《养分资源管理》课程授课教案（讲义）第三章 氮素资源特征与氮素管理

养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 影响士壤有机氨的矿化。 土壤水分的频繁变化，即干湿交替的频繁发生促进土壤氮的矿化，这种作用称为干土效 应，其作用机理表现在：A干燥过程可以杀死部分微生物，当湿润过程开始后，这部分微 生物是其他土壤微生物很好的食物，士壤生物对其的利用，促进了氮的矿化和释放。B.干 燥过程促进土壤有机氨化合物的溶解，并易于被士壤微生物所利用。C,干湿交替打破了水 稳性团粒结构，增加了微生物与士壤有机物质的接触面，提高了有机氮的微生物有效性和矿 化。 (6)土温度和冻融交替 在一定范围内随者温度的提高，有机氨矿化速率加快：土壤冻融交替对氨矿化影响的机 理与干湿交替相似，能够促进氮的矿化。 (7)土壤pH 对环境长期适应的结果，不同类型的士壤生物有不同的最适士壤H范围，但是，在一 般土壤的pH范用内，pH值的差异对有机氮矿化的影响不大。如果显著改变土壤pH,无论 变酸或者变碱，都将抑制氨的矿化 (8)其他因素 土壤铵的固定能力本身对土壤有机氨的矿化过程的影响不大，但影响矿化量的测定值， 因此，当士壤粘土矿物对铵的固定能力较强时，易低估氮的矿化量。土壤重金属和有机溶解 物将抑制士壤生物活性和有机氨的矿化。 二、硝化作用 硝化作用是指NH:转化NO、NO,一的过程，包括自养和异养硝化过程，以自养硝化 过程为主，在某些酸性士壤，异养的硝化过程占有相当的比重，或者成为主要过程。此外 在某些特定条件下，化学的硝化过程也可能发生。 (一)自养硝化过程 1生物化学过程 硝化作用一般是指自养硝化作用，即由自养微生物将氨氧化为亚硝酸和硝酸的过程，在 硝化过程中，自养微生物获得能量，用于固定C0和其他代谢活动。 硝化过程分两步进行，首先NH:被氧化为NO2一： NH→NHOH→NOH→NO2 这个过程由亚硝酸细茵（又称氨氧化细菌）完成，由于至今尚未分离到纯OH氧化裤， 36

养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 36 影响土壤有机氮的矿化。 土壤水分的频繁变化，即干湿交替的频繁发生促进土壤氮的矿化，这种作用称为干土效 应，其作用机理表现在：A. 干燥过程可以杀死部分微生物，当湿润过程开始后，这部分微 生物是其他土壤微生物很好的食物，土壤生物对其的利用，促进了氮的矿化和释放。B. 干 燥过程促进土壤有机氮化合物的溶解，并易于被土壤微生物所利用。C. 干湿交替打破了水 稳性团粒结构，增加了微生物与土壤有机物质的接触面，提高了有机氮的微生物有效性和矿 化。 （6）土壤温度和冻融交替 在一定范围内随着温度的提高，有机氮矿化速率加快；土壤冻融交替对氮矿化影响的机 理与干湿交替相似，能够促进氮的矿化。 （7）土壤 pH 对环境长期适应的结果，不同类型的土壤生物有不同的最适土壤 pH 范围，但是，在一 般土壤的 pH 范围内，pH 值的差异对有机氮矿化的影响不大。如果显著改变土壤 pH，无论 变酸或者变碱，都将抑制氮的矿化。 （8）其他因素 土壤铵的固定能力本身对土壤有机氮的矿化过程的影响不大，但影响矿化量的测定值， 因此，当土壤粘土矿物对铵的固定能力较强时，易低估氮的矿化量。土壤重金属和有机溶解 物将抑制土壤生物活性和有机氮的矿化。 二、硝化作用 硝化作用是指 NH4 +转化 NO2 —、NO3 —的过程，包括自养和异养硝化过程，以自养硝化 过程为主，在某些酸性土壤，异养的硝化过程占有相当的比重，或者成为主要过程。此外， 在某些特定条件下，化学的硝化过程也可能发生。 （一） 自养硝化过程 1 生物化学过程 硝化作用一般是指自养硝化作用，即由自养微生物将氨氧化为亚硝酸和硝酸的过程，在 硝化过程中，自养微生物获得能量，用于固定 CO2 和其他代谢活动。 硝化过程分两步进行，首先 NH4 +被氧化为 NO2 —： NH4 +→NH2OH→NOH→NO2 — 这个过程由亚硝酸细菌（又称氨氧化细菌）完成，由于至今尚未分离到纯 NOH 氧化酶

