养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 第三章氮素资源特征与氮素管理 第一节氨素资源的组成 一、士壤氨素资源 土壤氨素资源在氮素资源中占有非常重要的地位。资料表明，即使在施用大量氮肥的情 况下，作物中积累的氨素约50%来自士壤，在某些士壤上这个数字甚至在70%以上。土壤 氮素资源的含量、分布以及形态等知识、是进行资源管理的基础。 (一)含量与分布 (1)自然土壤表土中的含量（地带性分布） (2)耕地土壤耕层中的含量（人为因素的影响） (3)剖面分布 (二)形态 1无机形态 无机形态包括固定态铵、交换性铵（包括士壤溶液中的铵）NO,一、NO2一和N2O等， 它们占表土中全量的比例最低的仅1%左右，最高可达40%。以1m土体计，最低的仅占全 量的1.7%，高的达60%以上。 NO2含量很少，一般在0.3mgkg以下。其产生途径：NH,氧化NO,和NO,还原为氨 的气态氧化物过程中产生NO,但它氧化为NO,一和还原为NO等气态氧化物的速率很快。 含氨气体含量很微(NH、NO、NO、NO2等)，但由于环境效应，其通量研究受到注 意。 2有机态氮 在绝大多数表层土壤有机氮含量占全氮93-98% ()土壤有机氮化合物的种类 土壤有机氮化合物的成分非常复杂，已知化合物成分的有氨基酸、氢基糖和杂环类化合 物，约占有机氯总量的50%左右。未知成分的有机氨化合物，是存在于土壤腐殖质部分， 或者与无机胶体紧密结合难以分开的组分。 (2)有机氮化合物的分组 Bremner((1964)提出的酸解浸提和分组方法
养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 31 第三章 氮素资源特征与氮素管理 第一节 氮素资源的组成 一、土壤氮素资源 土壤氮素资源在氮素资源中占有非常重要的地位。资料表明，即使在施用大量氮肥的情 况下，作物中积累的氮素约 50%来自土壤，在某些土壤上这个数字甚至在 70%以上。土壤 氮素资源的含量、分布以及形态等知识、是进行资源管理的基础。 （一） 含量与分布 （1）自然土壤表土中的含量（地带性分布） （2）耕地土壤耕层中的含量（人为因素的影响） （3）剖面分布 （二）形态 1 无机形态 无机形态包括固定态铵、交换性铵（包括土壤溶液中的铵）NO3 —、NO2 —和 N2O 等， 它们占表土中全量的比例最低的仅 1%左右，最高可达 40%。以 1m 土体计，最低的仅占全 量的 1.7%，高的达 60%以上。 NO2 -含量很少，一般在 0.3mg/kg 以下。其产生途径：NH4 +氧化 NO3 —和 NO3 —还原为氮 的气态氧化物过程中产生 NO2 —，但它氧化为 NO2 —和还原为 NO 等气态氧化物的速率很快。 含氮气体含量很微（NH3、N2O、NO、NO2 等），但由于环境效应，其通量研究受到注 意。 2 有机态氮 在绝大多数表层土壤有机氮含量占全氮 93-98%。 (1) 土壤有机氮化合物的种类 土壤有机氮化合物的成分非常复杂，已知化合物成分的有氨基酸、氨基糖和杂环类化合 物，约占有机氮总量的 50%左右。未知成分的有机氮化合物，是存在于土壤腐殖质部分， 或者与无机胶体紧密结合难以分开的组分。 （2）有机氮化合物的分组 Bremner(1964)提出的酸解浸提和分组方法
养分资源管理课程讲义：第三章氨素资源特征与氮素管理 二。肥料氨素资源 (一)化肥氨 我国化学氨肥用量居世界各国之首，化肥氮的投入在我国氮素资源的构成及农业增产中 发挥了巨大作用。 我国的氮肥生产、进口、消费量及其在世界上的地位，我国氨肥产品构成等。 (二)有机氨肥 我国有机肥氮的数量与组成。 三。生物固氮 据估计，全球生物固氨总量每年达175亿吨，生物固氨是氨素资源的重要组成。 (一)主要的生物固氨体系 固氨微生物分为：自生固氨菌、共生固氮体系和联合固氮菌 主要的生物固氨体系有： 1.豆科植物—根瘤菌的共生固氮体系 2.藻蕨公生固氮体系一红萍（鱼腥藻与一种小的水生蕨类的共生体系） 3.