土壤氮素转化行为研究进展
发表时间：2016-08-03T16:03:11.917Z 来源：《基层建设》2016年9期作者：王蕊
[导读] 目前，氮素损失已成为农田非点源污染的重要途径。
长安大学陕西西安 710054
摘要：目前，氮素损失已成为农田非点源污染的重要途径。氮素在土壤中的转化主要包括氮的矿化与固定、硝化与反硝化及氨的同化过程等，氮在土壤中的转化过程复杂且受影响的因素较多，本文将对土壤氮素转化过程研究进展进行综述，为今后的进一步研究提供有益借鉴。
关键词：氮素转化，矿化，硝化，反硝化，固定
前言
由于氮肥的超量投入增加了农田生态系统活性氮的排放，造成氮肥大量流失从而进入土壤和含水层，导致地表水富营养化，引发地下水硝酸盐污染，破坏臭氧层，加剧气候变暖、大气污染等诸多生态环境问题，对人类的健康和生态环境的安全造成威胁，因此明确土壤内部氮素转化过程的影响因素，为合理充分利用农业资源，控制农田氮污染提供科学依据。
1土壤有机氮的矿化
氮矿化是指通过微生物作用将难以被植物吸收利用的有机氮转化为可供植物吸收利用的NH4+和NO3一的生物化学过程。氮矿化过程同时受土壤温度、水分、土壤理化性质、植被类型、凋落物质量、土壤动物和微生物、时空格局以及其它自然或人为等诸多因素的影响。氮矿化率对3～9℃内的温度敏感，但在9～15℃间则受多个因子的影响。水分在-1.5～0.03Mpa之间时，氮矿化率随其增加而升高，但若超过此范围，氮矿化率则会迅速下降。土壤质地是影响微生物的生物量与活动从而影响氮矿化作用，细质土比粗质土更能固定C、N。砂土中微生物生物量的C /N比高于粘土和壤土，且与单位微生物氮生物量的矿化率呈正相关。大小不同的干燥土壤团聚体中有机氮的矿化度不同，团聚体越小、稳定性越弱，其有机质越易被微生物利用降解，可矿化有机氮库越大。粘粒/腐殖质比越高的土壤，氮矿化能力越低，这是由于粘粒对有机质有保护作用。通过筛分不同粒径的团聚体进行矿化试验，发现粒径越小，其氮矿化率越高，表明粒径越小的团聚体中含易分解氮的比例越大。
不同土层土壤中的有机质含量也是影响土壤氮矿化的重要因素，在0～120cm范围内，由于土层深度的不断加深，土壤透气性和有机质也不断变化，造成不同土壤深度氮矿化率不同[1]。而土壤透气性降低，可供降解的有机质减少，微生物数量也迅速减少，氮矿化随之下降。pH 值升高可使有机质可溶性提升，可为微生物生长提供大量富C、N基质，促进C、N矿化。土壤盐度也会影响氮矿化，氨化菌比硝化菌更耐盐度，且随盐度增加，总氮矿化量下降。
2土壤氮的固定
2.1 NH4+的粘土矿物吸附
土壤吸附程度与土壤理化性质、流体速度、溶质种类以及水动力弥散等有关，相对湿度也会影响NH4+的吸附量，相对湿度越大，吸附量也越大。孙大志[2]等研究发现土壤粒度越小，pH值越大、温度越低，土壤对NH4+的吸附能力越强。氮的固定量随土壤中粘土和土壤有机质的增加而提高。土壤有机质含量低将限制微生物生长，使氮素固定能力受限，可移动态氮越易流失。
2.2生物固持
氮的生物固定是与有机质矿化相对进行的过程，同样受微生物作用的影响。微生物分解产物易进入土壤腐殖质部分，而微生物固定态氮进入土壤腐殖质的机理目前有两种不同的观点：一种认为，微生物死后体内的蛋白质分解为氨基酸，在酶的作用下，通过转氨基作用与腐殖质功能团上的羧基生成CONH2和水。另一种认为，微生物分解后形成氨，与腐殖质的醌基形成复杂的含氮化合物。氮的微生物固定可以缓解土壤氮损失，土壤微生物同时参与氮素的固定和有机质的分解，其矿化氮有利于植物吸收[3]。
3硝化与反硝化
3.1 硝化
硝化过程是在好氧条件下氨氮氧化为硝酸盐的过程。土壤含水量低且通气状况良好有益于硝化作用的进行，含水量增大土壤通气性变差，减少硝化微生物的氧气来源，减弱了硝化作用。但也有很多研究表明在适当范围内土壤水分含量增加将促进硝化作用进行。刘巧辉[4]研究发现硝化速率与土壤含水孔隙率(WFPS，water-filled pore space)呈极显著正相关(p<0.001)，并且硝化速率在最适含水量下达到最大。土壤含水量较低的范围内，土壤中硝化速率与土壤含水量呈正相关；含水量达到最适合硝化微生物活动范围(WFPS在30～50%)时，硝化速率达到最大；超过最适含水量，硝化速率就会逐渐减小。
温度影响土壤有机质的分解和氮矿化过程及微生物代谢活动，进而影响土壤硝化作用。在适宜温度范围内，温度升高促进土壤微生物活动，有利于硝化作用进行，而温度过高会加速有机质分解，土壤氧气供应不足，使硝化作用受到抑制，土壤硝化作用的适宜温度范围在25℃～35℃。土壤pH是通过影响土壤硝化细菌活性、数量、种类及硝化作用的进程对土壤硝化作用产生影响。当土壤pH从4.7增高到6.5时，硝化速率增加3～5倍。李良谟等[5]认为土壤硝化速率与土壤pH呈极显著正相关，pH为5.6的土壤硝化率很低，在pH5.6～8.0范围内硝化速率随土壤pH升高而增大。
