ical A gro ecology ,I nstitute of Subtrop ical A gr icultur e,Chinese A cademy of Sciences,Changsha 410125,China;2Gr aduate School of Chinese A cademy of Sciences ,Beij ing 100039,China;3College of Resources and Env ironment,H uaz hong A gricultural Univer sity ,W uhan 430070,China). Chin.J.A p pl.Ecol .,2005,16(11):2208~2212.
N itrogen is one of the necessary nutrients for plant,and also a pr imar y element leading to environmental pollu tion.M any researches hav e been concerned about t he contr ibution of agr icultur al act ivities to env ironmental pollu tion by nitrogenous compounds,and the focus is how to simulate soil nitrog en cycling pr ocesses correctly.In this paper,the pr imary soil nitro gen cycling processes were rev iewed in brief,w ith 13cycling models and 6simulated cycling processes introduced,and t he parameterization o f models discussed.Key words Soil nitro gen,Nitro gen cycle,M odel,Simulation.
*中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3 S W 426)、国家
自然科学基金重点项目(40235057)和国家重点基础研究发展资助项目(2002CB412503).**通讯联系人.
2005-01-10收稿,2005-05-08接受.
1 引 言
N 是植物必需的营养元素,也是评价土壤质量和土地生产力的重要指标.为了获得高产,需要施用大量的氮肥.据统计[32],仅1996年全世界氮肥(折纯N)使用总量就高达8 50!107t,但N 累积利用率不高.据估计,施入土壤中的N 大约有35%通过各种途径损失掉[6,32].此外,氮肥的使用还可能造成环境污染,诸如温室气体(主要是氮氧化物)和致酸雨气体(氨气)的排放、地下水硝酸盐超标、水体富营养化等[20].如2000年,比利时80%的饮用水中硝酸盐含量超标[10].目前,土壤N 循环的研究已经成为土壤学家、环境学家、农学家等共同关注的热点问题之一.
土壤N 循环是N 生物地球化学循环中的重要环节,其模拟是作物估产、环境评价、农田管理、决策制定和长期预测的重要依据,对提高氮肥利用率、防止或减轻环境污染具有重要的理论和实践意义.20世纪60年代,就有基于单个过程的土壤N 循环方面的报道[25,28].40多年来,北美和欧洲一些国家建立了大量的土壤N 循环模型.我国在这方面研究还比较薄弱[3,15,24].本文拟通过简要概述土壤N 循环过程,重点介绍13种土壤N 循环模型和6个土壤N 循环过程的模拟,并讨论模型模拟中的参数化问题,以期为深入研究土壤N 循环及其模拟提供一定的参考和借鉴.
2 土壤N 循环的基本过程
土壤中含N 化合物种类多,理化、生物学性质各异.一般可将土壤中N 划分为有机氮和无机氮,以有机氮为主.在土壤微生物等因子的作用下,N 在土壤中发生一系列复杂的循环.主要循环过程有:有机氮矿化、腐殖化、硝化、反硝化、氨挥发、N 沉降、硝酸盐淋失、生物固氮、铵离子晶格固定和释放、土壤粘粒吸附和解吸、植物吸收等过程.土壤N 循环过程的研究是建立土壤N 循环模型以及N 生物地球化学循环模型的基础.
3 土壤N 循环模型的研究概况
目前,农业中数学模型并无统一的分类,可从不同角度进行划分.根据建模的方法可分为经验模型和机理模型;从土壤有机氮角度可分为单组分和多组分模型;从模拟循环过程的数目方面可分为单过程和多过程模型;此外,根据模型模拟的元素也可分为独立N 模型和综合模型的N 子模型.
经验模型通常依据实验测定或调查的N 循环分量与气
应用生态学报 2005年11月 第16卷 第11期 CHIN ESE JO UR NAL OF A PPL IED ECOLO GY,Nov.2005,16(11)?2208~2212
候因子等已知环境变量间的数据关系,采用统计方法,通过曲线拟合建立方程,以此进行外推,如Shaffer等[29]建立的NT RM.该模型主要用于评估土壤侵蚀对土地生产力、植物竞争、作物产量和水质的影响,较详细地模拟了水分和化学物质运移、作物生长、根系发展、田间管理效应、土壤C和N 动态、径流、土壤化学平衡等方面.本模型受美国农业部大平原系统研究单位支持和推广应用.在模拟N动态方面,该模型只适用于小时空尺度内N循环过程的定量研究,主要包括对矿化、腐殖化、硝化、尿素水解、植物吸收等过程的模拟.模型运行所需的参数较少,主要参数有土壤温度、土壤氧气含量、土壤水分含量、土壤pH值等.在N T RM模型的基础上,经过参数调整、修正和部分理论推导,发展成为N LEAP 和RZWQ M等机理模型,但土壤N硝化反应由最初的回归方程演变成机理的半阶方程[7,29].一般经验模型所需的参数较少,使用比较方便,应用较为广泛,但不能准确地反映土壤N的长期动态,有较强的地域性.机理模型则从N循环机理着手,研究各种环境因子对N循环过程的影响机理,如由英国洛桑试验站开发的SU NDIA L模型[2].该模型主要用于评估农业N循环对环境的影响.模型运行以周为步长,经过洛桑实验站长达150年定位试验的检验,证明该模型能较好地预测土壤中N长期动态,不适用于模拟土壤短期(1个月内) N动态.模型主要模拟了矿化、腐殖化、硝化、反硝化、氨挥发、植物吸收、硝酸盐淋失等过程.但氨挥发过程只模拟了肥料表施和衰老植物组分中氨的挥发,硝酸盐淋失也只模拟硝酸盐淋失至深层地下水这一过程.在有机N矿化过程中,该模型考虑了粘粒含量对矿化速率的影响.模型运行所需的参数主要包括周平均气温、田间最大持水量、最大有效持水量、土壤粘粒含量、基质组分中的C/N、各过程反应速率常数、作物目标产量等.通常机理模型理论性强,延展性好,可用于模拟土壤N长期动态,但模型运行所需参数较多,要求建模者对整个N循环过程都有深入的研究.早期土壤N模型以经验模型为主,近期则多为机理模型.
单过程模型只考虑N循环中某一过程.国内N循环模型主要为单过程模型.多过程模型研究两个或多个N循环过程以及这些过程的相互关系.N循环过程多在土壤微生物驱动下进行,而微生物活动又依赖于土壤有机碳(作为微生物能源物质)的供应.因此,大多数N模型以C/N联合模型而存在,甚至是生态系统物质循环综合模型的子模型,如CERESN子模型、CENT U RY N子模型等.
在N循环过程模型中,通常以零级动力学方程、一级动力学方程或米氏方程等作为模型的数学基础,根据N循环过程的影响因子,对模型进行调整和修正.零级动力学方程的微分形式可表示为:
d y t/d t=-k0(1)一级动力学方程的微分形式可表示为:
d y t/d t=-k1y(2)米氏方程的微分形式可表示为:
d y t/d t=-u m y/(K s+Y)(3)其中,k0和k1分别为零级和一级动力学常数,u m为最大转化速度,K s为半饱和常数,d y t/d t为转化速率,Y为某N成分的含量(或浓度).
20世纪60年代后,国际上建立了大量的土壤N模型,特别是随着计算机的广泛应用,土壤N循环模型有了长足的发展.其中影响较大的有:美国的N T RM、N LEAP、NC SO IL、DN DC、EP IC、CERES、CENT U RY、GL EAM S、RZW QM模型;英国的SU N DIAL模型;荷兰的SO IL N模型;丹麦的DAISY模型以及德国的CAN DY模型.这些模型各有其长处和不足,已有文献对此进行了介绍和比较[9,21,24],本文仅对这13种N循环模型进行简要的介绍(表1).
4 土壤N循环过程模型模拟
4 1 矿化和腐殖化过程
大多数土壤N循环模型用一级动力学方程模拟土壤有机N的净矿化或净腐殖化.在N CSO IL模型[23]中,土壤基质按C/N和土壤有机质半减期(half life)分为4个组分(残体库、微生物库、中间库和稳定腐殖质库),每个库又分为易分解和难分解两部分,每组分有机N的矿化用一级动力学方程模拟,其微分形式为:
d C/d t=min(f T,f W) N[S L k L C+(1-S L)h R C](4)其中,C是土壤基质碳含量,S L和(1-S L)分别为基质中易分解和难分解部分含量,k L和h R分别为相应的分解速率常数,f T和f W分别为温度和水分对矿化的影响因子, N为基于C/N的降低因子.土壤N净矿化或净腐殖化取决于基质残体库和微生物库C/N[23].各组分的分解速率常数、土壤温度、土壤最大持水量、基质C/N、基质中易分解与难分解比例、耕作措施等参数是模型运行所必需的,如耕作能提高土壤基质中间库易分解部分的比例[23].