自生固氯菌 固氮菌肥（微生物氮肥）的增产效果很不稳定，有以下原因： 1)即使在实验室条件下，自生固氨菌的固氮效率也不变，要显著地提高固氮芮的固 氨量必须供给大量的含碳基质作为碳源 2)固氮菌在有化合态氮供给时，则利用化合态氮，几乎不固定空气中的游离氮： 3)在肥力高的土壤中，固氨菌很容易受到其他微生物的抑制： 4.蓝藻的生物固氮 周氨蓝藻是一种光自养生物，在固氨的同时进行者放氧的光合作用。 5.固氮细菌集居在植物的根际、根表，部分细菌进入根表细胞中，它们与植物的关系 很密切，二者之间虽没有形成象根瘤那样的共生结构，但存在着具有专一性的联合 共生关系。 6.Frank放线菌与非豆科木本植物的共生周氨体系 (二)不同固氮体系的固氨量 1.豆科—根瘤固氮体系 每年每公顷几十到二百千克左右 2.联合固氨体系 难以定量，但数量不大
养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 32 二．肥料氮素资源 （一）化肥氮 我国化学氮肥用量居世界各国之首，化肥氮的投入在我国氮素资源的构成及农业增产中 发挥了巨大作用。 我国的氮肥生产、进口、消费量及其在世界上的地位，我国氮肥产品构成等。 （二）有机氮肥 我国有机肥氮的数量与组成。 三．生物固氮 据估计，全球生物固氮总量每年达 1.75 亿吨，生物固氮是氮素资源的重要组成。 （一）主要的生物固氮体系 固氮微生物分为：自生固氮菌、共生固氮体系和联合固氮菌 主要的生物固氮体系有： 1．豆科植物——根瘤菌的共生固氮体系 2．藻蕨公生固氮体系——红萍（鱼腥藻与一种小的水生蕨类的共生体系） 3．自生固氮菌 固氮菌肥（微生物氮肥）的增产效果很不稳定，有以下原因： 1）即使在实验室条件下，自生固氮菌的固氮效率也不变，要显著地提高固氮菌的固 氮量必须供给大量的含碳基质作为碳源； 2）固氮菌在有化合态氮供给时，则利用化合态氮，几乎不固定空气中的游离氮； 3）在肥力高的土壤中，固氮菌很容易受到其他微生物的抑制； 4．蓝藻的生物固氮 固氮蓝藻是一种光自养生物，在固氮的同时进行着放氧的光合作用。 5．固氮细菌集居在植物的根际、根表，部分细菌进入根表细胞中，它们与植物的关系 很密切，二者之间虽没有形成象根瘤那样的共生结构，但存在着具有专一性的联合 共生关系。 6．Frank 放线菌与非豆科木本植物的共生固氮体系 （二）不同固氮体系的固氮量 1．豆科——根瘤固氮体系 每年每公顷几十到二百千克左右 2．联合固氮体系 难以定量，但数量不大
养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 3.蓝细南和水生藻类植物共生固氮每年每公顷固氮几十千克左右（水稻田） 4.自生固氮 0-20kgN/hayr温带可能0.5-1.0kgN/hayr 四.大气沉降 (一)湿沉降 0-30kg N/ha.yr (二)干沉降 五。其他氮素资海 (一)灌溉水 (二)种子
养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 33 3．蓝细菌和水生藻类植物共生固氮 每年每公顷固氮几十千克左右（水稻田） 4．自生固氮 0-20kg N/ha.yr 温带可能 0.5-1.0kg N/ha.yr 四．大气沉降 （一）湿沉降 0-30kg N/ha.yr （二）干沉降 五．其他氮素资源 （一）灌溉水 （二）种子
养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 第二节氯素转化与氮素循环 一、矿化与生物固持 有机氮的矿化是指蛋白质、氨基糖、核酸等有机氨化合物分解并释放无机形态NH4的 过程。 氨的生物周持是指土壤生物吸收和同化无机氮的过程。 矿化和生物固持是同时发生、方向相反的两个过程，其相对强弱主要受能源物质，即有 机碳种类和数量的影响。 1、矿化量和矿化率 土壤氨素矿化量是一个容量概念，反映土壤氨素矿化能力的相对高低。 土壤氮素矿化率是土壤有机氮的生物分解性的一个相对指标，以矿化量占士壤有机氯的 百分率表示。 在影响矿化量的众多土壤因素中，土壤全氨含量是研究的最多的一个。