3.2 反硝化
反硝化过程是在嫌气条件下，土壤中的硝态氮、亚硝态氮还原成游离的N2、N2O、NO等气体而逸入大气的过程。土壤含水量影响土壤通气状况和土壤中的氧分压，进而影响反硝化作用。砂土和壤土中反硝化速率随WFPS数值增大而增大，当WFPS从60%增加到90%时，砂土和壤土的反硝化速率则分别增加了6倍和14倍。土壤含水量增加，水分将逐步填满土壤孔隙中的空气从而加强厌氧环境，有利于反硝化细菌活动，加快反硝化速度。
反硝化作用在5℃～70℃内进行，但过高或过低的温度都不利于反硝化作用，当温度达60℃～70℃以上时，反硝化作用即受到抑制；反硝化作用的最适宜温度范围为36℃～67℃。土壤pH同时也影响反硝化细菌和其它异养型细菌，反硝化作用强度和土壤pH呈正相关，pH
剧毒化学品： 剧毒化学品是指，按照国务院安全生产监督管理部门会同国务院公安、环保、卫生、质检、交通部门确定并公布的剧毒化学品目录中的化学品。一般是具有剧烈毒性危害的化学品，包括人工合成的化学品及其混合物和天然毒素，还包括具有急性毒性易造成公共安全危害的化学品。 释义： 根据2005年5月公安部公布的《剧毒化学品购买和公路运输许可证件管理办法》，“除个人购买农药、灭鼠药、灭虫药以外，在中华人民共和国境内购买和通过公路运输剧毒化学品的，应当遵守本办法。 本办法所称剧毒化学品，按照国务院安全生产监督管理部门会同国务院公安、环保、卫生、质检、交通部门确定并公布的剧毒化学品目录执行。”“国家对购买和通过公路运输剧毒化学品行为实行许可管理制度。购买和通过公路运输剧毒化学品，应当依照本办法申请取得《剧毒化学品购买凭证》《剧毒化学品准购证》和《剧毒化学品公路运输通行证》。未取得上述许可证件，任何单位和个人不得购买、通过公路运输剧毒化学品。 任何单位或者个人不得伪造、变造、买卖、出借或者以其他方式转让《剧毒化学品购买凭证》《剧毒化学品准购证》和《剧毒化学品公路运输通行证》，不得使用作废的上述许可证件。”
土壤侵蚀区划： 土壤侵蚀区划，亦称水土流失分区。是指根据土壤侵蚀成因、类型、强度及其影响因素的相似性和差异性，对某一地区进行的地域划分。土壤侵蚀区划反映土壤侵蚀的地域分异规律，为不同地区的侵蚀类型指出治理途径、方向和应采取的水土保持措施以及实施步骤，并为水土保持规划和分区治理提供科学依据。2008年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》中，全国分为水力、风力、冻融3个一级侵蚀类型区。其中，水力侵蚀类型区包括西北黄土高原区、东北黑土区、北方土石山区、南方红壤丘陵区和西南土石山区5个二级类型区；风力侵蚀类型区分为“三北”戈壁沙漠及沙地风沙区、沿河环湖滨海平原风沙区2个二级类型区；冻融侵蚀类型区分为北方冻融侵蚀区、青藏高原冰川冻土侵蚀区2个二级类型区。各大流域、各省（自治区、直辖市）可在全国二级分区的基础上再细分为三级类型区和亚区。 根据土壤侵蚀的成因、类型、强度等在一定的区域内相似性和区域间的差异性所做出的低于划分。土壤侵蚀区划反映土壤侵蚀的地域分异规律，为不同地区的侵蚀指出治理途径、方向和应采取的水土保持措施及其实施步骤，为水土保持规划和分区治理提供科学依据。 土壤侵蚀区划的基本内容为：拟定区划原则和分级系统；研究并查明各级分区的界限，编制土壤侵蚀区划图；按土壤侵蚀区域特征，探讨土壤侵蚀分区治理途径和关键性的水土保持措施；编写侵蚀区划报告。
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
土壤中氮素转化过程及植物吸收方式(土壤 部分初稿)
土壤中氮素转化过程及植物吸收方式 我国耕地土壤全氮含量为0.04～0.35％之间，且土壤有机质含量呈正相关。其氮素来源包括：生物固氮、降水、农业灌溉和施肥等，而目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。下面就从土壤中氮素的主要表现形态和转化过程等进行详细的介绍： （一）土壤中氮素的主要形态 水溶性速效氮源 < 全氮的5% 包括游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物等有机氮水解性缓效氮源占50～70% 包括蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类(>98%) 非水解性难利用占30～50% 包括杂环态氮、缩胺类 离子态土壤溶液中 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 注明：其中无机氮包括：铵态氮(NH4+ — N)、硝态氮(NO3-— N)、亚硝态氮(NO2- — N)三种主要形态。 一般情况下，土壤中存在的主要是有机态氮，占土壤总氮的90~98%。
