第七章土壤与植物氮素营养及化学氮肥.docx
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第七章土壤与植物氮素营养及化学氮肥
第七章土壤与植物氮素营养及化学氮肥
第一节土壤氮素营养
一、土壤中氮素的来源及其含量
（一）来源
1.施入土壤中的化学氮肥和有机肥料
2.动植物残体的归还
3.生物固氮
4.雷电降雨带来的NH4＋－N和NO3－－N
（二）、土壤氮素的含量
1土壤氮素的含量
土壤中氮素的含量受自然因素如母质、植被、气候等影响，同时也受人为因素如利用方式、耕作、施肥及灌溉等措施的影响。
我国自然植被下土壤表土中氮素的含量与有机质含量密切相关。
我国土壤含氮量的地域性规律：
北增加
西长江东增加
南增加
一般农业土壤耕层氮素含量在0.5-3.0g/kg之间。
较高的氮素含量往往被看成为土壤肥沃程度的重要标志。
表层含氮量最高，以下各层随深度增加而锐减。
（三）、土壤中氮的形态
1.无机氮吸附态土壤胶体吸附
（1～2％）固定态2：
1型粘土矿物固定
水溶性速效氮源<全氮的5%
2.有机氮水解性缓效氮源占50～70%
（>98%）非水解性难利用占30～50%
离子态土壤溶液中
（1）土壤无机态氮:
位于粘土矿物晶层间的固定态铵是数量最大的一部分。
（1）土壤无机态氮
交换性NH4+、溶液中NH4+和NO3-最易被植物吸收，一般为几个mg/kg，具有重要的农学意义。
土壤无机氮还包括NO2-,一些含氮气体，如NH3、N2O、NO、NO2等。
N2O是温室气体之一。
（2）土壤有机态氮
一般情况下土壤有机态氮构成了土壤全氮的绝大部分。
土壤有机态氮的组成较为复杂，以前已分离鉴定出的含氮化合物单体有氨基酸、氨基糖，嘌呤、嘧啶以及微量存在的叶绿素及其衍生物、磷脂、各种胺、维生素等。
绝大多数有机态氮存在于土壤固相中，只有很少量的存在于土壤液相中。
（四）、土壤中氮的转化
NH3N2、NO、N2O
矿化作用硝化作用生物固定
有机质铵态氮硝态氮有机氮
生物固定硝酸还原作用
吸附态铵水体中的硝态氮
或固定态铵
（一）有机态氮的矿化作用（氨化作用）与生物固持作用
矿化作用：
在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解生成氨的过程。
过程：
有机氮
异养微生物水解酶
解蛋白作用
氨基酸
氨化作用
氨化微生物水解、氧化、还原、转位
NH4＋－N＋有机酸
氮的矿化-生物固持作用过程的相对强弱，受能源物质种类和数量以及水、热条件等强烈影响。
土壤氮素的矿化与土壤氮素的供应密切相关。
肥料氮的生物固持有利于减少土壤溶液中矿质态氮的积累和氮素损失，有利于肥料氮的保持。
2铵的粘土矿物固定与释放
铵的粘土矿物固定与释放是两个相反的过程。
铵被粘土矿物所吸持呈非交换性铵的过程为固定；
土壤粘土矿物所吸收的非交换性铵向交换性铵甚至水溶性铵的转化过程称为释放。
在粘土矿物中，只有2：
1型矿物才固定铵，不同的2：
1型粘土矿物固定铵的能力也不相同。
结果：
减缓NH4＋的供应程度新固定的或施肥后新增加的固定态铵的有效性很高；
固有的（土壤中原有的）固定态铵的有效性则较低。
铵的固定可以在一定程度上起到调节土壤溶液中铵态氮浓度、提高土壤对氮的缓冲能力、把速效氮肥变为缓效氮肥的作用，不仅有利于作物良好生长，而且也有助于减少氮素的气态或淋失等损失。
（三）硝化作用
定义：
通气良好条件下，土壤中的NH4＋或NH3在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象
过程：
NH4＋＋O2NO2－＋4H＋
2NO2－＋O22NO3
影响硝化作用的因素:
土壤水分
气
热条件
pH
施入肥料的种类
根系分泌物
最适条件：
铵充足、通气良好、
pH6.5～7.5、25～30oC
结果：
形成NO3－－N
利：
为喜硝植物提供氮素
弊：
四）反硝化作用
NO3－N2、NO、N2O
1.生物反硝化作用（嫌气条件下）
（1）定义：
嫌气条件下，土壤中的硝态氮在反硝化细菌作用下还原为气态氮从土壤中逸失的现象
（2）过程：
NO3-NO2-N2、N2O、NO
（3）最适条件：
土壤通气不良，新鲜有机质丰富
pH5～8，温度30～35oC
稻田氮素损失的主要途径：
占氮肥损失的35％
2.化学反硝化作用（可在好气条件下进行）
NO2－N2、N2O、NO
发生条件：
NO2－存在
3.结果：
造成氮素的气态挥发损失，
并污染大气
5铵的吸附与解吸
铵的吸附是指土壤液相中的铵被土壤颗粒表面所吸附的过程。
铵的解吸则是指土壤固相表面吸附的铵（土壤交换性铵）自土壤固相表面进入液相的过程。