但大量的研究表 明，矿化量与全氮的相关性好坏不一，主要原因是不同土壤氮的分解性差异很大，这主要取 决于土壤有机氮的化学形态，矿质一有机复合体及土壤理化性质等。 2、影响土壤有机氮矿化的因素 影响土壤有机氨矿化量、矿化率和矿化速率的因素，有生物的，也有非生物的，主要包 括以下几个方面： ()士壤有机物质的CN值 耕层土癢腐殖质的CN一般为913，产生变异的主要原因是土壤水热状况，以及与水 热状况有关的气候条件、土壤性质和耕作方式。在特定土壤中，腐殖质C八变化比较稳定， 对有机氨矿化的影响不大，而新增加有机质的C小显著影响氨的表观矿化量。当新鲜有机 质的CN小于20时，在分解过程中有氨的净矿化。CN大于30时，发生氮的净固持。除 绿肥外，植物残体的C小一般比较宽，因此新鲜有机质的分解过程中，特别是在初期，常 常引起氮的固持 新鲜有机质中微生物容易利用部分的CN尤为重要，虽然这部分CN比新鲜有机物质 的平均值较小，但仍比生物体的CN大。因此，如果易分解的有机物质含量高，氮素生物 固持的量较大。 土壤有效态氮的含量，也会影响新鲜有机物质分解过程中氮的矿化，特别是在分解的初 期，如果有效态氨含量高，微生物吸收土壤的氨素也多，从而增加生物固持氨的量，减少士
养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 34 第二节 氮素转化与氮素循环 一 、矿化与生物固持 有机氮的矿化是指蛋白质、氨基糖、核酸等有机氮化合物分解并释放无机形态 NH4 +的 过程。 氮的生物固持是指土壤生物吸收和同化无机氮的过程。 矿化和生物固持是同时发生、方向相反的两个过程，其相对强弱主要受能源物质，即有 机碳种类和数量的影响。 1、 矿化量和矿化率 土壤氮素矿化量是一个容量概念，反映土壤氮素矿化能力的相对高低。 土壤氮素矿化率是土壤有机氮的生物分解性的一个相对指标，以矿化量占土壤有机氮的 百分率表示。 在影响矿化量的众多土壤因素中，土壤全氮含量是研究的最多的一个。但大量的研究表 明，矿化量与全氮的相关性好坏不一，主要原因是不同土壤氮的分解性差异很大，这主要取 决于土壤有机氮的化学形态，矿质—有机复合体及土壤理化性质等。 2、 影响土壤有机氮矿化的因素 影响土壤有机氮矿化量、矿化率和矿化速率的因素，有生物的，也有非生物的，主要包 括以下几个方面： (1)土壤有机物质的 C/N 值 耕层土壤腐殖质的 C/N 一般为 9-13，产生变异的主要原因是土壤水热状况，以及与水 热状况有关的气候条件、土壤性质和耕作方式。在特定土壤中，腐殖质 C/N 变化比较稳定， 对有机氮矿化的影响不大，而新增加有机质的 C/N 显著影响氮的表观矿化量。当新鲜有机 质的 C/N 小于 20 时，在分解过程中有氮的净矿化。C/N 大于 30 时，发生氮的净固持。除 绿肥外，植物残体的 C/N 一般比较宽，因此新鲜有机质的分解过程中，特别是在初期，常 常引起氮的固持。 新鲜有机质中微生物容易利用部分的 C/N 尤为重要，虽然这部分 C/N 比新鲜有机物质 的平均值较小，但仍比生物体的 C/N 大。因此，如果易分解的有机物质含量高，氮素生物 固持的量较大。 土壤有效态氮的含量，也会影响新鲜有机物质分解过程中氮的矿化，特别是在分解的初 期，如果有效态氮含量高，微生物吸收土壤的氮素也多，从而增加生物固持氮的量，减少土
养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 壤氨的净矿化量 (2)植物根系 植物根系对土壤氯素的矿化有双重作用，既可以促进氮的生物固持，也可以促进氮的矿 化。植物根系分泌的有机物质，为士桌微生物提供了碳源，同时也增加了微生物与根系竞争 氨素的能力，减少了氯素的净矿化。植物根系对氨矿化的促进作用表现在以下三个方面： A.根系与土壤生物竞争氮素，减少了已矿化氮的微生物再固持。有人用5N标记的 方法测定秸秆分解过程中植物对1N的吸收发现，即使是CN比很宽的植物秸杆在土壤的 分解过程中，植物仍然可以吸收标记的氨。