（二）土壤中氮素的转化过程 1.有机态氮的转化 土壤中的有机态氮是较复杂的有机化合物，必须要经过各种矿化过程，变为易溶的形态，才能发挥作物营养的功能。它的矿化量和矿化速率就成为决定土壤供氮能力的极其重要的因素。土壤有机氮的矿化过程是包括许多过程在内的复杂过程。 ①水解过程蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶的作用下，逐步分解为各种氨基酸。 ②氨化过程氨基酸在多种微生物作用下分解成氨的过程称为氨化过程。如： RCH2OH＋NH3＋CO2＋能量—水解—→ RCHNH2COOH＋H2O RCHOHCOOH＋NH3＋能量—氧化—→ RCHNH2COOH＋O2 RCOOH＋NH3＋CO2＋能量——还原—→RCHNH2COOH＋H2 由此可见，氨化作用可在多种多样条件下进行。无论水田、旱田，只要微生物活动旺盛，氨化作用都可以进行。
土壤侵蚀类型区的划分 2012-07-04 16:02 根据我国的地形特点和自然界某一外营力在一较大的区域里起主导作用的原则，水利水电部颁发了《关于土壤侵蚀类型区划分和强度分级标准的规定》，把全国区分为三大土壤侵蚀类型区。 (一) 水力侵蚀为主的类型区 这一类型区大体分布在我国大兴安岭—阴山—贺兰山—青藏高原东缘一线以东，包括西北黄土高原、东北的低山丘陵和漫岗丘陵、北方山地丘陵、南方山地丘陵、四川盆地及周围山地丘陵、云贵高原六个二级类型区。 1.西北黄土高原 这一高原区主要是指青海日月山以东，山西太行山以西，陕北长城以南，陕、甘秦岭以北的广大地区。绝大部分属黄河中游，是我国土壤侵蚀最严重的地区。 土壤条件：黄土在本区内分布很广、厚度很大的第四纪粉沙物质。分为新黄土和老黄土两种。前者覆盖在后者之上，总厚度由几十米至100多米，最厚处达200多米。黄土质地匀细，组织疏松，具有大孔隙构造，垂直节理发育，湿陷性和渗透性都较大。颗粒粒径0.05-0.002mm的占50%，渗透速度一般在0.8-1.3mm/min。黄土具有迅速分散的特性，在清水中1—4 min即可全部分散。 地貌条件：按形态、结构分，除大部分为丘陵沟壑、高原沟壑，还有风沙丘陵、涧地、河谷川地和土石山地。总的来看，沟壑纵横，地形破碎，沟深陡坡是黄土地貌的主要特征。
气候条件：属大陆型季风气候，冬寒夏热，气温变化剧烈，年平均降雨量在300—600mm,分布集中，7、8、9三个月，降雨量占全年的70%；多以暴雨形式出现，暴雨强度每分钟可达1mm，甚至2mm 以上，瞬时暴雨强度更大。一次大暴雨产沙量可占全年总产沙量的40%-86%。 植被条件：黄土高原自东南向西北大致可分为：山地森林、森林草原、草原和干旱草原四个带。山地植被带的植被以针、阔叶混交林和灌丛为主，开垦指数低，一般在10%以下，土壤侵蚀轻微；森林草原带植被类型以夏绿阔叶林及禾本科、菊科植物群落为主，开垦指数一般在40%-50%，部分人多地少地区高达60—70%，土壤侵蚀严重；干旱草原带的植被以藜科及旱生多刺的植物群落为主，开垦指数为10%—20%，土壤侵蚀严重，同时有较强烈的风蚀发生。 水土流失状况：除了溅蚀和层状面蚀普遍发生外，2度以上的坡耕地有细沟侵蚀发生；5度以上，则细沟侵蚀较强，并开始发生浅沟侵蚀。25度以上有切沟出现；35以上土壤泻溜；45度-75度陡坡地可发生滑坡；75度以上陡崖和岸壁可发生崩塌。年平均侵蚀模数一般为5000—10000t/km2，高的可达20000t/km2以上，黄河下游泥沙绝大部分来自于本区。 2.东北的低山丘陵和漫岗丘陵区 本类型区南界为吉林省南部，西、北、东三面为大、小兴安岭和长白山所围绕。在该区域内，除了大、小兴安岭林区以及三江平原外，其余地方都有不同程度的土壤侵蚀。可分为低山丘陵和漫岗丘陵。这
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。
