土壤化學營養元素研究

曹石榴

[摘要]土壤作為農業生產的必備條件，為植物提供著有用的化學營養元素，其重要性是顯而易見的。土壤中常見的有碳、氮、磷、硫等元素，這些元素不同的存在形式及在土壤中發生的化學反應，為植物生長提供了有力的載體。論述了土壤化學營養元素在土壤中的存在狀態及遷移特征，為土壤研究提供基礎依據。

[關鍵詞]土體;化學;營養元素

[中圖分類號]S153[文獻標識碼]

1 有機土體中的碳元素（包括無機碳與有機碳）

土壤無機碳主要是指有機土體中各種負價態的含碳無機化合物，包括土壤溶液中的碳酸根離子、土壤中的鈣鎂碳酸鹽沉積物以及土壤空氣中的CO2。除了半干旱和干旱地區的土壤無機碳含量比較高，大多數土壤特別是表層土壤無機碳含量非常低。

土壤中的無機碳一般專指土壤碳酸鹽礦物中的碳。其主要有兩個來源：一是繼承性來源，二是發生性來源。繼承性來源又包括母質遺留下來的碳酸鹽和氣載塵埃中的碳酸鹽。土壤發生性碳酸鹽聚集層一般平行于土壤表層，上部的邊界距土壤表層從幾厘米到約60cm，具有顯著不同于上下層的形態，顯示出橫向的連續性。

土壤中的有機碳是指有機土體中各種正價態的含碳有機化合物，是有機土體中極其重要的組成部分，不僅與土壤肥力密切相關，而且對地球碳循環有巨大的影響。

1.1 土壤中有機碳的礦化過程

土壤中含碳的有機物質轉化為CO2、H2O和無機鹽的過程，就是土壤有機碳的礦化過程。土壤有機碳中，有11%～44%的DOC（溶解態有機碳）能夠被微生物快速分解，特別是小分子的DOC，其周轉周期僅1～10h，是土壤CO2的重要來源。DOC在土壤中的移動性很強，隨徑流和淋溶進入水體，導致C、N、P等的流失。土壤中的DOC的組成和含量受施肥、耕作、溫度、水分等多種因素的影響，變化非常大，組成成分非常復雜。水溶性有機碳是土壤中活性最高的有機碳組分，極容易礦化。

1.2 土壤中有機碳的腐殖質化過程

進入土體的各種有機物質并不能夠完全礦化為CO2、水和無機鹽，少部分轉化為更為復雜的、穩定的有機物質，腐殖物質或腐殖質，即土壤中有機碳的腐殖質化過程。影響土壤腐殖物質形成和轉化的因素最直接、最重要的包括土壤微生物學特性和進入土壤的有機物質，其他因素如土壤黏土礦物、濕度、酸堿度、氧化還原電位等物理與化學特性等。

2 有機土體中的氮元素

土壤中氮元素形態包括有機態和無機態，以有機態為主，其轉化過程主要是生物化學的過程，主要包括以下幾個方面：①生物固氮作用;②有機氮氨化作用;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環中的重要環節，是自然環境中的氮素進入生命圈的唯一途徑，同時，生物固氮又是少數特定微生物的特殊功能，主要包括自生固氮、共生固氮和聯合固氮3種類型。

2.2 有機氮的氨化

土壤中與還原態碳結合的含氮物質即土體中的有機氮，其數量占土壤全氮量的95%以上，主要來源是植物、動物和微生物中的有機殘體，是生命形式的有機含氮化合物在土壤中的殘留部分。有機氮化合物的分解本質是生物化學過程，影響因素有三類，即有機氮化合物本身的特性、影響酶產生的因素和影響酶活性發揮的因素。

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經系列氧化作用轉化為硝酸根的生物化學過程，包括自養硝化作用和異養硝化作用，這些都廣泛的存在于有機土體生態系統中，且過程與作物生產、氮素循環、廢水處理和環境保護有密切關系。

2.4 反硝化作用

反硝化作用是指在供氧不足的條件下土體中的某些微生物用O2代替氧化態氮化合物作為最終受體進行呼吸代謝而從中獲取能量的過程。主要影響因素包括：土體中碳的有效性、氧氣含量、硝酸根離子的濃度、溫度效應、pH，發硝化作用抑制劑。

2.5 無機氮的微生物固持

指土壤微生物在氧化含碳底物獲取能量而生長的過程中，從土壤環境中吸收NH4+，NO3﹣或簡單的有機含氮化合物，作為構成細胞物質的材料，同化為細胞內生物大分子的過程，此過程取決于微生物的生長，與基質碳的有效性緊密相連。

3 有機土體中的磷元素

土體中的磷含量很低，且大多數以植物難以利用的無效態磷形式存在，可利用率低。根據化學性質，土壤中的磷可分為有機磷和無機磷。

3.1 土壤中的有機磷

土壤中的有機磷大多數來源于微生物，大多數有機磷化合物不能直接被生物吸收利用，只有被微生物轉化為無機磷之后，才能被吸收利用。自然磷來源于成土母質，封閉的生物內循環可避免磷從自然生態系統中流失，因此，土體有機重構之后，由于外來成土質的加入，封閉的生物內循環導致了磷元素的流失。

3.2 土壤中的無機磷

在高度風化的土壤中，如老成土和氧化土中，無機磷大多數為難溶磷，溶解性很低，對植物的營養貢獻也很小。施肥，特別是施用有機肥，均能減少土體對磷的固定作用。

3.3 土壤中的有機磷與無機磷的轉化

土壤中磷素的地球化學過程是溶解—沉淀過程。磷的吸附與解吸量取決于土壤中磷的含量：磷含量較高時，土壤以吸附為主，磷素濃度較低時，土壤吸附的磷即發生解吸。

土壤中磷的固定是指土壤中有效磷轉化為無效態磷。土壤對磷的固定是一可逆過程，根據土壤風化程度的不同可將磷的固定過程分為以鈣為主的體系和以鐵、鋁為主的體系。土壤磷的固定包括兩個過程：一是水溶性磷轉化為溶解性很小的磷酸鹽;二是土壤粘土礦物、方解石、水鋁英石，Fe和Al的腐殖酸類化合物以及鐵氧化物對磷的吸附固定。

4 有機土體中的硫元素

有機土體中的硫是植物生長必需的大量營養元素之一。硫的循環涉及土壤圈、水圈、生物圈和大氣圈，硫循環與氮循環很相似，都可被還原為氣體形式而從土壤中揮發，在土壤中均以有機態存在，微生物是礦化-固持和氧化-還原反應的主要推動力量。

土壤中硫的輸入包括土壤風化、硫肥、殺蟲劑、灌溉和大氣沉降等，輸出主要是植物收獲、可溶性硫酸鹽的淋失、氣態硫揮發等。

不同的土壤類型，存在不同的氧化還原體系，硫的存在形態也有差異。硫的氣態釋放是推動硫循環的動力，使硫循環具有了相對較快的周轉速率，但是含硫氣體的釋放也對大氣環境造成了影響。對硫素的生物地球化學循環過程、植物需求及其在大氣中的行為等進行綜合研究，探討土壤、大氣環境和植物中硫素的量化平衡，使之達到既控制大氣污染又滿足生態系統對硫素的需求，生態環境將會改善。

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