影响矿化和腐殖化过程的因子很多,模型大多模拟了土壤温度、土壤含水量(或土水势)、土壤通气状况、土壤有机碳含量和土壤C/N对该过程的影响[1,2,7,9,13,14,26],也有模型考虑了土壤微生物量[22,26,33,35]、碳磷比[11,35]、土壤容重[35]、土壤质地[26]、土壤离子强度[26]、木质素含量[26]等可能影响该过程的因子.
4 2 硝化过程
硝化过程可用零级、一级或米氏方程进行模拟.在N T RM模型中,最初用经验的回归方程表示硝化速率[7]: K=a+bT C NH
4
+c log10C NH
3
+dlo g10C NO
3
(5)其中,K为硝化反应速率,a、b、c、d均为常数,其值分别为
4 64、1 62!10-3、0 238和-2 51,T为土壤温度,C NH
4
为土壤铵态氮含量,C NO
3
为基质硝态氮含量.经过修正,Shaffer 等[28]用机理性的半阶方程来表示硝化速率:
d(NH4)/d t=[k1/2(NH4)1/2O2ex p(E a/k b T s)]/H+(6)
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11期 唐国勇等:土壤氮素循环模型及其模拟研究进展
表1 13个土壤N循环模型简介
Table1Introduction to13s oil nitrogen cycling models
模 型M odels模型简要描述Description of models
NT RM该模型为经验模型,主要用于评估土壤侵蚀对土壤生产力、植物竞争、作物产量和水质的影响.该模型没有模拟环境因子等对N循环过程的影响,只适用于小时空尺度内N循环过程的定量研究.该模型未将土壤有机N进行分
组,用回归方法建立了矿化过程、腐殖化过程、硝化过程、尿素水解、硝酸盐淋失过程的方程;植物吸收N与吸水
量成线性关系[7,29]
NLEAP该模型可模拟硝酸盐的淋失,用于评估水质,能与GIS结合.该模型以天为步长,适用于有机N中长期模拟预测.
模型将土壤有机N分为3个组分库,其中矿化、腐殖化、反硝化、氨挥发、硝酸盐淋失过程用一级动力学方程模
拟;用logistic曲线模拟作物吸N量;用零级动力学方程模拟硝化过程[30]
S UNDIAL该模型主要用于评估土壤N循环对环境的影响.模型运行以周为步长,适用于土壤中长期N的预测.将土壤有机N分为3个组分库,用一级动力学方程模拟矿化过程、腐殖化过程、硝化过程;用土壤有机质分解产生CO2量的
线性方程表示反硝化过程;氨气挥发量与铵态肥施入量呈线性关系;植物吸收过程用植物目标含N量表示[2]
S OILN该模型主要用于评估施用N对环境的影响.早期版本中将土壤有机氮分为3个组分库.用一级动力学方程模拟矿化、腐殖化、硝化过程;用零级动力学方程模拟反硝化过程;用logistic曲线模拟植物吸N量,并模拟氨挥发过程
和硝酸盐淋失过程[17]
DAISY该模型主要用于评估农家肥、泥浆等含N化合物的施用对环境的影响[14,36].该模型以日为步长,适用于短期土壤N动态的模拟.早期版本中并未对土壤有机氮进行分组[14],新版本中将有机N分为6个库[36].用一级动力学方
程模拟矿化和腐殖化过程;用米氏方程模拟硝化过程;植物吸N量取决于植物潜在需求和土壤供应量;也简单地
模拟了硝酸盐淋失过程[14,16]
CANDY该模型主要用于6类含N有机化合物的施用对环境的影响.模型中将土壤有机氮分为3个组分库,矿化过程、腐殖化过程用一级动力学方程模拟;反硝化过程与硝酸根浓度和有机碳量成比例;也简单地模拟了氨气挥发情况;
硝化过程用米氏方程模拟[8]
DNDC该模型用于模拟土壤C、N动态和痕量气体的排放.该模型将土壤有机氮分为3个组分库,跟踪有机碳、氮的逐级降解;由降解作用产生的可给态C、N,被输入硝化、脱氮及发酵子模型中,进而模拟有关微生物的活动及其代谢
产物,包括几种温室气体的排放[19]
NCSOIL该模型用于模拟土壤C、N循环,与其它模型不同的是在研究N循环机制中,该模型能同时模拟标记N和非标记N的去向.模型将土壤有机氮分成4个组分库.用米氏方程模拟矿化和腐殖化过程;用零级动力学曲线模拟硝化
过程、反硝化过程;用logistic曲线模拟作物生长[23]
CERES该模型由一系列作物生长子模型构成,各子模型中的概念、模拟方法和影响因子相同.主要用来模拟作物的生长及其与之有关的过程.模型中将土壤有机氮分为腐殖质库和新鲜有机残体库.矿化和腐殖化、反硝化、氨挥发过程
用一级动力学方程模拟;硝化过程用米氏方程模拟;模型详细地模拟作物对N的吸收过程[13]
CENT URY该模型主要用来模拟生态系统C、N和营养物质长期动态[26,27].早期版本中以月为步长[26],新版本中某些过程以日为步长[27].由于模型运行的步长较长,模型中N子模型部分较简单.矿化和腐殖化过程用一级动力学方程模
拟;植物吸N量取决于植物N需求和土壤N供应;用总矿化N的5%表示氨挥发量[26];在最新版的DAYCENT
模型中,硝化过程和反硝化过程用一级动力学方程模拟[27]
RZW QM该模型主要特色就是能模拟不同农业管理措施及其对水质和作物产量的影响.模型将土壤有机氮分为5个组分库.用包含微生物生长的一级动力学方程模拟矿化和腐殖化过程;用一级动力学曲线模拟反硝化过程、氨挥发过
程;用米氏方程模拟作物吸N量;用零级动力学过程模拟硝化过程;模型详细地模拟了硝酸盐淋失过程[1] GLEAM S该模型主要用于模拟农业管理对地下水负载的影响.模型将土壤有机氮分为3个组分库.矿化和腐殖化过程、反硝化过程、氨挥发过程用一级动力学方程模拟;硝化过程用零级动力学方程模拟;简单地模拟了土壤侵蚀和地表
径流中N的损失[18]
E PIC该模型主要用于评估土壤侵蚀、耕作方式对生产力的影响.土壤有机氮的分组与GLEAM S模型中的分组一样,只
是其中的活性库是估算的,而非直接测定得出.矿化过程、腐殖化过程、硝化过程、反硝化过程、氨挥发过程用一级
动力学方程模拟;植物吸N量取决于植物N需求和土壤N供应;也模拟了土壤侵蚀和地表径流中N的损失[35]
其中,d(NH4)/d t为硝化速率,k1/2为半阶速率常数,E a为化学自由能,k b为波尔茨曼常数,T s为土壤温度,NH4为土壤溶液中铵离子浓度,O2为土壤空气中氧气浓度,H+为基质氢离子浓度.在NT RM模型中,无论使用经验的回归方程还是机理的半阶方程,土壤有机氮均不分组.回归方程中所需的参数只有土壤温度、土壤硝态氮含量和铵态氮含量,而半阶方程中所需的参数包括半阶反应速率常数、土壤铵态氮含量、土壤空气中氧气含量、土壤pH值、土壤温度.
影响硝化过程的因素很多,土壤温度、土壤含水量、通气状况、土壤pH[1,2,7,9,13,14,26]是大多数模型所考虑的主要环境因子.微生物种群动态及活性[1]、硝酸根与铵根浓度比[17]等因素对硝化过程的影响也不容忽视.一些模型考虑了硝化过程中N2O的释放情况,通常用被硝化总N的一定比例来表示N2O释放量[7,11,26].也有模型用氨的相对权重而不是铵离子有效浓度来表示硝化速率[35].此外,硝化抑制剂的使用能显著降低硝化反应速率[18].土壤通气状况是影响硝化过程的决定性因素,常用氧分压的非线性方程来模拟[1,2,7,9,17,26].在通气良好的土壤、土表薄层水体、有氧的根际中硝化作用都比较明显[5].