第18卷第2期2004年4月 水土保持学报 Journal of S oil and Water C onservation V ol.18N o.2 Apr.,2004 中国东北黑土区土壤侵蚀环境Ξ 范昊明1,2,蔡强国1,王红闪3 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.沈阳农业大学水利学院,辽宁沈阳110161; 3.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100) 摘要:分析了黑土腐殖质、黑土母质、黑土区气候、地貌、植被及人类开垦等活动与黑土侵蚀之间的关系,指出了 黑土区农业开垦与耕作是导致黑土流失的主要原因,同时,在人类干预条件下,某些自然因素对黑土加速侵蚀的 影响就会明显地凸现出来。实际上,黑土区独特的自然环境与人类活动方式已经使其成为目前中国土壤侵蚀潜 在危险性最大的地区之一。目前,黑土流失速度相当快,不少地区已经出现了成土母质露于地表的现象,土壤侵 蚀严重。如果我们现在还不能正确认识黑土地治理的紧迫性,黑土区很快就将变为名副其实的“不毛之地”了。 关键词:东北黑土区; 自然地理环境; 人类活动; 土壤侵蚀 中图分类号:S157.1 文献标识码:A 文章编号:100922242(2004)022******* Condition of Soil Erosion in Phaeozem R egion of N ortheast China FAN Hao2ming1,2,C AI Qiang2guo1,W ANG H ong2shan3 (1.Institute o f G eographical Sciences&Natural Resources Research,C AS,Beijing,100101; 2.College o f Water Conservancy,Shenyang Agriculture Univer sity,Shenyang110161; 3.Institute o f soil and water conservation,C AS&Ministry o f Water Resource,Yangling Shaanxi712100) Abstract:The relationships between the s oil erosion of phaeozem in the northeast region of china and humus,s oil parent material,climatic condition,land feature,vegetation and man′s activity in this area have been analyzed.It has been point2 ed out that the reclamation on a large scale in the phaeozem region is the primary reas on causing s oil erosion in this place, and at the same time,several natural factors that are the potential factors to affect s oil erosion have played m ore significance role in accelerated erosion after human broke into the phaeozem region.In fact,the phaeozem region of northeast China has became the m ost hazard region of potential erosion now for it′s unique physical geography environment and man′s activity. At present,the phaeozem region is subjected to severely s oil erosion and at s omewhere the loess m other material is exposing to the air.S o we must action now to explore the law of s oil erosion and to cure the s oil erosion using this law,or else,the phaeozem region of northeast China will became the real barren land. K ey w ords:phaeozem region of northeast China; physical geography environment; manπs activity; s oil erosion 中国东北地区土壤普遍呈暗色,发育有肥力高、性状良好的黑土、黑钙土、草甸土等。实践中,人们对黑土区的概念通常并不仅局限于土壤分类中的黑土,而是一个包括更多东北地区土壤类型的广泛的概念。