养分资源管理课程讲义：第三章氨素资源特征与氮素管理 人们对NOH是否是中间产物还有怀疑。己分离纯化的氨氧化酶和羟胺氧化还原酶催化下列 反应： 氨氧化酶 NH,*+O2+2e 羟基氧化还原酶 NH-OH+H-O >NO2-+5H*+4e- 其中氨氧化为羟胺的过程是吸热的过程，而羟胺氧化为亚硝酸的过程是放能的过程，在 整个过程中，有能量的净释放。 NO,一氧化为NO,一的过程是由硝酸细菌（又称硝酸氧化细菌），在亚硝酸氧化还原醇催 化下完成的： 亚硝酸氧化还原酶 No-+H2O ,N03-+2H+2e- 在这个过程中NO,一中氧的直接来源是水而不是分子氧，在膜上细胞色素还原酶将分子 氧还原为水。 由于在NO2一的氧化过程比NH:氧化为NO2一过程释放的能量低得多，因而硝化细菌对 NO2一的氧化过程进行的很快，土壤中一般没有NO2一的积累。 2影响自养硝化作用的因素 自养硝化微生物需要氨、二氧化碳和氧气，因此其分布与底物、碳源和氧分压有关。另 外，土壤pH、士壤水分和通气状况等对硝化微生物的生长也有重要的影响。其他士壤性质 和环境因素能够影响底物、碳源和氧气的供应，影响土壤pH及其缓冲能力、士壤水分和通 气状况，从而影响硝化过程的进行，这些因素主要有： (1)底物和产物 NH:慨可以促进硝化微生物的活性，也可以抑制硝化过程的进行，与溶液中的NH:浓 度和pH有关。当NH4*浓度<300μgg一时，随着溶液中底物浓度提高，硝化作用增强。当 底物浓度过高时，特别是土壤pH较高时，如果NH>400ugg一'，溶液中高NH分压将抑 制硝化作用进行，其中亚硝酸氧化还原酶比氨氧化酶更敏感，因此当NH,分压过高时，会 有NO,一积累。氨对硝化过程的抑制作用主要发生在施肥点附近。 另外，土壤溶液中NO,一过高时，在反馈调节作用下，硝化过程受到抑制

养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 37 人们对 NOH 是否是中间产物还有怀疑。已分离纯化的氨氧化酶和羟胺氧化还原酶催化下列 反应： 氨氧化酶 NH4 ++O2+2e—⎯⎯⎯→NH2OH+H2O 羟基氧化还原酶 NH2OH+H2O⎯⎯⎯⎯⎯⎯→NO2 —+5H++4e— 其中氨氧化为羟胺的过程是吸热的过程，而羟胺氧化为亚硝酸的过程是放能的过程，在 整个过程中，有能量的净释放。 NO2 —氧化为 NO3 —的过程是由硝酸细菌（又称硝酸氧化细菌），在亚硝酸氧化还原酶催 化下完成的： 亚硝酸氧化还原酶 NO2 —+H2O⎯⎯⎯⎯⎯⎯→NO3 —+2H++2e— 在这个过程中 NO3 —中氧的直接来源是水而不是分子氧，在膜上细胞色素还原酶将分子 氧还原为水。 由于在 NO2 —的氧化过程比 NH3 氧化为 NO2 —过程释放的能量低得多，因而硝化细菌对 NO2 —的氧化过程进行的很快，土壤中一般没有 NO2 —的积累。 2 影响自养硝化作用的因素 自养硝化微生物需要氨、二氧化碳和氧气，因此其分布与底物、碳源和氧分压有关。另 外，土壤 pH、土壤水分和通气状况等对硝化微生物的生长也有重要的影响。其他土壤性质 和环境因素能够影响底物、碳源和氧气的供应，影响土壤 pH 及其缓冲能力、土壤水分和通 气状况，从而影响硝化过程的进行，这些因素主要有： （1）底物和产物 NH4 +既可以促进硝化微生物的活性，也可以抑制硝化过程的进行，与溶液中的 NH4 +浓 度和 pH 有关。当 NH4 +浓度300g g—1 时，随着溶液中底物浓度提高，硝化作用增强。当 底物浓度过高时，特别是土壤 pH 较高时，如果 NH4 +>400ug g—1，溶液中高 NH3 分压将抑 制硝化作用进行，其中亚硝酸氧化还原酶比氨氧化酶更敏感，因此当 NH3 分压过高时，会 有 NO2 —积累。氨对硝化过程的抑制作用主要发生在施肥点附近。 另外，土壤溶液中 NO3 —过高时，在反馈调节作用下，硝化过程受到抑制