4 3 反硝化过程
目前反硝化过程的模拟一般采用零级或一级动力学方程,如CER ES模型用一级动力学方程模拟该过程,其一级反硝化速率系数为:
k dnit=6 0!105!C W!T f!W f d!h!N O3(7)其中,k dnit为一级反硝化速率系数,C W为土壤有机质中水提取C浓度( g#g-1),W f d和T f分别为水分和温度影响因子, h为土层厚度.C W、W fd和T f又可表示为:
C W=24 5+0 0031C(8)
T f=0 1!exp(0 046T s)(9) W fd=1 0-(SA T-S W)/(SA T-D UL)(10)其中,C为土壤有机碳含量,SA T为土壤饱和水含量,S W为土壤含水量,D UL为土壤排干时水分含量,T s为土壤温度.该模型认为,只有当土壤含水量超过土壤排干时水分含量的情况下,反硝化反应才发生.在目前众多土壤N循环模型中,
2210
应 用 生 态 学 报 16卷
该模型是为数不多的能用于模拟稻田土壤反硝化作用的模型之一.
多数模型模拟了土壤温度、土壤含水量、厌氧状况、土壤有机质含量(尤其是土壤水溶性C含量)对反硝化过程的影响.有模型也考虑了不同反硝化产物的情况,主要是区分了N2和N2O的不同排放量以及环境因子对N2和N2O排放的影响[2,12,26,29,31].
4 4 氨挥发过程
可用零级或一级动力学方程模拟氨挥发过程,如G LEAM S模型用一级动力学方程表示该过程:
r=C NH
3
exp(-K v t)
其中,r为一级氨挥发速率,C NH
3
为基质中氨浓度,t为时间, K v为速率常数,该常数又可用指数方程表示:K v=0 409!
1 08ATP-20,A TP为气温.但该方程只适用于模拟表施铵态氮肥和厩肥过程中氨气挥发情况.该模型对氨挥发过程的模拟步长为1d,模拟时空尺度较小.
影响氨挥发的因素主要是土壤温度、土壤含水量(或土水势)、氨气压梯度、风速.大多数模型只模拟了这几个主要因素[1,2,13,26,29,35].也有模型考虑了土壤阳离子交换量[2]、土壤表面覆盖[13]、肥料(铵态氮肥和尿素)的施用方式[13]、土层深度[35]等.也有模型用气温代替土温来模拟温度对氨挥发的影响[18].大多数模型认为氨挥发只发生在土表,也有模型认为整个土体中都存在氨挥发[2].
与氨挥发相反,N沉降一般不被建模者所重视.事实上,在正常大气氨浓度下,N沉降中能被植物有效利用的N占植物N需求量的10%左右[16].而在局部高浓度氨的大气中,该机制所占的份额更大,如氮肥厂、化工厂等氨高排放区域[34].
4 5 NH4+的晶格固定和释放过程
土壤NH4+的晶格固定和释放是土壤N有效性研究中一个备受关注的问题.研究者[22,37]认为,NH+4的晶格固定和释放类似于土壤吸附和解吸过程,可用等温吸附方程来描述,如Fr eundlich、Langmuir方程.影响该过程的因素主要包括土壤有机质含量、土壤溶液中NH+4浓度、土壤溶液中钾离子浓度、土壤含水量、土壤矿物种类、土壤粘粒含量等.但这些因素对铵晶格固定和释放过程的影响难以用单值函数描述.如钾离子在低浓度时能促进NH+4的固定,而高浓度时又可能会抑制NH+4的固定[22,37].土壤中蛭石、伊利石、蒙脱石等2?1型层状硅酸盐矿物含量高时,能加强NH+4的晶格固定和释放,也能增加土壤固定NH+4量[4,22,37].NH+4的释放除了与上述因素有关外,最重要的影响因素是NH+4固定的时间.一般可将固定态N H+4分为?新固定的%和?旧固定的%.?新固定的%NH+4较易重新释放,而随固定时间的推移,固定态NH+4就难以再释放出来[4,22,37].目前,对土壤NH4+晶格固定和释放的研究还不够深入,还很难定量模拟环境因子对该过程的影响.
4 6 硝酸盐淋失过程
定量研究硝酸盐的淋失对环境的影响是许多土壤N循环模型建立的主要目的之一,如DAISY、GLEAM S、SO IL N、EP IC、NL EA P、SU N DIAL、CA NDY等模型.硝酸盐淋失过程属于土壤溶质迁移的范畴.在土壤N循环模型中,常用土壤溶质迁移方面的模型或方程来模拟硝酸盐淋失.土壤N循环模型主要应用对流 扩散模型[12]、两区模型[7,26,29]、两流区模型[2]来模拟该过程.硝酸盐淋失与土壤含水量和土壤水分运动关系密切.土壤水分运动包括土壤水分入渗和再分布.土壤水分入渗常用Green Ampt[1,13,26,29]来模拟,而再分布过程用Richards方程[29]来拟合.国内外已有大量文献对硝酸盐淋失过程进行了报道和介绍[3,6,10,17,30,31],故本文不再论述.
5 问题与展望
目前只有较少的土壤N循环模型在田间条件下得到比较充分的验证.其原因之一是模型参数化过程中参数的不确定性,而且这些不确定性对模型影响程度的评估也存在一定的困难.这种不确定性包括3个方面:1)模型参数求算过程的不确定性,尤其是不可直接测量的内部参数,如分解速率常数.这些参数只能通过其他数据资料进行计算.在计算过程中大多需要设定初始值或初始状态,而初始值或初始状态的设定通常是不确定的.2)测定资料的不确定性.土壤、大气中各成分的时空变异性很大,而由于测量技术和实验仪器的限制,测定的数据并不能完全反映这种变异性.由于测定资料的不准确,通过逐级放大作用,最终影响参数的准确性.3)过程间相互作用的不确定性.影响土壤N动态的因素很多,模型并不可能考虑所有的影响因素,有时只能用?黑箱%表示,而且N过程间也存在着相互作用.此外,土壤N循环模拟是基于单个过程的,缺乏系统性.因此,对用户来说,好的模型最重要的要素就是:模型能一步一步地指导用户如何获取模型参数.
近年来,土壤N循环模型出现了两个大的发展趋势,即理论模型趋于复杂化、细微化,应用模型趋于简单化,易于用户使用.
从理论研究方面来看,土壤N循环模型将更加突出系统性,强调各过程间的相互联系.从应用方面来看,?3S%(地理信息系统GI S,全球定位系统GPS,遥感RS)技术与土壤N 循环模型相结合将是土壤N循环模型发展的趋势.目前已有较多的模型和GIS系统相结合,如CERES G IS,NL EAP GIS,RZW QM G IS,且CER ES和RZW QM已形成专家系统.
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作者简介 唐国勇,男,1980年生,硕士研究生.主要从事土壤养分循环及模拟研究,发表论文2篇.E mail:tangguoy@ https://www.doczj.com/doc/8113463664.html,.