松辽水利委员会在关于东北黑土区水土流失情况的报告中将黑土区的土壤类型定义为包括黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土、白浆土、棕壤、棕色针叶林土、风沙土和沼泽土等。根据全国农业土壤普查结果确定黑土区总面积为101.85万km2(含大小兴安岭、长白山),其中典型黑土区面积为11.78万km2。东北黑土区分布于黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四省(区),其中黑龙江省45.25万km2,吉林省18.7万km2,辽宁省12.29万km2,内蒙古自治区25.41万km2。黑土区地处温带大陆性季风气候区,大部分地区的年降水量为500～600mm左右,地貌类型多样,分异规律性强,自南而北跨越了暖温带-中温带-寒温带3个不同的自然地带,从东到西横穿湿润-亚湿润-亚干旱3个不同的自然地区。黑土区是我国的重要工业和商品粮基地,然而,长期以来该区的发展却是以牺牲生态环境为代价的,由于自然因素影响及人为不合理生产活动的破坏,导致土壤侵蚀比较严重。该区土壤侵蚀类型包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀和重力侵蚀。据松辽委2002年统计报告,区内现有水土流失面积27.59万km2,占黑土区总土地面积的27%,其中黑龙江省9.55万km2(水力侵蚀8.53万km2,风力侵蚀1.02万km2),吉林省3.11万km2(水力侵蚀1.72万km2,风力侵蚀1.39万km2),辽宁省3.41万km2(水力侵蚀3.08万km2,风力侵蚀0.33万km2),内蒙古自治区11.52万km2(水力侵蚀10.9万km2,风力侵蚀0.62万km2)。黑 Ξ收稿日期:2003205222 基金项目:国家自然科学基金委员会重点基金支持研究项目(编号:40235056) 作者简介:范昊明,男,生于1972年,讲师,在读博士。从事土壤侵蚀模拟与水土保持规划方面的研究。
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
第四章土壤环境化学——污染物在土壤中的迁移转化 本节内容要点：土壤污染源、主要污染物，氮和磷的污染及其迁移转化，土壤的重金属污染及其迁移转化，土壤的农药污染及其迁移转化，土壤中温室气体的释放、吸收及传输等。 人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化的现象即为土壤污染。土壤与水体和大气环境有诸多不同，它在位置上较水体和大气相对稳定，污染物易于集聚，故有人认为土壤是污染物的“汇”。 污染物可通过各种途径进入土壤。若进入污染物的量在土壤自净能力范围内，仍可维持正常生态循环。土壤污染与净化是两个相互对立又同时存在的过程。如果人类活动产生的污染物进入土壤的数量与速度超过净化速度，造成污染物在土壤中持续累积，表现出不良的生态效应和环境效应，最终导致土壤正常功能的失调，土壤质量下降，影响作物的生长发育，作物的产量和质量下降，即发生了土壤污染。土壤污染可从以下两个方面来判别：(1)地下水是否受到污染；(2)作物生长是否受到影响。 土壤受到污染后，不仅会影响植物生长，同时会影响土壤内部生物群的变化与物质的转化，即产生不良的生态效应。土壤污染物会随地表径流而进入河、湖，当这种径流中的污染物浓度较高时，会污染地表水。例如，土壤中过多的N、P，一些有机磷农药和部分有机氯农药、酚和氰的淋溶迁移常造成地表水污染。因此，污染物进入土壤后有可能对地表水、地下水造成次生污染。土壤污染物还可通过土壤植物系统，经由食物链最终影响人类的健康。如日本的“痛痛病”就是土壤污染间接危害人类健康的一个典型例子。 1）土壤污染源 土壤污染源可分为人为污染源和自然污染源。 人为污染源：土壤污染物主要是工业和城市的废水和固体废物、农药和化肥、牲畜排泄物、生物残体及大气沉降物等。污水灌溉或污泥作为肥料使用，常使土壤受到重金属、无机盐、有机物和病原体的污染。工业及城市固体废弃物任意堆放，引起其中有害物的淋溶、释放，也可导致土壤及地下水的污染。现代农业大量使用农药和化肥，也可造成土壤污染。例如，六六六、DDT等有机氯杀虫剂能在土壤中长期残留，并在生物体内富集；氮、磷等化学肥料，凡未被植物吸收