养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 (2)土壤pH 硝化细菌生活的最适土案pH为中性到微碱性，在p=5.5以下活性很低，其下限是 pH4.5。有时在强酸性士壤中也有硝化作用的发生，其原因可能是由于异养硝化过程发生或 者土壤中有中性的微域环境存在，自养硝化微生物可以生活。然而，土壤的碱性环境可加重 氨的毒害作用。 (3)水分和氧气状况 在土壤水势在-10一33张P阳之间，硝化微生物作用最强。土壤水分含量降低或者升高 均影响硝化微生物的活性。在土壤水饱和时，硝化作用接近零，在稻田，由于植物根系的泌 氧作用，根际土壤中硝化过程仍可以进行，而且在稻田上部的氧化层，硝化过程也可以进行。 (4)温度 在5-40℃内，自养硝化过程都能够进行。硝化微生物生长的最适温度与长期生活环境 的温度有关，一般在25一35C之间。 (5)光照 光对硝化微生物的生长有抑制作用。 (6)生物的作用 土案氨的矿化可以为硝化微生物提供氨和碳源，因此，使用有机肥会促进硝化作用的进 行，但在局部微域环境中，如果有机物质的强烈分解对氧的消耗过多，硝化微生物生活受到 抑制。土壤生物和植物根系释放的酚酸类物质、单宁、酚糖苷等有机物质，也对硝化微生物 有抑制作用，因此在早田土壤，根际硝化微生物的活性低于非根际土壤。 (7)重金属和农用化学物质 土壤中自养的硝化微生物对重金属和农用化学物质非常敏感。因此，施入土壤中的这些 物质对硝化过程有抑制作用。 3自养硝化过程中微量气体的释放 近年来的研究表明，士装中自养硝化微生物可以参与微量氨氧化物气体，包括NO和 N:0的产生，主要在氨氧化过程中产生。 这些气体的产生与氧分压有关，降低氧分压有利于NO和N,O的生成。过程中，NO产 生的量一般高于NO,其中N,O/NO,一的比值可达20%。N0是重要的温室效应气体之一， 单位N20气体对温室效应的贡献是CO2的200-300倍，此外，N2以及NO、NO2参与平流

养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 38 （2）土壤 pH 硝化细菌生活的最适土壤 pH 为中性到微碱性，在 pH=5.5 以下活性很低，其下限是 pH=4.5。有时在强酸性土壤中也有硝化作用的发生，其原因可能是由于异养硝化过程发生或 者土壤中有中性的微域环境存在，自养硝化微生物可以生活。然而，土壤的碱性环境可加重 氨的毒害作用。 （3）水分和氧气状况 在土壤水势在-10—-33kPa 之间，硝化微生物作用最强。土壤水分含量降低或者升高， 均影响硝化微生物的活性。在土壤水饱和时，硝化作用接近零，在稻田，由于植物根系的泌 氧作用，根际土壤中硝化过程仍可以进行，而且在稻田上部的氧化层，硝化过程也可以进行。 （4）温度 在 5-40C 内，自养硝化过程都能够进行。硝化微生物生长的最适温度与长期生活环境 的温度有关，一般在 25—35C 之间。 （5）光照 光对硝化微生物的生长有抑制作用。 （6）生物的作用 土壤氮的矿化可以为硝化微生物提供氨和碳源，因此，使用有机肥会促进硝化作用的进 行，但在局部微域环境中，如果有机物质的强烈分解对氧的消耗过多，硝化微生物生活受到 抑制。土壤生物和植物根系释放的酚酸类物质、单宁、酚糖苷等有机物质，也对硝化微生物 有抑制作用，因此在旱田土壤，根际硝化微生物的活性低于非根际土壤。 （7）重金属和农用化学物质 土壤中自养的硝化微生物对重金属和农用化学物质非常敏感。因此，施入土壤中的这些 物质对硝化过程有抑制作用。 3 自养硝化过程中微量气体的释放 近年来的研究表明，土壤中自养硝化微生物可以参与微量氮氧化物气体，包括 NO 和 N2O 的产生，主要在氨氧化过程中产生。 这些气体的产生与氧分压有关，降低氧分压有利于 NO 和 N2O 的生成。过程中，NO 产 生的量一般高于 N2O，其中 N2O/ NO3 —的比值可达 20%。N2O 是重要的温室效应气体之一， 单位 N2O 气体对温室效应的贡献是 CO2 的 200—300 倍，此外，N2 以及 NO、NO2 参与平流

