土壤环境中几种常量元素的生物地球化学研究进展

王晓雁，李慧慧，刘 隆，雷 腾

（陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室, 国土资源部西安矿产资源监督检测中心，陕西 西安 710054）

土壤环境中几种常量元素的生物地球化学研究进展

王晓雁，李慧慧，刘 隆，雷 腾

（陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室, 国土资源部西安矿产资源监督检测中心，陕西 西安 710054）

通过对生物地球化学的概念以及生物地球环境化学循环进行阐述，进而得出了土壤环境生物地球化学循环的概念。通过对土壤中的生物地球化学循环所存在的物态进行分析，总结出土壤生物地球化学循环所研究的物态包括三种：即固、液、气三相物态。进而提出土壤生物地球化学中的几种主要养分元素碳、氮、磷、硫在液相物质或气相物质影响下，在土壤-生物界面之间进行迁移和传递的研究进展，得出其在生物地球化学循环中的作用。

土壤；元素；生物地球化学循环

生物地球化学是由维尔纳斯基在1902年提出，属于地球化学的一个重要分支。其主要是在研究化学元素迁移转化对生命与其周围环境的影响过程中形成。它主要研究生物活动所引起的地壳中元素的迁移、转化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、变异、衰减等规律[1]。研究生物地球化学对农业土壤改良、环境污染防治、地方病等方面的研究都有重要意义。生物地球化学循环则是研究各元素在环境中沿特定的路线运移，进而进入生物体，再回到环境中的整个过程，既包括元素在环境中的有机阶段又包括其在环境中的无机阶段。

土壤是农业生产的主要场所，也是生物生存和孕育的载体。随着人们对土壤的认识和理解不断的加深，用当代土壤圈物质循环的观点来阐释土壤的功能、作用等，将更能够反映出土壤中元素的生物地球化学本质。作为地球系统的重要组成部分，土壤既产生于地球系统，同时又支撑了地球系统的完整性。在生态系统中，土壤圈最具有活跃性和生命力，它与其它圈层间进行能量与物质的交换，形成了土壤的生物地球化学循环。土壤中的生物地球化学是研究土壤中各元素及有机物质在土壤、大气、水体间的迁移、转化、循环利用，以及它们与赋存介质之间的相互关系的学科[2-4]，可以通过分析土壤、植物间元素的交换、迁移、富集和相互作用等，得出元素在土壤中的生物地球化学循环过程。土壤中的养分元素是构成生物体的主要元素，也是土壤生物化学循环的研究过程中必须考虑的元素，因此，分析主要养分元素的生物地球化学循环有利于获得土壤与其他圈层的能量和物质交换的全过程。

1 土壤生物地球化学循环中物态的研究

土壤生态系统中主要包括固、液、气三相物态。其中的固态物质移动性很小，但固态物质中可溶性盐分、养分以及微量元素在液相物质或气相物质影响下，可以在土壤-生物之间进行迁移和传递，这部分固相物质在生态地球化学循环中才具有生物学的意义。而土壤中水分在土壤、生物、大气间的迁移转化构成了土壤水分的生物地球化学循环。土壤水分在土壤与生物之间迁移不仅仅是由于水分是生物的重要组成部分，更重要的是它是养分元素从土壤进入生物体的载体。土壤是一个多孔物质，气态物质在土壤孔隙中存在，虽然数量不大，但它对土壤上的植物和土壤微生物的生长和发展具有重要意义，特别是植物根系的呼吸作用，主要靠土壤中的气态物质。土壤中各元素的生态地球化学循环，基本是以液、气两种物态为运动载体的[5]。

