土壤化学营养元素研究

曹石榴

[摘要]土壤作为农业生产的必备条件，为植物提供着有用的化学营养元素，其重要性是显而易见的。土壤中常见的有碳、氮、磷、硫等元素，这些元素不同的存在形式及在土壤中发生的化学反应，为植物生长提供了有力的载体。论述了土壤化学营养元素在土壤中的存在状态及迁移特征，为土壤研究提供基础依据。

[关键词]土体;化学;营养元素

[中图分类号]S153[文献标识码]

1 有机土体中的碳元素（包括无机碳与有机碳）

土壤无机碳主要是指有机土体中各种负价态的含碳无机化合物，包括土壤溶液中的碳酸根离子、土壤中的钙镁碳酸盐沉积物以及土壤空气中的CO2。除了半干旱和干旱地区的土壤无机碳含量比较高，大多数土壤特别是表层土壤无机碳含量非常低。

土壤中的无机碳一般专指土壤碳酸盐矿物中的碳。其主要有两个来源：一是继承性来源，二是发生性来源。继承性来源又包括母质遗留下来的碳酸盐和气载尘埃中的碳酸盐。土壤发生性碳酸盐聚集层一般平行于土壤表层，上部的边界距土壤表层从几厘米到约60cm，具有显著不同于上下层的形态，显示出横向的连续性。

土壤中的有机碳是指有机土体中各种正价态的含碳有机化合物，是有机土体中极其重要的组成部分，不仅与土壤肥力密切相关，而且对地球碳循环有巨大的影响。

1.1 土壤中有机碳的矿化过程

土壤中含碳的有机物质转化为CO2、H2O和无机盐的过程，就是土壤有机碳的矿化过程。土壤有机碳中，有11%～44%的DOC（溶解态有机碳）能够被微生物快速分解，特别是小分子的DOC，其周转周期仅1～10h，是土壤CO2的重要来源。DOC在土壤中的移动性很强，随径流和淋溶进入水体，导致C、N、P等的流失。土壤中的DOC的组成和含量受施肥、耕作、温度、水分等多种因素的影响，变化非常大，组成成分非常复杂。水溶性有机碳是土壤中活性最高的有机碳组分，极容易矿化。

1.2 土壤中有机碳的腐殖质化过程

进入土体的各种有机物质并不能够完全矿化为CO2、水和无机盐，少部分转化为更为复杂的、稳定的有机物质，腐殖物质或腐殖质，即土壤中有机碳的腐殖质化过程。影响土壤腐殖物质形成和转化的因素最直接、最重要的包括土壤微生物学特性和进入土壤的有机物质，其他因素如土壤黏土矿物、湿度、酸碱度、氧化还原电位等物理与化学特性等。

2 有机土体中的氮元素

土壤中氮元素形态包括有机态和无机态，以有机态为主，其转化过程主要是生物化学的过程，主要包括以下几个方面：①生物固氮作用;②有机氮氨化作用;③微生物氮固持作用;④硝化作用;⑤反硝化作用。

2.1 生物固氮

生物固氮是全球氮循环中的重要环节，是自然环境中的氮素进入生命圈的唯一途径，同时，生物固氮又是少数特定微生物的特殊功能，主要包括自生固氮、共生固氮和联合固氮3种类型。

2.2 有机氮的氨化

土壤中与还原态碳结合的含氮物质即土体中的有机氮，其数量占土壤全氮量的95%以上，主要来源是植物、动物和微生物中的有机残体，是生命形式的有机含氮化合物在土壤中的残留部分。有机氮化合物的分解本质是生物化学过程，影响因素有三类，即有机氮化合物本身的特性、影响酶产生的因素和影响酶活性发挥的因素。

2.3 硝化作用

硝化作用是指土壤中的氨、胺、酰胺等在特定的微生物的作用下经系列氧化作用转化为硝酸根的生物化学过程，包括自养硝化作用和异养硝化作用，这些都广泛的存在于有机土体生态系统中，且过程与作物生产、氮素循环、废水处理和环境保护有密切关系。

2.4 反硝化作用

反硝化作用是指在供氧不足的条件下土体中的某些微生物用O2代替氧化态氮化合物作为最终受体进行呼吸代谢而从中获取能量的过程。主要影响因素包括：土体中碳的有效性、氧气含量、硝酸根离子的浓度、温度效应、pH，发硝化作用抑制劑。

2.5 无机氮的微生物固持

指土壤微生物在氧化含碳底物获取能量而生长的过程中，从土壤环境中吸收NH4+，NO3﹣或简单的有机含氮化合物，作为构成细胞物质的材料，同化为细胞内生物大分子的过程，此过程取决于微生物的生长，与基质碳的有效性紧密相连。

3 有机土体中的磷元素

土体中的磷含量很低，且大多数以植物难以利用的无效态磷形式存在，可利用率低。根据化学性质，土壤中的磷可分为有机磷和无机磷。

3.1 土壤中的有机磷

土壤中的有机磷大多数来源于微生物，大多数有机磷化合物不能直接被生物吸收利用，只有被微生物转化为无机磷之后，才能被吸收利用。自然磷来源于成土母质，封闭的生物内循环可避免磷从自然生态系统中流失，因此，土体有机重构之后，由于外来成土质的加入，封闭的生物内循环导致了磷元素的流失。

3.2 土壤中的无机磷

在高度风化的土壤中，如老成土和氧化土中，无机磷大多数为难溶磷，溶解性很低，对植物的营养贡献也很小。施肥，特别是施用有机肥，均能减少土体对磷的固定作用。

3.3 土壤中的有机磷与无机磷的转化

土壤中磷素的地球化学过程是溶解—沉淀过程。磷的吸附与解吸量取决于土壤中磷的含量：磷含量较高时，土壤以吸附为主，磷素浓度较低时，土壤吸附的磷即发生解吸。

土壤中磷的固定是指土壤中有效磷转化为无效态磷。土壤对磷的固定是一可逆过程，根据土壤风化程度的不同可将磷的固定过程分为以钙为主的体系和以铁、铝为主的体系。土壤磷的固定包括两个过程：一是水溶性磷转化为溶解性很小的磷酸盐;二是土壤粘土矿物、方解石、水铝英石，Fe和Al的腐殖酸类化合物以及铁氧化物对磷的吸附固定。

4 有机土体中的硫元素

有机土体中的硫是植物生长必需的大量营养元素之一。硫的循环涉及土壤圈、水圈、生物圈和大气圈，硫循环与氮循环很相似，都可被还原为气体形式而从土壤中挥发，在土壤中均以有机态存在，微生物是矿化-固持和氧化-还原反应的主要推动力量。

土壤中硫的输入包括土壤风化、硫肥、杀虫剂、灌溉和大气沉降等，输出主要是植物收获、可溶性硫酸盐的淋失、气态硫挥发等。

不同的土壤类型，存在不同的氧化还原体系，硫的存在形态也有差异。硫的气态释放是推动硫循环的动力，使硫循环具有了相对较快的周转速率，但是含硫气体的释放也对大气环境造成了影响。对硫素的生物地球化学循环过程、植物需求及其在大气中的行为等进行综合研究，探讨土壤、大气环境和植物中硫素的量化平衡，使之达到既控制大气污染又满足生态系统对硫素的需求，生态环境将会改善。

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