养分资源管理课程讲义：第三章氨素资源特征与氮素管理 层臭氧的分解。大气中的NO不稳定，易发生光化学反应，生成NO,或者与NH反应生 成N2O. (二)异养的硝化过程 在异养硝化过程中，有许多种异养微生物，包括细菌、真菌和放线菌等，能够利用无机 或者有机的底物并将氨或者胺氧化成为NO一和NO一。与自养硝化过程不同，在异养硝化 过程中，微生物不大可能将反映过程中产生的能量作为能源，起码不是唯一能源，此过程大 致如下： 无机态： NH-→NOH-→(NO)-→NO-→NO 个 ↑ ↑ ↑ 有机态：R-NH一→R-NHOH一→R-NO一→R-NO2一→NO R=NOH 尽管在纯培养的条件下，有许多种微生物具有这种作用，但是至今仍不清楚有多少微生 物在自然条件下能够发生这种作用。根据目前的资料可以看到，在酸性土壤中，能够参与异 养硝化过程的微生物数量较多，特别是在森林土壤中。 异养消化作用的生态意义在于由于这些异养微生物能够在酸性土壤上生活，因此，在自 养硝化微生物难以生存的强酸性士壤中，硝化过程仍然能够进行。此外，异养硝化过程的进 行不受土壤氮矿化过程的限制，无论是铵态氮或者是有机物质，硝化作用都可以进行。而且， 硝化抑制剂对氨的异养氧化不起作用。但是异养硝化作用进行的比较慢，其反应速率远远低 于自养的硝化过程。 (三)化学硝化作用 化学的硝化过程也会在土壤发生，其先决条件是士壤中有NO2一的积累。由于土壤中 NO2的氧化比氨快的多，在一般情况下NO2一不累积。但是当土壤中铵的浓度太高，或者 土壤pH较高时，NH对亚硝酸氧化酶的抑制作用可能导致NO2一的累积。化学硝化过程主 要有两种途径： A.2NO2-+2H'=NO+H2O+NO2 NO;-+NO:-+2H* ↓1/202 B.NOz-+2MnO2=Mn2O:+NO3- 39

养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 39 层臭氧的分解。大气中的 NO 不稳定，易发生光化学反应，生成 NO2，或者与 NH3 反应生 成 N2O。 （二） 异养的硝化过程 在异养硝化过程中，有许多种异养微生物，包括细菌、真菌和放线菌等，能够利用无机 或者有机的底物并将氨或者胺氧化成为 NO2 —和 NO3 —。与自养硝化过程不同，在异养硝化 过程中，微生物不大可能将反映过程中产生的能量作为能源，起码不是唯一能源，此过程大 致如下： 无机态： NH4 + ⎯→ NH2OH ⎯→（HNO） ⎯→ NO2 — ⎯→ NO3 —      有机态： R-NH2 ⎯→ R-NHOH ⎯→ R-NO ⎯→ R-NO2 ⎯→ NO3 — R=NOH 尽管在纯培养的条件下，有许多种微生物具有这种作用，但是至今仍不清楚有多少微生 物在自然条件下能够发生这种作用。根据目前的资料可以看到，在酸性土壤中，能够参与异 养硝化过程的微生物数量较多，特别是在森林土壤中。 异养消化作用的生态意义在于由于这些异养微生物能够在酸性土壤上生活，因此，在自 养硝化微生物难以生存的强酸性土壤中，硝化过程仍然能够进行。此外，异养硝化过程的进 行不受土壤氮矿化过程的限制，无论是铵态氮或者是有机物质，硝化作用都可以进行。而且， 硝化抑制剂对氨的异养氧化不起作用。但是异养硝化作用进行的比较慢，其反应速率远远低 于自养的硝化过程。 （三） 化学硝化作用 化学的硝化过程也会在土壤发生，其先决条件是土壤中有 NO2 —的积累。由于土壤中 NO2 —的氧化比氨快的多，在一般情况下 NO2 —不累积。但是当土壤中铵的浓度太高，或者 土壤 pH 较高时，NH3 对亚硝酸氧化酶的抑制作用可能导致 NO2 —的累积。化学硝化过程主 要有两种途径： A．2NO2 —+2H+=NO+H2O+NO2 NO3 —+NO2 —+2H+ 1/2O2 NO2 B．NO2 —+2MnO2 =Mn2O3+NO3 —

养分资源管理课程讲义：第三章氮素资源特征与氮素管理 第一种途径主要发生在酸性土壤上，在反应过程中，NO2既是电子供体也是电子受体。 NO2的歧化反应，生成了NO2一和NO一，后一种途径与锰氧化物的催化作用有关.由于NO2一 积累的可能性不大，因此化学硝化作用一般不重要。 名

养分资源管理课程讲义： 第三章 氮素资源特征与氮素管理 40 第一种途径主要发生在酸性土壤上，在反应过程中，NO2 既是电子供体也是电子受体。 NO2 的歧化反应，生成了 NO2 —和 NO3 —，后一种途径与锰氧化物的催化作用有关。由于 NO2 — 积累的可能性不大，因此化学硝化作用一般不重要