2 土壤中常量元素的生物地球化学循环

2.1 碳元素的生物地球化学循环

大自然中的一切有机物都是以碳作为基本元素，而自然界碳库中最活跃的部分是农田土壤中的碳库，它对维持全球的碳平衡具有极大的作用[6,7]。碳元素在土壤生物地球化学循环过程中具有很大的作用。尤其是对土壤中有机碳行为的研究(无机碳更新时间尺度太长)。目前，对土壤中碳元素的生物地球化学循环研究主要有：（1）土壤中碳库重要性的研究[8,9]；（2）土壤碳的形态与活性研究[10]；（3）土壤碳循环与全球变化的研究[11-13]。土壤中有机碳的储存量约占全球生物有机碳的90%，土壤有机碳的输入主要通过土壤呼吸作用固定大气中的碳以及土壤生物死后残留在土壤中形成。通过研究土壤有机碳动态与生物变化的关系，发现土壤微生物特别是根际土壤微生物的变化可以较好地调节土壤碳的微区结构[14]，同样，这在碳循环对气候变化的反馈作用上，也起着重要的作用[15]。由此可见，土壤有机碳在生物地球化学循环中起着很重要的作用，它是土壤圈与其他圈层联系的纽带，因此，土壤固碳与土壤可持续性的密切耦联关系逐渐成为多学科综合研究的主要领域[16]。

2.2 氮元素的生物地球化学循环

氮元素既是地球上生物生长必需的营养元素，氮素的投入又是农业增产的主要措施之一。氮素限制着地球生态系统的基础生产力。大气中有着丰富的氮元素，但是不能被植物直接吸收利用，只有在进入土壤经过固氮生物固定，将其转化为铵盐才能被植物吸收利用，并且合成蛋白质和其他含氮有机物，从而促进物质在整个生态系统中的循环。土壤中氮元素的循环是一个高度动态的过程，且在这个过程中有着复杂的转移方式和途径[17]。同时土壤环境中的氮元素循环不是独立存在，会受到很多因素的影响，例如土壤的种类、pH、微生物、径流、有机肥、化肥、降尘飘尘等[18]。目前对土壤氮的研究主要从以下几方面开展：（1）土壤氮元素的含量、分布与形态。氮元素在土壤中的分布主要为同一深度处高寒区含量大于温带地区，且主要集中于表层，随着土壤的深度加大，氮元素含量逐渐降低[19]。氮元素在土壤中主要以有机态存在[20]，无机氮相对较低，人们一直认为植物只能吸收土壤中无机氮，但最新的研究表明，在严重缺乏营养元素的条件下，某些植物可以直接吸收有机态中的氮素[21]。（2）氮元素在土壤中的迁移转化的研究。随着社会经济的发展，人们越来越重视人类活动对氮素全球循环的扰动的研究[22-25]。人类施入土壤中的氮肥，约有20%～75% 可以被植物吸收并利用[26]，剩下的以矿质氮的形式残留在土壤外，一部分以气态逸向大气，另一部分经淋溶损失和径流进入水体。没有被吸收植物吸收的氮通过各种途径严重影响生态环境，威胁人类的健康安全[27]。（3）土壤中氮元素的损失及其环境效应的研究。土壤氮氧化物的释放及铵的挥发、氮素淋溶损失、氮素径流损失均会造成周围环境的破坏[28]。而在氮元素的损失中，又伴随了氧化还原，硝化反硝化等反应，共同构成了土壤中氮元素的生物地球化学循环。因此，土壤中氮元素不仅仅是构成地球生物的重要组成部分，更重要的是土壤氮素形态转化、循环和损失过程，对整个生态环境系统具有重要的意义。

2.3 磷元素的生物地球化学循环

磷元素是农业生产中最重要的养分元素，同时，也是植物必需的营养元素之一。自然界中，沉积物中的磷元素主要以磷酸盐的形式存在，植物也只吸收磷酸盐溶液中的磷。在酸性的条件下，土壤中的磷酸根易与铁、铝结合，都形成难以溶解的磷酸盐，而在碱性环境下则易于土壤中钙元素相结合，使得植物不能直接利用。同时，磷酸盐易于被淋溶，从而进入生态系统中其他圈层，造成污染，且一部分经径流携带而沉积于海底，使磷质离开生物圈无法完成整个循环。土壤中磷的生物地球化学循环和生物有效性及环境效应均会受到磷元素化学行为的直接影响。目前，土壤中磷的生物地球化学循环主要研究内容有：（1）土壤中磷的形态研究。土壤中磷元素主要分为无机和有机两大类[29-32]。无机磷又分为次生无机磷酸盐类和原生矿物磷灰石类，原生矿物磷灰石类则有化合态和吸附态两种赋存形态；而有机态的磷化合物中大部分未知，已知的土壤中有机磷主要有植素类、磷脂类、核酸及其衍生物。（2）土壤中磷元素的迁移转化与固定。土壤中磷素的转化过程主要包括溶解和沉淀，其中土壤中磷素的含量会决定吸附与解析的量[33]。而土壤中磷的固定是指土壤中有效磷转化为无效态磷，主要包括矿物质固定、土壤颗粒固定、阳离子固定、有机固定等。土壤中磷元素的固定过程在南方和北方不同，北方石灰性土壤主要以钙为主的体系，长江以南地区土壤则以铁、铝为主的体系进行固定。而固定态磷可经过土壤的风干过程、土壤生物的死亡过程实现磷的释放[34-36]。（3）土壤磷素与水体富营养化的研究。土壤中磷元素在人为参与下，施入量过大，或者土壤淋溶较为严重时，则会造成土壤中磷素的缺失，而这部分磷素进入水体则会造成谁提的富营养化。因此，在研究土壤磷素的化学行为及其影响因素的过程中，结合磷元素的化学行为，有助于人们更好地认识和利用磷元素，同时对保护生态环境具有重要的意义[37]。