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应 用 生 态 学 报 16卷
土壤氮素的形态及其转化 过程 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
土壤氮素的形态及其转化过程 摘要：氮是植物生长发育所必需的大量元素，对植物的产量和品质影响很大。土壤中氮素的形态及其转化过程和结果则直接决定了氮对植物生长的有效性的大小，了解土壤中氮素存在的形态和其转化过程，对于科学合理经济的肥料施用具有现实的启示作用。 关键词：氮素；形态；转化过程 土壤中氮素的含量受自然因素和人为因素的双重影响，较高的氮素含量表明土壤肥力也较高。自然条件下，土壤没有受到人为因素的影响，有机质日积月累，土壤中氮的含量也较高。耕地土壤氮素含量及转化过程则更强烈的受到人为耕作、施肥、不同作物等因素的影响，因而相对表现的复杂一些。 一、土壤中氮素的形态 1.无机态氮 无机态氮包括固定态NH4+、交换性NH4+、土壤溶液中的NH4+、硝态氮（NO3-）、亚硝态氮等，这其中以NH4+离子和NO3-离子最容易被植物吸收利用，农业生产中常常用到的碱解氮，也叫水解氮或速效氮，就属于无机态氮中的一部分。无机态氮并不是全部都能被植物所直接吸收利用，它们中的大部分是被粘土矿物晶层所固定了的固定态铵，不能作为速效氮存在。固定态铵只有在土壤中经过相
应的转化，转化为铵离子或硝酸离子、硝酸盐类的含氮物，才能为作物利用。 2.有机态氮 有机态氮构成了土壤全氮的绝大部分。它们与有机质或粘土矿物相结合，或与多价阳离子形成复合体。有机态氮大都难以分解，并不能为作物所直接吸收利用。但有机态氮的含量高低依然是衡量土壤肥力高低的重要指标，有机态氮的含量高，可被转化的氮素水平也相应的高，其作为植物氮素营养‘库’的存在是有很大的作用的。 二、土壤中氮素的转化过程 1.氮素的矿化与生物固持作用 氮素的矿化作用，简单的说就是有机态的、不易分解的氮素及含氮化合物在土壤中微生物的参与下分解转化为无机态氮的过程，是一个氮的速效化的过程，也是一个可利用氮素增加的过程。氮的固持作用，就是土壤中的无机态氮在土壤微生物的作用下转化为细胞体中有机态氮的过程，其对于农业生产上的实质就是可利用的速效氮的减少过程。 2.铵离子的固定与释放 铵离子的固定，其实质就是土壤溶液中的能自由移动的、可交换的铵离子被土壤胶体所吸附，变成不可交换的铵离子的过程，固定了的铵离子不能再被交换到土壤溶液
土壤中的氮素及其转化 1.土壤中氮素的来源和含量 1.1 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NO3—N。 1.2 含量 我国耕地土壤全氮含量为0.04%~0.35%之间，与土壤有机质含量呈正相关。 2. 土壤中氮素的形态 3. 土壤中氮素的转化 3.1 有机氮的矿化作用 定义：在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解形成氨的过程。 过程：有机氮氨基酸NH4＋-N＋有机酸 结果：生成NH4＋-N（使土壤中有机态的氮有效化）
3.2 土壤粘土矿物对NH4＋的固定 定义：①吸附固定（土壤胶体吸附）：由于土壤粘土矿物表面所带负电荷而引起的对NH4＋的吸附作用 ②晶格固定（粘土矿物固定）：NH4＋进入2:1型膨胀性粘土矿物的晶层间而被固定的作用 过程： 结果：减缓NH4＋的供应程度（优点？缺点？） 3.3氨的挥发 定义：在中性或碱性条件下，土壤中的NH4＋转化为NH3而挥发的过程 过程： 结果：造成氮素损失 3.4硝化作用 定义：通气良好条件下，土壤中的NH4＋在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象 过程： 结果：形成NO3--N 利：为喜硝植物提供氮素 弊：易随水流失和发生反硝化作用 3.5无机氮的生物固定 定义：土壤中的铵态氮和硝态氮被植物体或者微生物同化为其躯体的组成成分而被暂时固定的现象。 过程： 结果：减缓氮的供应，可减少氮素的损失 3.6反硝化作用
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 过程： 结果：造成氮素的气态挥发损失，并污染大气 3.7硝酸盐的淋洗损失 NO3-不能被土壤胶体吸附，过多的硝态氮容易随降水或灌溉水流失。 结果：氮素损失，并污染水体 4. 小结：土壤有效氮增加和减少的途径 增加途径：①施肥(有机肥、化肥)；②氨化作用；③硝化作用(喜硝作物)；④生物固氮；⑤雷电降雨 降低途径：①植物吸收带走；②氨的挥发损失；③硝化作用(喜铵作物)；④反硝化作用；⑤硝酸盐淋失；⑥生物和吸附固定(暂时) 氮肥的种类、性质和施用 氮肥的种类很多，根据氮肥中氮素的形态，常用的氮肥一般可分为三大类。 ①铵态氮肥，如氨水、硫酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等；②硝态氮肥，如硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾等；③酰胺态氮肥，如尿素。另外还有一类不同于以上的是长效氮肥（缓释/控释氮肥），如合成有机肥料（脲甲醛，脲乙醛等）和包膜肥料等。 1.铵态氮肥 共同性质：①易溶于水，易被作物吸收；②易被土壤胶体吸附和固定；③可发生硝化作用；④碱性环境中氨易挥发。
森林土壤氮素研究进展 摘要氮素是林木生长所必需的大量营养元素之一，也是林木生长最重要的养分限制因子。土壤氮素是林木吸取氮素的主要来源。文章从氮素的化学结构、空间变异特征、氮沉降以及氮素矿化特征等方面土对土壤氮素的研究进展进行了综述。并展望了今后土壤氮素的研究方向。 关键词化学机构；有机氮；变异特征；矿化；氮沉降 1土壤中氮的含量和氮的形态 土壤中氮的含量范围为0.02％—0.05％，表层土壤和心底土壤的含氮量相差很大。心底土含氮量一般在0.1％以下，甚至只有0.02％；而表土的含氮量比较高，耕地土壤表层含氮量一般为0.05—0.3％，少数肥沃的耕地、草原、林地的表层土壤甚至可以达到0.5—0.6％以上，而冲刷严重、贫瘠的荒地表层土则可低至0.05％以下。有机质土壤的含氮量较矿质土高，如腐泥土、泥炭土等的含氮量可以高达1—3.5％，当然，也有一些高位泥炭土含氮量在1％以下。但是总的情况是含有机质高的土壤，其含氮量也比较高，两者有着密切的关系[1]。 在陆地生态系统中的氮以不同的形态存在于大气圈、岩石圈、生物圈、和水圈，并在各圈层之间相互转换，大气中氮以分子态氮（N2）和各种氮氧化物（NO2、N2O、NO等）形式存在。其中生物不能吸收利用的惰性氮气（N2）占大气体积的78％，它们在微生物作用下通过同化作用或物理、化学作用进入土壤，转换为土壤和水体的生物有效氮—铵态氮（NH4-N）和硝态氮（NO3-N)[2]。 氮在土壤中以无机氮和有机氮形态存在，有机氮是土壤氮素的主要组成成分，占土壤总氮的90％左右[3]。氮素的化学机构与供氮能力有关，我国研究学者通过先进化学仪器，初步查明，腐殖物质中氮素约70％以上以酰胺态氮存在，脂肪和杂环态氮均各占15％以下，杂环态氮主要是吲哚和吡咯类，吡啶类没有或者数量甚少。非酸解氮中，部分可能为抗酸解的酰胺[4—5]。 传统上，人们一直认为植物只能吸收无机态氮素，而不能吸收有机态氮，土壤中的有机态氮必须经土壤微生物矿化为无机态氮后才能被植物吸收。然而研究发现，在高寒苔原及北方森林生态系统中，无机氮含量少，既植物氮摄取量远高于土壤无机氮，这表明其他氮源为植物营养也很重要[20]。报道称生长在苔草的莎草科(Cyperaceae)植物白毛羊胡子草(Eriophorum vaginatum)可以迅速吸收游离氨基酸，它吸收的氮至少60％来自氨基酸[3]。 2土壤中氮的空间变异特征 森林生态系统中,在垂直尺度上，全氮和碱解氮在不同层次土壤中，存在明显差异性。一般而言，自表层至下层，含量依次下降。就碱解氮，A层土壤变异系数明显高于B、C层[6-7]。 由于森林演替和植被类型植被干扰程度及地形等多重因素的影响，森林土壤全氮及碳氮比在空间的分布有着明显的变异特征。演替过程中，有机氮，全氮其平均值随生态系统由人工林、次生演替早起林、次生演替中后期林顺向演替，平均值先增加后减少[8]。 人工林土壤全氮异质性相对较低，空间分布较次生林更趋于均匀化。次生林则表现出较强的空间自相关变异性[8]。 不同森林类型土壤全氮，有效氮质量分数均表现出阔叶林中明显高于针叶林。土壤全氮在针阔混交林中变异强度最大，但变异的空间相关性较差，而在阔叶和针叶纯林中变异强度有所下降，但是变异的空间相关性较好[9]。土壤氮素空间异质性的产生受多个环境因子的影响[10]。当然土壤资源的异质性特征也可导致森林空间分布异质性及格局产生，同时，树木的