2．1．2 土壤侵蚀强度分级 (1)土壤侵蚀容许量标准 土壤侵蚀容许量是指在长时期内能保持土壤肥力和维持土地生产力基本稳定的最大土壤流失量。 因为我国地域辽阔，自然条件千差万别，各地区的成土速度也不相同，该标准规定了我国主要侵蚀类型区的土壤容许流失量： 侵蚀类型区土壤容许流失量 Et／(km ·a)] 西北黄土高原区1 ooo 东北黑土区200 北方土石山区200 南方红壤丘陵区500 西南土石山区500 (2)水力侵蚀强度分级 强度分级平均侵蚀模数[t／(km ·a)] 微度侵蚀<2O0，500，1 000 轻度侵蚀200，500，1 000~2 500 中度侵蚀2 500~5 000 强度侵蚀5 000~8 000 极强度侵蚀8 000～1 5 000 剧烈侵蚀>1 5 000 (3)风蚀强度分级 风蚀强度分级按地表植被覆盖度、年肼蚀厚度和侵蚀模数三项指标划分。 强度分级植被覆盖度年风蚀厚度侵蚀模数 ( ) (ram) [t／(km。·a)] 微度>70 <2 <200 轻度70~50 2～1O 200~2 500 中度5O～30 1O～25 2 5OO～5 000 强度3O～10 25～50 5 000~8 000 极强度<10 50~100 8 000~15000 剧烈<1O >100 >1 5 000 除此外，还有面蚀、沟蚀、重力侵蚀等分级标 准，此处不一一赘述。 土壤侵蚀强度划分标准： “水”和“土”是水土流失的两个漉失主体，水土流失归根结底是土地表屡的侵蚀和水的流失。而评价水土流失程度的量化指标，即水土流失强度分级标准应同时包括两个流失主体的强度指标。我国目前采用的土壤侵蚀强度分级标准做为水土流失强度分级标准，不仅混淆丁水土
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
土壤氮转化过程对环境的适应性 蔡祖聪 土壤与农业可持续发展国家重点实验室；中国科学院南京土壤研究所；江苏南京市北京东路71 号；210008 施用氮肥是提高作物产量、保证粮食安全必不可少的措施。从1995年到2005年的十年间，世界化肥氮生产量从100百万吨增加到121百万吨(Galloway et al., 2008)。如同人类大量利用矿质能源、开垦土地等造成大气CO2浓度持续升高，引发全球变暖的环境问题那样，氮肥施用量的持续增加导致的环境问题也已经成为全球性的问题。 氮是植物的必需元素。对于非豆科植物，主要依靠吸收土壤中的氮作为维持生理活动、合成氨基酸和蛋白质。但是，可以被非豆科植物吸收利用的活性氮（Nr）并不是土壤的原始成分，它是在土壤发育过程逐渐积累起来的。有机氮是土壤积累的活性氮的最主要形态，一般占土壤氮的95%以上。土壤保持有机氮的能力远远于大保持无机氮的能力。由于植物一般只能吸收利用土壤中的无机氮，所以，有机氮只有通过矿化转化成为无机氮以后才能被植物吸收。土壤保持不同形态的无机氮（主要为铵态氮和硝态氮）的能力受环境条件，特别是水分条件的影响。为了将无机氮保持在土壤中，在不同的环境条件下，土壤通过调节氮在不同形态之间的转化速率，将无机氮保持在可被土壤保持的形态。但是，人类活动极大地干扰了土壤保持无机氮的策略，使土壤保持无机氮的能力下降，向环境扩散增加。所以，人类活动导致的环境氮污染，不仅是由于活性氮消耗量增加，而且也是由于人类活动对土壤保氮策略的干扰。前者已经受到高度的关注，但对后者的研究还极其有限。 Climate Change Adaptation for Conservation of Freshwater Ecosystems Jamie PITTOCK WWF Research Associate; Fenner School for Environment & Society, Australian National University; James Pittock Consulting Freshwater ecosystems are at the centre of the crisis in biodiversity loss, for reasons that mostly exclude climate change. For instance, the 2005 Millennium Ecosystem
氮在地下水系统中的迁移转化挤数学模型 摘要：近年来，我国部分地区地下水硝酸盐污染态势十分严峻，特别是集约化种植区由于施用大量氮肥导致的硝酸盐污染更为严重。为控制污染，应掌握地下水硝酸盐污染的空间变异规律与分布特征。采用地统计学方法.结果表明，不同区域地下水硝态氮含量存在一定的差异，存在明显的趋势效应以及变异性，且含量随地下水深度增加而减少。通过相关性分析，获得与地下水硝态氮含量相关性最高的两个因子（土壤有机质含量和全氮含量），并作为协克里金（Cokriging）插值方法中的协同因子，地下水硝酸盐污染进行插值。经比较分析，协克里金法比普通克里金法（OrdinaryKriging）的精度高，减少了80％的平均误差。协克里金法空间插值结果表明，空间分布规律表现在从西南到东北逐渐升高的方向性效应，而地下水硝态氮含量较高的区域主要分布在潍坊、青岛、烟台种植区，如青岛的平度、莱西，潍坊的寿光等农业较发达的种植区。 