其原因有两个：其一，秸秆中各有机组分的CN 不同，在微生物分解CN窄组分时，释放的5N被附近的根系吸收：其二，原生动物对微 生物的捕食，促进了5N的释放，供附近根系吸收。 B.植物根际效应促进了微生物的生长，原有的有机氮释放加快。 C.植物对水分的吸收使干湿交替过程频繁发生，促进了有机氮矿化。 (3)肥料氮的施用 过去常认为肥料氮的施用能够促进土壤氨的矿化，并称之为氮肥的激发效应。实际上这 种促进作用多以肥料氮的生物固持为代价的，即当土壤中有肥料氮存在时，微生物利用了肥 料氨，从而使士壤己矿化无机氨再度利用的数量减少，结果是测定的土氨净矿化量增加。 而且，国内外大量的资料表明，如果考虑到这种相互作用，氯肥激发效应的结果有正有负， 或者没有任何作用。 (4)土壤生物的类型和活性土壤生物群落的结构和活性与氮矿化量，以及反应速率常 数关系很大，如，接种原生动物，或者提供有利于土壤生物生长的条件可以显著促进土壤氮 素的释放。 与士壤生物的活性密切相关的是有机碳源的含量，在一定的水热条件下，土壤生物量与 土壤有机质的含量成正相关，而且土壤微生物的空间分布也是与有机物质的分布相一致。然 而，由于能源物质的限制，大多数土壤微生物处于一种代谢活性很低的状态，个体较小的微 生物在数量上占优势，而个体较大、代谢活性较强的微生物比例很小，补充新鲜有机物质， 特别是那些CN窄的新鲜绿肥，微生物迅速生长，同时还提高了他们利用士壤原有的有机 物质的能力，增加士壤氮的矿化。 (5)土壤水分和干湿交楷 适宜士壤生物生活的土壤含水量接近田间持水量，如士水势为-10一33水Pa时，氮的矿 化速率最高。土壤水分含量的过高或过低，均会影响土壤微生物的群落的结构和活性，从而
养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 35 壤氮的净矿化量。 （2）植物根系 植物根系对土壤氮素的矿化有双重作用，既可以促进氮的生物固持，也可以促进氮的矿 化。植物根系分泌的有机物质，为土壤微生物提供了碳源，同时也增加了微生物与根系竞争 氮素的能力，减少了氮素的净矿化。植物根系对氮矿化的促进作用表现在以下三个方面： A．根系与土壤生物竞争氮素，减少了已矿化氮的微生物再固持。有人用 15N 标记的 方法测定秸秆分解过程中植物对 15N 的吸收发现，即使是 C/N 比很宽的植物秸杆在土壤的 分解过程中，植物仍然可以吸收标记的氮。其原因有两个：其一，秸秆中各有机组分的 C/N 不同，在微生物分解 C/N 窄组分时，释放的 15N 被附近的根系吸收；其二，原生动物对微 生物的捕食，促进了 15N 的释放，供附近根系吸收。 B．植物根际效应促进了微生物的生长，原有的有机氮释放加快。 C．植物对水分的吸收使干湿交替过程频繁发生，促进了有机氮矿化。 （3）肥料氮的施用 过去常认为肥料氮的施用能够促进土壤氮的矿化，并称之为氮肥的激发效应。实际上这 种促进作用多以肥料氮的生物固持为代价的，即当土壤中有肥料氮存在时，微生物利用了肥 料氮，从而使土壤已矿化无机氮再度利用的数量减少，结果是测定的土壤氮净矿化量增加。 而且，国内外大量的资料表明，如果考虑到这种相互作用，氮肥激发效应的结果有正有负， 或者没有任何作用。 （4）土壤生物的类型和活性 土壤生物群落的结构和活性与氮矿化量，以及反应速率常 数关系很大，如，接种原生动物，或者提供有利于土壤生物生长的条件可以显著促进土壤氮 素的释放。 与土壤生物的活性密切相关的是有机碳源的含量，在一定的水热条件下，土壤生物量与 土壤有机质的含量成正相关，而且土壤微生物的空间分布也是与有机物质的分布相一致。然 而，由于能源物质的限制，大多数土壤微生物处于一种代谢活性很低的状态，个体较小的微 生物在数量上占优势，而个体较大、代谢活性较强的微生物比例很小，补充新鲜有机物质， 特别是那些 C/N 窄的新鲜绿肥，微生物迅速生长，同时还提高了他们利用土壤原有的有机 物质的能力，增加土壤氮的矿化。 （5）土壤水分和干湿交替 适宜土壤生物生活的土壤含水量接近田间持水量，如土水势为-10—-33kPa 时，氮的矿 化速率最高。土壤水分含量的过高或过低，均会影响土壤微生物的群落的结构和活性，从而