农业生态系统碳循环研究 摘要：在人们对温室效应理解不断加深的同时，全球碳循环的研究也随着技术的进步不断深入。与人类生产生活关系最密切的是陆地生态系统碳循环研究，而农业生态系统碳循环研究是其中最为重要的一部分。经过国内外研究者的努力，已对农业生态系统碳源/汇效益、碳循环影响因素、模拟模型、碳通量及农业生态系统对全球变暖的响应等诸多研究内容取得极为重要的成果。但在一些问题上尚存在不小争议，对一些过程尚不能清楚认识，对一些因素尚不能准确联系。 关键词：农业生态系统；碳循环；低碳农业； 近百年来，全球变暖已成为不争事实，温度的上升对整个地球环境和人类生产生活产生了巨大的影响，产生了一系列严重的和不可逆转的后果：草原和荒漠面积增加，森林面积减少；热带扩展，副热带、暖热带和寒带缩小，寒温带略有增加；农业的种植决策、品种布局和品种改良、土地利用、农业投入和技术改进等受到影响；加剧了目前日趋紧张的水资源问题；改变了区域降水、蒸发分布状况；引发环境问题，增加了对人类及其生存环境的压力[1]。 随着全球气候变化研究的不断深入，对全球气候变暖形成原因的理解也产生了一些分歧：一部分人认为人类改造自然的活动是全球气候变暖的主要原因；另一部分人认为全球气候变暖是气候周期性变化的结果，太阳活动和火山活动是变化的主要原因，而人类活动不是决定性原因。但不论全球气候变暖的主要原因是什么，人类活动对整个地球系统产生的巨大影响不容忽视，人类活动排放出以CO2为主的温室气体引起了全球碳循环的变化，而这一变化又进一步影响到全球气候的变化，产生不利于人类生存及发展的变化。碳循环研究在此种局势下显示出极为重要的意义。 根据Falkowski研究结果表明，陆地生态系统蓄积了总量大约为2 000 Gt(1Gt=1×1015g)的碳[2]。尽管相较于岩石圈＞60 000 000Gt和海洋38 400Gt的碳量，陆地生态系统蓄积的碳量十分微弱，但是人类主要的生产生活空间位于陆地上，人类的行为最直接的影响陆地生态系统，且产生的影响最大，使得这部分碳储量的变化体现出非同一般的可变性和极为显著的重要性。土壤碳库是温室气体重要的释放源，也是重要的吸收汇[3]。正因为人类活动的强烈影响，可以说全球碳循环中最大不确定性主要来自陆地生态系统。陆地生态系统碳循环过程可以解释为：植物通过光合作用将大气中的CO2吸收存于植物体内，形成有机化合物并固定起来，而后一部分有机物在植物的呼吸作用和土壤及枯枝落叶层中有机质腐烂过程中返回大气。这样的一个循环过程就形成了大气-陆地植被-土壤-大气整个陆地生态系统的碳循环[4]。 在人类活动中，农业生产对陆地生态系统起了巨大的影响，农业生产不仅改变了原有的土地利用方式，改变了原有植被种类，甚至改变了土壤类型，并因这些改变对原有碳循环产生了极为重要的影响。1850-1990年期间，土地利用变化造成的CO2排放量约为124Gt，而其中贡献最大的是农业的扩张。在农业活动中，耕地所造成的总净通量约占68％，牧草占13％，迁移农业占4％。人类活动已经强烈改变了原有的全球碳循环模式[5]。 1. 农业生态系统碳源？碳汇？ 农业生态系统是碳汇还是碳源，这是首先需要回答的问题。 农业生态既可以是碳汇，也可以是碳源。农业碳排放主要源于农业废弃物、肠道发酵、粪便管理、农业能源利用、稻田以及生物燃烧。而农业生态系统的碳主要固定在作物和土壤中。农田生态系统中，农田管理措施、土壤性质是影响土壤有机碳固定、转化及释放的主要因素，同时还受土地利用方式、植物品种、气候变化等多种因素影响[3]。不同的农业生态系统因自身特点呈现出不同的碳通量，同一农业系统因管理方式或利用方式不同，甚至可以
亚热带盐沼湿地土壤氮循环关键过程对全球变化的响应
摘要 河口盐沼湿地受到了陆地和海洋相互作用的影响，可以认为是生物活动较为活跃的地区，同时也是地球化学过程最为活跃的地区，对人类和社会有着重要的影响。氮在大气组分占78%，是大气圈中最丰富的元素，其在环境介质中的含量会直接影响到周围生物的生长。由于目前大量的人为输入氮源对河口的盐沼湿地已经产生了巨大的影响，河口地带出现赤潮、河口溶解氧含量锐减,以及大量的温室气体从河口溢出等环境效应。本研究以福州闽江河口盐沼湿地为研究对象，充分的研究了土壤氮循环的关键过程对全球变化的响应，通过野外采集、实验室模拟的方式，定量的研究了闽江河口盐沼湿地土壤-水体界面的氮循环过程，分别研究了盐入侵、植物入侵、酸沉降和盐沼湿地改为养虾塘后，土壤中硝化、反硝化和矿化作用的变化情况，探讨了氮在河口湿地的变化，及其在河口湿地扮演的重要角色。主要得到的研究结果如下： 1、植物入侵对氮循环的影响 无机氮和总氮：（1）互花米草入侵改变了土壤NO3--N含量在不同土层含量，可显著降低土壤的NO3--N含量，但整体增加了土壤的NH4+-N含量。（2）互花米草不同入侵过程土壤TC、TN含量以及C/N比的垂直变化特征均比较一致，入侵整体增加了土壤的碳氮含量和C/N比和土壤的碳氮储量。（3）闽江口互花米草入侵对短叶茳芏湿地土壤碳氮含量的影响相对于江苏盐城、长江口以及杭州湾湿地的影响可能更为显著，主要与其对闽江口湿地植物群落格局、养分生物循环以及强促淤作用引起的土壤颗粒组成等的显著改变有关。互花米草入侵亦改变了土壤中陆源和海源有机质的来源比例，使得入侵后湿地土壤养分的自源性增强。 硝化和反硝化：（1）闽江河口湿地土壤的反硝化速率远高于硝化速率，且呈现明显的季节变化，夏季的硝化-反硝化作用最强。不同季节条件下，土壤硝化-反硝化速率由大到小顺序，硝化速率：夏季>春季>秋季>冬季，反硝化速率：夏季>秋季>冬季>春季；按不同植被类型下土壤硝化-反硝化速率由大到小顺序，硝化速率：入侵边缘>互花米草>短叶茳芏，反硝化速率：互花米草>交汇处>短叶茳芏。（2）闽江河口湿地不同植被类型下沉积物-水界面N2O交换通量呈现明显的季节变化。土著物种短叶茳芏的土壤仅春季对上覆水N2O有微量吸收，夏、秋两季均对水体释放N2O，表现为水体中N2O的净源；由于互花米草的入侵，入侵边缘的土壤为春季释放N2O，而夏、秋两季土壤均吸收N2O，与土著物种短叶茳芏完全相反；互花米草入侵成功后的土壤，其夏季的沉积物-水界面N2O交换通量达到最大，表现为向水体释放较多的N2O，而其春、秋两季都为吸收N2O，但吸收总量小于释放量。（3）闽江口湿地互花米草入侵后，增强了土壤的硝化-反硝化作用，促进了N2O对大气的释放。
稻田土壤氮素流失机制研究 摘要：本文通过查阅大量文献，总结了稻田土壤中氮素流失的过程机制和影响因素，并进一步探究了抑制或减缓稻田土壤氮素流失的方法，为稻田氮素流失的相关研究提供基础资料。 关键词：稻田；氮素流失；机制 Study on the mechanism of soil nitrogen losing in paddy field Abstract:Through consulting a large number of documents, this article summarizes the process of soil nitrogen losing mechanism and the influencing factors in the paddy fields, then explore the methods to inhibit or slow the nitrogen losing in the paddy fields; the goal is to providing a basic material for related research. Key words: paddy field; nitrogen losing; mechanism 氮素是动植物生长所需的主要元素。土壤中氮素的丰缺及供给状况直接影响着农作物的生长水平[1]。随着世界人口的日益增加, 对粮食的需求量也越来越大, 该元素在维持农业系统的可持续性和经济活力中扮演着重要的角色。由于其易于以气体形式挥发, 易于淋失和迁移, 因此氮素会大量流失, 进而影响水和空气的质量[2]。 为提高土壤的氮素水平，人们在农业生产中广泛使用大量的氮素化肥。目前中国已成为世界上氮肥年用量最多的国家之一[3]，单位面积的施用量也高于世界平均水平。由于施肥方法或农业管理措施不当，导致氮素损失加剧[4]，严重影响了氮肥利用率，中国氮肥利用率仅为30% ～50%[5]。研究表明，农田中氮素损失的途径主要包括：氨的挥发、反硝化脱氮、铵的固定、径流冲刷和硝态氮的淋失等。其中，硝态氮的淋失是损失的重要方面[6]，淋失量可达5%～41.9%[7]。 水稻是我国南方的主要粮食作物之一, 同时也是消耗氮素较多, 流失