关键词：地下水硝酸盐污染；空间变异；地统计；协克里金法 Abstract：In recent years, groundwater nitrate pollution in some regions of China is very serious. Especially，nitrate pollution in intensive cultivation areas is more serious for the application of a large number of nitrogen fertilizer. The objective of this preliminary research is to investigate the potential of application geo statistical method to explore spatial variability of groundwater nitrate pollution in Shandong intensive farming regions in China. Detailed sample data of groundwater nitrate nitrogen were collected in 175 farming sites representing the typical cropping systems in the study area. Semi-variole of the geo-statistical method was used to analyze the groundwater nitrate nitrogen spatial variability based on the 175 sample sites data. The results indicated that there was an obvious variability and trend effect that gradually increasing from the southwest to the northeast. Furthermore, the concentration decreased with the increase in the depth of groundwater. For obtaining the spatial variation of groundwater nitrate nitrogen in the whole study area, cokriging method was utilized to interpolate the groundwater nitrate nitrogen pollution with two synergy factors（e.g. soil organic matter content and total nitrogen content）which were the most obvious relevant with groundwater nitrate nitrogen concentration. Compared with ordinary cringing method, cokriging method achieved higher precision with a decrease of 80% of the average error. Cokriging spatial interpolation results showed that areas with higher nitrate nitrogen concentration in groundwater mainly distributed in Weifang, Qingdao, and Yantai intensive farming regions, due to the excessive use of nitrogen fertilizer in these regions. The result suggested that the cokriging spatial interpolation was an effective approach of obtaining the groundwater nitrate nitrogen spatial variability in intensive farming regions. The possible reasons for the
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