2.4 硫元素的生物地球化学循环

硫元素是地壳中含量最丰富的元素之一。硫在土壤中的化学行为直接影响到其他圈层中硫元素的交换、循环。在土壤中，硫元素主要以硫酸盐的形式存在，植物也是以硫酸盐溶液形式吸收利用硫元素。同时在土壤中的硫可在微生物的作用下转化为硫化氢等气体形态，通过氧化复而形成硫酸，以酸雨的形式降入土壤和水中。而硫元素在土壤和水体之间的相互转化则是由土壤中富氧层和贫氧层中具有氧化和还原作用的两种微生物体系所决定的。现阶段对土壤中硫元素的研究从以下几个方面开展：（1）土壤中硫元素形态的研究。硫在土壤中一般分为无机态硫和有机态硫两大类。无机态硫主要包括单质硫、硫化物、易溶性硫酸盐、吸附性硫酸盐、与天然碳酸钙共沉淀的硫酸盐及其他形态的硫酸盐沉淀等。有机态硫主要包括酯键硫、碳键硫、惰性硫等[38-39]。（2）硫元素在土壤中的化学行为的研究。土壤中的硫元素同样存在吸附解析、氧化还原、矿化作用、循环迁移等运移行为。硫元素通过这些运移行为来完成其在各圈层中的生物地球化学循环。而这些反应中有微生物的参与但同时受环境条件的制约[40-42]。硫元素在地壳中主要以硫酸钙、硫化铁和单质硫的形式存在，岩石的风化会引起这些含硫化合物进入土壤圈，进而完成硫元素的生物地球化学循环。（3）土壤中硫元素循环对环境的影响。土壤中硫元素通过一系列的化学反应，产生大量气态硫化物进入大气，引起全球变化，进而威胁到自然生态系统及人类的生产生活环境。同时，土壤中硫元素的氧化还原作用会对氮、碳元素循环及土壤环境产生影响。因此，研究土壤中硫元素的化学循环对周围环境、农作物产量、土壤性质的变化都具有一定意义[43,44]。

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Research on Biogeochemical Cycling of Several Macroelements in Soil

WANG Xiao-yan, LI Hui-hui, LIU Long, LEI Teng
（Shaanxi Provincial Key Laboratory of Mineral Exploration and Utilization, Xi’an Testing and Quality Supervision Center for
Geological and Mineral Products, The Ministry of Land and Resource, Shaanxi Xi’an 710054, China）

The concept of biogeochemistry and biological chemical cycle were described as well as soil environmental biogeochemistry cycle. The state of matter in soil during the biogeochemical cycle was analyzed, the state includes three types: solid, liquid, gas phase. Several main nutrient elements in the soil biogeochemistry were put forward, such as carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur. Research progress in their migration and transfer between soil and biological interface was discussed, its role in the biogeochemical cycle was obtained.

Soil；Macroelements；Biogeochemical cycle

国土资源部公益性行业科研专项，项目号：201311096-02；陕西省自然科学基金项目，项目号：2014JM5217。

2015-06-28

王晓雁（1981-），女，陕西渭南人，工程师，2004年毕业于西北大学化学专业，研究方向：从事化学分析及质量控制研究工作。E-mail：wkxbb@163.com。

S 151.9

A

1671-0460（2015）08-2038-04