森林生态系统土壤碳库与碳吸存对氮沉降的响应 1引言 近几十年来石化燃料燃烧、化肥使用及畜牧业发展等向大气中排放的含氮化合物激增并引起大气 N 沉降成比例增加。并且全球 N 沉降水平预计在未来 25 a 内会加倍，目前人类对全球 N 循环的干扰已经远远超过对地球上其它主要生物地球化学循环的影响。从 20 世纪 80 年代起，欧洲和北美的生态学家就开始在温带森林开展了 N 沉降对森林结构和功能影响的研究。目前，N 沉降研究已成为国际上生态和环境研究的热点内容之一。 土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的贮库，并且是其中非常活跃的部分[10]。全球约有 1.4×1018 ~ 1.5×1018g 碳是以有机质形态储存于地球土壤中，是陆地植被碳库（0.5×1018 ~ 0.6×1018 g）的 2 ~ 3 倍，是大气碳库（0.7×1018 g）的 2 倍[10]。土壤碳库在维持全球碳平衡中的巨大作用使土壤碳库对人类活动的响应已成为国内外研究的热点[11]。由于土壤碳库巨大，它的波动对大气 CO2 浓度产生重要的影响。同时，增加土壤有机碳存储可有效促进陆地生态系统对大气 CO2 固定和延缓温室效应。土壤碳周转速率慢，受各种干扰影响小，能维持较长时期的碳储藏。影响森林生态系统土壤碳库的因素很多，如森林的采伐、开垦、火烧以及在全球变化背景下的全球变暖、UVB 辐射增强、N 沉降等，在这些方面已相继展开了大量研究。目前国内外对土壤碳库的研究多是针对当前环境下某种生态系统的土壤碳含量、碳储量的估算，不能很好的预测全球环境变化对土壤碳库的影响。大气 N 沉降借助其对凋落物分解和土壤呼吸的直接或间接作用，极大地影响了生态系统土壤碳蓄积过程，并且大部分沉降到森林生态系统中的 N 都被固定在土壤中，直接与土壤碳库相互作用[17]。全球存在 116PgC/yr 的碳失汇，部分是由于大气中 N 沉降增加及其与碳循环相互作用的结果[18]。所以深入探讨大气 N 沉降对土壤碳库的影响具有重要的价值，已经成为 2006 年 IGBP 计划第二期中陆地生态系统与大气过程相互作用的研究重点。虽然国内已有了很多关于 N 沉降对凋落物分解和土壤呼吸、根系周转方面的论述，但全面反映N 沉降对土壤碳库影响的研究尚未见报道。本文对国内外在土壤碳库如凋落物分解、土壤呼吸、根系周转等方面对 N 沉降响应的研究进展进行了综述，为进一步开展相关研究作参考。
[强化训练] 一、选择题： 1、起固定氮作用的化学反应是（） A、N 2与H 2 在一定条件下合成NH 3 B、NO与O 2 反应生成NO C、NH 3被O 2 氧化成NO和H 2 O D、由NH 3 制备化肥NH 4 HCO 3 2、Murad等三位教授最早提出NO分子在人体内有独特功能，近年来此领域研究有很大进展，因此这三位教授荣获了1998年诺贝尔医学及生理学奖。关于NO的下列叙述不正确的是（） A、NO可以是某些含低价N物质氧化而来的产物 B、NO不溶于水 C、NO可以是某些含高价N物质还原而来的产物 D、NO是红棕色气体 3、将盛有氮气和二氧化氮（假设无N 2O 4 ）混合气体的试管倒立于水中，经过足够长时间后， 试管内气体的体积缩小为原来的一半，则原混合气体中氮气与二氧化氮的体积比是（） A、1：1 B、1：2 C、1：3 D、3：1 4、发射卫星的运载火箭，其推进剂引然后发生剧烈反应，产生大量高温气体从火箭尾部喷 出。引然后产生的高温气体主要是CO 2、H 2 O、N 2 、NO，这些气体均为无色，但在卫星发射现 场看到火箭喷出大量红烟，产生红烟的原因是（） A、高温下N 2遇空气生成NO 2 B、CO 2 与NO反应生成CO和NO 2 C、NO遇空气生成NO 2 D、NO和H 2 O反应生成H 2 和NO 2 5、现在城市每日空气质量报告中涉及的污染物主要指的是（） A、SO 3、NO 2 、尘埃 B、CO、NO 2 、尘埃 C、SO 2、NO、可吸入颗粒物 D、SO 2 、NO 2 、可吸入颗粒物 6、下列叙述的内容与光化学烟雾无关的是（） A、引起大气污染的氮氧化物主要是NO、NO 2 B、化石燃料的燃烧产生CO和粉尘污染大气 C、汽车尾气是城市大气中氮氧化物的主要来源之一 D、氮氧化物和碳氢化合物受太阳紫外线作用，发生光化学反应产生的有毒物质混合在一起形成浅蓝色烟雾 7、室内空气污染主要来自（） ①建筑物自身；②人自身；③室内装饰材料；④水；⑤人为活动；⑥空气；⑦室外 A、①②④⑤ B、①③⑥⑦ C、①③⑤⑦ D、②③⑤⑦ 8、下列叙述不正确的是（） A、治理光化学烟雾污染，就必须对汽车尾气进行净化处理 B、大气中可吸入颗粒物的源头是工业烟尘和灰尘 C、大气中可吸入颗粒物的直径在10nm以下 D、室内装饰材料挥发出来的有害物质主要是苯和甲醛 9、造成降水pH降低的主要原因，是降水中溶有（） A、亚硫酸、硫酸、硝酸 B、碳酸、硫酸、硝酸 C、氢硫酸、碳酸、硫酸 D、盐酸、硫酸、硝酸 10、食油在锅内过热着了火，离开火炉后，火仍不熄灭，此时熄灭它的最好方法是（） A、立即浇水 B、用灭火器 C、把油泼掉 D、盖严锅盖 11、对某地区空气质量检测的结果显示，二氧化硫的污染指数是40，二氧化氮的污染指数是60，可吸入颗粒物的污染指数是140。以下是对该地区空气状况评价，其中不正确的是（）
土壤氮素循环模型及其模拟研究进展 * 唐国勇 1,2 黄道友1 童成立 1** 张文菊 1,3 吴金水 1 (1中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态重点实验室,长沙410125;2中国科学院研究生院,北京100039;3 华中农业大学资源环境学院,武汉430070) 摘要 N 既是植物必需的营养元素,又是造成环境污染的重要元素.正确模拟土壤中N 循环已经成为科学家共同关注的热点问题.简述了土壤N 循环的基本过程,重点介绍了13种土壤N 循环模型和6个土壤N 循环过程的模拟,并讨论了模拟中存在的参数化问题. 关键词 土壤N N 循环 模型 模拟 文章编号 1001-9332(2005)11-2208-05 中图分类号 S153.6 文献标识码 A Research advances in soil nitrogen cycling models and their simulation.T AN G Guo yong 1,2,HU AN G Daoyou 1,T ON G Cheng li 1,ZHA NG Wenju 1,3,WU Jinshui 1(1Key L abor ator y of S ubtr op ical A gro ecology ,I nstitute of Subtrop ical A gr icultur e,Chinese A cademy of Sciences,Changsha 410125,China;2Gr aduate School of Chinese A cademy of Sciences ,Beij ing 100039,China;3College of Resources and Env ironment,H uaz hong A gricultural Univer sity ,W uhan 430070,China). Chin.J.A p pl.Ecol .,2005,16(11):2208~2212. N itrogen is one of the necessary nutrients for plant,and also a pr imar y element leading to environmental pollu tion.M any researches hav e been concerned about t he contr ibution of agr icultur al act ivities to env ironmental pollu tion by nitrogenous compounds,and the focus is how to simulate soil nitrog en cycling pr ocesses correctly.In this paper,the pr imary soil nitro gen cycling processes were rev iewed in brief,w ith 13cycling models and 6simulated cycling processes introduced,and t he parameterization o f models discussed.Key words Soil nitro gen,Nitro gen cycle,M odel,Simulation. *中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3 S W 426)、国家 自然科学基金重点项目(40235057)和国家重点基础研究发展资助项目(2002CB412503).**通讯联系人. 2005-01-10收稿,2005-05-08接受. 1 引 言 N 是植物必需的营养元素,也是评价土壤质量和土地生产力的重要指标.为了获得高产,需要施用大量的氮肥.据统计[32],仅1996年全世界氮肥(折纯N)使用总量就高达8 50!107t,但N 累积利用率不高.据估计,施入土壤中的N 大约有35%通过各种途径损失掉[6,32].此外,氮肥的使用还可能造成环境污染,诸如温室气体(主要是氮氧化物)和致酸雨气体(氨气)的排放、地下水硝酸盐超标、水体富营养化等[20].如2000年,比利时80%的饮用水中硝酸盐含量超标[10].目前,土壤N 循环的研究已经成为土壤学家、环境学家、农学家等共同关注的热点问题之一. 土壤N 循环是N 生物地球化学循环中的重要环节,其模拟是作物估产、环境评价、农田管理、决策制定和长期预测的重要依据,对提高氮肥利用率、防止或减轻环境污染具有重要的理论和实践意义.20世纪60年代,就有基于单个过程的土壤N 循环方面的报道[25,28].40多年来,北美和欧洲一些国家建立了大量的土壤N 循环模型.我国在这方面研究还比较薄弱[3,15,24].本文拟通过简要概述土壤N 循环过程,重点介绍13种土壤N 循环模型和6个土壤N 循环过程的模拟,并讨论模型模拟中的参数化问题,以期为深入研究土壤N 循环及其模拟提供一定的参考和借鉴. 2 土壤N 循环的基本过程 土壤中含N 化合物种类多,理化、生物学性质各异.一般可将土壤中N 划分为有机氮和无机氮,以有机氮为主.在土壤微生物等因子的作用下,N 在土壤中发生一系列复杂的循环.主要循环过程有:有机氮矿化、腐殖化、硝化、反硝化、氨挥发、N 沉降、硝酸盐淋失、生物固氮、铵离子晶格固定和释放、土壤粘粒吸附和解吸、植物吸收等过程.土壤N 循环过程的研究是建立土壤N 循环模型以及N 生物地球化学循环模型的基础. 3 土壤N 循环模型的研究概况 目前,农业中数学模型并无统一的分类,可从不同角度进行划分.根据建模的方法可分为经验模型和机理模型;从土壤有机氮角度可分为单组分和多组分模型;从模拟循环过程的数目方面可分为单过程和多过程模型;此外,根据模型模拟的元素也可分为独立N 模型和综合模型的N 子模型. 经验模型通常依据实验测定或调查的N 循环分量与气 应用生态学报 2005年11月 第16卷 第11期 CHIN ESE JO UR NAL OF A PPL IED ECOLO GY,Nov.2005,16(11)?2208~2212
农田土壤氮素淋失 摘要：农田氮素的流失，不仅造成化肥的利用率降低，农业生产成本上升，还对水环境造成污染，引起水体富营养化。氮肥进人土壤后，其损失途径主要是氨挥发和反硝化。本文讨论了农田氮流失对水体富营养化的贡献、农田氮流失途径及影响因素，并且提出了如何防止氮素淋失、控制水体富营养化的措施。 关键词：氮；淋失；富营养化；措施 Nitrogen leaching In farmland Abstract:Nitrogen leaching in farmland results in the low availability of fertilizer and the pollution of water invironment, eventually cause eutrophic. After applying nitrogenous fertilizer,its main loss ways are ammonia volatilization and denitrification. In this article , we report the contribution of nitrogen leaching to the eutrophic and leaching ways and its influence factors,and propose the measures to prevent nitrogen leaching and eutrophic. Key words: nitrogen;leaching; eutrophic.;measures 氮素是人类提高粮食产量的巨大动力。自六十年代“绿色革命”以来,大量的化肥进入农田，肥料提供了植物生长必需的营养元素，对保持作物高产稳产起了重要的作用，但是由施肥不当或过量施肥带来的环境污染问题也越来越突出，加上不合理的农业管理措施，导致作物利用率降低,氮素损失加剧，其中淋失作用被认为是氮素损失的重要途径之一，且农田氮流失引起的水体富营养化问题目前已受到人们的普遍关注。 氮是构成生命的要素之一，但过量的吸收也会危及生命。四十年代就报道了饮水中的 NO 3-可以引起婴儿高铁血红蛋白症，俗称氰紫症[1]，后来被证实是由NO 2 -氧化血红蛋白所致。 因此，WHO规定饮水中的NO 3 -最大允许含量（按纯N计）为10㎎/㎏，我国生活饮用水卫生标准规定为20㎎/㎏[2]。 化肥（尿素和硝铵）使用对浅层地下水污染的发展起始于本世纪六十年代。进人七十年代，一些农学家已建议限制化肥使用量，提高氮肥利用率[3]。近二十年来，全球氮素淋失有增无减。如美国中北和东北部的“玉米带”以及西部和东南部的灌溉农业区[4]、英格兰中、东部石灰岩和砂岩地区[5]、我国北京郊县[6]和太湖流域[7]的研究都表明了化肥使用与浅层地下水浓度升高的明显相关性，当前我国面临着提高粮食产量和保护水、大气环境的双重挑战，迎接挑战的有效方法就是深入了解土壤氮素淋滤迁移的机理，以及气候、土壤和水肥管理措施对氮素淋失的影响。 1 农田氮素循环 农业生态系统中的氮素循环是指，氮素通过不同途径进入农业生态系统，再经过许多相互联系的转化和移动过程后，又不同程度地离开这一系统，这一循环是开放性的，它与大气和水体等外界环境进行着复杂的交换[8]。 1.1农业生态系统的氮素输入 1.1．1 大气氮沉降大气氮沉降包括干湿沉降两种，干沉降主要以气态NO，N2O，NH3以及(NH4)2SO4粒子和吸附在其它粒子上的氮，其沉降速率取决于气象条件，其过程取决于风速、空气动力阻力和大气中气体与颗粒的化学、物理性质有关的表面性质等因素；湿沉降主
07年中科院生态环境研究中心土壤学试题一：填空与选择：（5分1题） 1、旱地土壤淹水后土壤PH值是（升高/降低/不变） 2、国际制、美国制和中国制中对于“砾”的直径尺寸要求都是大于_________ 3、草甸土、水稻土、沼泽土哪个是地带性土壤：________ 4、 N、P、K中哪些能被矿物固定：________ 5、土壤固相包括哪三个部分：______、________、_________ 6、土壤胶体吸附的Na+、Fe3+、H+中哪些是必须元素_______、哪些是有益元素_________ 二：名词解释（5分1题） 1、土壤肥力（农学家的定义）： 2、地下水临界深度： 三：计算题（10分1题） 1、从“孔度＝孔隙体积/土壤体积” 推导出“孔度＝1－（容重/密度）” 2、（记不清了） 四：实践题（10分1题） 1、试列举提高土壤有机质含量常用的三种措施，并简要解释原理 2、试列举提高土壤氮肥利用率的三种措施，并简要解释原理 3、为什么开垦土壤后土壤有机质会普遍减少？
五：问答题（15分1题） 1、比较团粒结构和非团粒结构土壤肥力特性差异 2、比较旱田和水田的水分运动方式的不同 六论述题（30分1题） 你认为肥沃的土壤应该具备哪些特性？ 09年中科院生态环境研究中心土壤学试题 一简答题 1.主要成土过程: 2.土壤污染物的类型及危害: 3.土壤氧化还原体系: 4.土壤磷循环: 二论述题 1.土壤水分的运动特点及对土壤养分迁移转化的影响; 2.列举一种农作物的耕作措施对土壤碳氮循环的影响; 3.有机质的物理化学生物分组及其对生态系统碳循环的影响。 中科院生态所2006土壤学试题 昨天考完，原来感觉不错，但是对了英语答案，我心悬了，本来估分有370左右的，现在难说了，反正英语问题不小。专业课我想100分以上应该可以吧。我在抄题目的时候老师制止了，还有最后一道25分大题没抄到。 一，名词解释每题5分 土壤土壤肥力粘土矿物电荷零点土壤污染土壤缓冲容量土壤微生物生物量消化作用富铝化作用土壤诊断层 二，简答题每题10分 1。简述高岭石，蛭石和绿泥石的结构特征和主要性质 2。简述土壤有机质转化过程（矿质化过程和腐殖化过程）
在养殖水体中，有机污染物包括氮、碳、磷、硫4种主要物质，而后3者形成的产物在氧气充足的条件下对鱼类的影响程度不是很大，当氮以分子氨态或亚硝酸盐氮态存在时，却会对水生动物产生很强的神经性毒害。当前以强饲为特征的集约养殖方式加大了水体有机氮物质分解转化的负荷，微生物分解环节严重受阻，从而成为水体系统循环过程的制约瓶颈与顽结，造成水体富营养化甚至污染，引发出诸多病害、药残、食品隐患等问题。水体系统的氨氮循环及污染治理已成为世界性关注的环境问题和研究热点。 1 养殖水体内氨氮循环与脱氮过程 水体氮素的来源构成 集约养殖水体氮素的来源主体为饵料残剩物和粪便排泄物的分解，其次为老化池塘底泥沉积物氨化分解，再次为施肥积累。养殖生产包括自然再生产过程与经济再生产过程，然而传统的养殖方式片面追求产量经济效益，强化水体系统外的能量物质的投入。过量的投饵，形成大量有机代谢废物的沉积，致使水体系统的分解环节受抑制，造成硝化反应难以通畅完全进行，自净能力减弱，产生多种有机酸及氨氮、亚硝酸盐、硫化氢、甲烷等中间有毒有害产物同时，这些中间有毒产物也可再由含氮化合物通过反硝化细菌还原而返复积累。自然状态下水体氮素的来源：①一些固氮藻类及固氮细菌能把大气层中的氮气转变为有效氮；②鱼类等水生动物的最终代谢产物主要为氨态氮（NH3），其次为尿素和尿酸；③藻类细胞自溶与有机碎屑沉积物的矿化作用，使以颗粒状结合着的有机氮以NH3－N的形式释放到水体中；④地面泾流及域外污水串用带来的氮的污染问题也愈加突出，等等。对自然状态
的氮素来源构成及转化过程应清楚把握和准确运用，才能不悖其水体物质转化循环规律，达到健康高效生态养殖的目的。 养殖水体生态系统的生物组成 消费者、分解者、生产者是养殖水体生态系统的生物组成部分。其特点是：①消费者：鱼虾类养殖动物为整个生态系统的核心，数量多、投饵量大，产生大量的排泄物和残饵； ②分解者：微生物的数量与种类较少，大量的有机物无法及时分解，经常处于超负荷状态，水质恶化；③生产者：藻类数量少，无法充分利用有机物降解产生的营养盐类，导致NH3-N 和-N等有害物质积累以至污染。因此，这种片面强调消费者，而忽视分解者和生产者的生态系统是极为不平衡的，常使其循环过程存在两处“瓶颈”梗阻。 水体物质循环的中间部位 即有机物的生物分解转化环节,水中有机物在异养微生物的作用下，第一阶段是碳氧化阶段，初步被分解出的产物是二氧化碳（CO2）和氨态氮，氮物质大部分以NH4+·NH3的形式释放出来。在自然条件下（温度为20℃），一般有机物第一阶段的氧化分解可在20d 内完成。第二阶段是氨物质的硝化过程，在亚硝化细菌的作用下氨（NH4+·NH3）被氧化成亚硝态氮（NO3--N）；在硝化细菌的作用下再进一步被氧化成植物生长所需要的硝态氮（NO3--N）。在20℃自然条件下，第二阶段的氧化分解需百日才能最终完成。当水体缺氧时，另有一类反硝化细菌可以把硝酸盐（NO3-）还原为亚硝酸盐（NO3-），再还原为氨氮或游离氨或氮气，失去营养作用，成为植物不能直接利用的氮。这种游离氨或氮气由水体界面
氮素在自然界中有多种存在形式，其中，数量最多的是大气中的氮气，总量约3.9×10^15 t。除了少数原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮气。目前，陆地上生物体内储存的有机氮的总量达1.1×10^10～1.4×10^10 t。这部分氮素的数量尽管不算多，但是能够迅速地再循环，从而可以反复地供植物吸收利用。存在于土壤中的有机氮总量约为 3.0×10^11 t，这部分氮素可以逐年分解成无机态氮供植物吸收利用。海洋中的有机氮约为5.0×10^11 t，这部分氮素可以被海洋生物循环利用。 构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。 植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的 氮循环 作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。 大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。
土壤中的氮素及其转化 1?土壤中氮素的来源和含量 1.1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N03—N。 1.2含量 我国耕地土壤全氮含量为0.04%~0.35%之间，与土壤有机质含量呈正相关 2.土壤中氮素的形态 3.土壤中氮素的转化
3.1有机氮的矿化作用 定义：在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解形成氨的过程。 过程：有机氮'氨基酸k NH4J N +有机酸 结果：生成NH4+-N （使土壤中有机态的氮有效化） 3.2 土壤粘土矿物对NH4+的固定 定义：①吸附固定（土壤胶体吸附）：由于土壤粘土矿物表面所带负电荷而引起的对NH4 +的吸附作用 ②晶格固定（粘土矿物固定）：NH4 +进入2:1型膨胀性粘土矿物的晶层间而被固定的作用 过程： 结果：减缓NH4+的供应程度（优点？缺点? 3.3氨的挥发 定义：在中性或碱性条件下，土壤中的NH4+转化为NH3而挥发的过程
过程： 结果：造成氮素损失 3.4硝化作用 定义：通气良好条件下，土壤中的NH4+在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象 过程： 结果：形成NO-N 禾I」：为喜硝植物提供氮素 弊：易随水流失和发生反硝化作用 3.5无机氮的生物固定 定义：土壤中的铵态氮和硝态氮被植物体或者微生物同化为其躯体的组成成分而被暂时固定的现象。
过程: 结果：减缓氮的供应，可减少氮素的损失
3.6反硝化作用 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 过程： 结果：造成氮素的气态挥发损失，并污染大气 3.7硝酸盐的淋洗损失 NO3-不能被土壤胶体吸附，过多的硝态氮容易随降水或灌溉水流失。 结果：氮素损失，并污染水体 4.小结：土壤有效氮增加和减少的途径 增加途径：①施肥（有机肥、化肥）；②氨化作用；③硝化作用（喜硝作物力④ 生物固氮；⑤雷电降雨 降低途径：①植物吸收带走；②氨的挥发损失；③硝化作用（喜铵作物弱④ 反硝化作用；⑤硝酸盐淋失；⑥生物和吸附固定（暂时）
水质的氮循环 在养殖水体中，有机污染物包括氮、碳、磷、硫4 种主要物质，而后3 者形成的产物在氧气充足的条件下对鱼类的影响程度不是很大，当氮以分子氨态或亚硝酸盐氮态存在时，却会对水生动物产生很强的神经性毒害。当前以强饲为特征的集约养殖方式加大了水体有机氮物质分解转化的负荷，微生物分解环节严重受阻，从而成为水体系统循环过程的制约瓶颈与顽结，造成水体富营养化甚至污染，引发出诸多病害、药残、食品隐患等问题。水体系统的氨氮循环及污染治理已成为世界性关注的环境问题和研究热点。 1养殖水体内氨氮循环与脱氮过程 1.1水体氮素的来源构成 集约养殖水体氮素的来源主体为饵料残剩物和粪便排泄物的分解，其次为老化池塘底泥沉积物氨化分解，再次为施肥积累。养殖生产包括自然再生产过程与经济再生产过程，然而传统的养殖方式片面追求产量经济效益，强化水体系统外的能量物质的投入。过量的投饵，形成大量有机代谢废物的沉积，致使水体系统的分解环节受抑制，造成硝化反应难以通畅完全进行，自净能力减弱，产生多种有机酸及氨氮、亚硝酸盐、硫化氢、甲烷等中间有毒有害产物同时，这些中间有毒产物也可再由含氮化合物通过反硝化细菌还原而返复积累。 自然状态下水体氮素的来源：①一些固氮藻类及固氮细菌能把大气层中的氮气转变为有效 氮；②鱼类等水生动物的最终代谢产物主要为氨态氮（NH3，其次为尿素和尿酸；③藻类 细胞自溶与有机碎屑沉积物的矿化作用，使以颗粒状结合着的有机氮以NH3－N 的形式释放
到水体中；④地面泾流及域外污水串用带来的氮的污染问题也愈加突出，等等。对自然状态 的氮素来源构成及转化过程应清楚把握和准确运用，才能不悖其水体物质转化循环规律，达到健康高效生态养殖的目的。 1.2养殖水体生态系统的生物组成 消费者、分解者、生产者是养殖水体生态系统的生物组成部分。其特点是：①消费者： 鱼虾类养殖动物为整个生态系统的核心，数量多、投饵量大，产生大量的排泄物和残饵；② 分解者：微生物的数量与种类较少，大量的有机物无法及时分解，经常处于超负荷状态，水质恶化；③生产者：藻类数量少，无法充分利用有机物降解产生的营养盐类，导致NH3-N 和-N等有害物质积累以至污染。因此，这种片面强调消费者，而忽视分解者和生产者的生态系统是极为不平衡的，常使其循环过程存在两处“瓶颈”梗阻。 1.3水体物质循环的中间部位 即有机物的生物分解转化环节, 水中有机物在异养微生物的作用下，第一阶段是碳氧化 阶段，初步被分解出的产物是二氧化碳（CO2和氨态氮，氮物质大部分以NH4+?NH3的形 式释放出来。在自然条件下（温度为20C）, —般有机物第一阶段的氧化分解可在20d内 完成。第二阶段是氨物质的硝化过程，在亚硝化细菌的作用下氨（NH4+?NH3被氧化成亚 硝态氮（N03--N）;在硝化细菌的作用下再进一步被氧化成植物生长所需要的硝态氮 （N03--N）。在20C自然条件下，第二阶段的氧化分解需百日才能最终完成。当水体缺氧