铵的吸附与解吸是铵在土壤液相与固相之间的一种平衡过程，其平衡点受土壤阳离子交换量、伴随阳离子种类和浓度等因素的影响。
铵的吸附量随土壤中粘粒含量、有机质含量、溶液中铵的相对浓度的增加而增多。
土壤变干燥时，吸附态铵可部分转化为固定态铵；渍水时，固定态铵也因矿物膨胀而部分转变为吸附态铵。
土壤对铵离子的吸附与解吸，影响着作物根系对铵离子的吸收，影响着土壤中无机氮素形态的转化、迁移，也影响着土壤对来自肥料的铵离子的保蓄与缓冲能力
（六）氨的挥发损失
1.定义：
在中性或碱性条件下，发生在土壤液相中的一种化学平衡，土壤中的NH4＋转化为NH3而挥发的过程
2.过程：
NH4＋NH3＋H＋
3.影响因素：
氨浓度，pH，温度，风速等
①pH值NH3挥发
60.1%
71.0%
810.0%
950.0%
②土壤CaCO3含量：
呈正相关
③温度：
呈正相关
④施肥深度：
挥发量表施>深施
⑤土壤水分含量
⑥土壤中NH4＋的含量
4.结果：
造成氮素损失
（七）硝酸盐的淋洗损失
NO3－－N随水渗漏或流失，可达施入氮量的5～10％
结果：
氮素损失，并污染水体
土壤的供氮能力
土壤的供氮能力既是评价土壤肥力的一个重要指标，又是估算氮肥用量的重要依据。
土壤全氮量：
反应了土壤氮素的贮量和土壤的基本肥力状况。
然而土壤中的全氮主要以有机态存在，一般植物难以直接利用。
速效氮：
为植物可以利用的氮素形式，主要包括土壤溶液中的硝态氮和铵态氮，代换性铵和部分简单的有机态氮，受植物吸收和环境条件的影响较大，含量通常很低，不能代表可给态氮的丰缺程度。
水解态氮：
即用1mol/LNaOH处理土壤，经水解、扩散或蒸馏进行测定的氮含量。
能反应土壤中氮的供应强度和容量。
目前一般以全氮、水解性氮及速效氮3种形态氮含量作为诊断指标。
土壤供氮能力指标：
作物在不施氮区的全生长期内吸氮量作为土壤供氮能力的指标。
土壤供氮量包括当季作物种植时土壤中已经积累的矿质氮量和作物生长期内土壤氮素的矿化量。
第二节作物的氮素营养
一、作物体内氮的含量和分布
作物体内的含氮量约为作物干物质重的0.3%-5%，含量的高低因作物种类、器官类型、生育时期不同而异。
影响因素：
植物种类：
豆科植物>非豆科植物
品种：
高产品种>低产品种
器官：
种子>叶>根>
组织：
幼嫩组织>成熟组织>衰老组织，生长点>非生长点
生长时期：
苗期>旺长期>成熟期>衰老期，营养生长期>生殖生长期
2.分布：
幼嫩组织>成熟组织>衰老组织，
生长点>非生长点
原因：
氮在植物体内的移动性强
在作物一生中，氮素的分布是在变化的：
营养生长期：
大部分在营养器官中（叶、茎、根）
生殖生长期：
转移到贮藏器官（块茎、块根、果实、籽粒），约占植株体内全氮的70％
二、植物体内含氮化合物的种类（氮的生理功能）
1.氮是蛋白质的重要成分（蛋白质含氮16～18％）－－生命物质
2.氮是核酸的成分（核酸中的氮约占植株全氮的10％）－－合成蛋白质和决定生物遗传性的物质基础
3.氮是酶的成分－－生物催化剂
4.氮是叶绿素的成分（叶绿体含蛋白质45～60％）－－光合作用的场所
5.氮是多种维生素的成分（如维生素B1、B2、B6等）－－辅酶的成分
6.氮是一些植物激素的成分（如IAA、CK）－－生理活性物质
7.氮也是生物碱的组分（如烟碱、茶碱、可可碱、咖啡碱、胆碱－－卵磷脂－－生物膜）
氮素通常被称为生命元素
三、植物对氮的吸收与同化
（一）植物对硝态氮的吸收与同化
1.吸收：
旱地作物吸收NO3-－N为主，属主动吸收
吸收后，10～30％在根还原
70～90％运输到茎叶还原
小部分贮存在液胞内
2.同化
（1）NO3-－N的还原作用
过程：
总反应式：
NO3-＋8H+＋8e-NH3＋2H2O＋OH-
结果：
产生OH-，一部分用于代谢；一部分排出体外，介质pH值?
资料：
植物吸收的NO3-与排出的OH-的比值约为10：
1）
（2）影响硝酸盐还原的因素
①植物种类：
与根系还原能力有关，如
木本植物>一年生草本植物
油菜>大麦>向日葵>玉米
②光照：
光照不足，硝酸还原酶活性低，使硝酸还要作用变弱，造成植物体内NO3－－N浓度过高
③温度：
温度过低，酶活性低，根部还原减少
④施氮量：
施氮过多，吸收积累也多（奢侈吸收）
⑤微量元素供应：
钼、铁、铜、锰、镁等微量元素缺乏，NO3－－N难以还原
⑥陪伴离子：
如K＋，促进NO3－向地上部转移，使根还原比例减少；若供钾不足，影响NO3－－N的还原作用
当植物吸收的NO3－－N来不及还原，就会在植物体内积累
降低植物体内硝酸盐含量的有效措施：
选用优良品种、控施氮肥、增施钾肥、增加采前光照、改善微量元素供应等。
（二）植物对铵态氮的吸收与同化
1.吸收
（1）机理：
①被动渗透
（Epstein,1972）
②接触脱质子
（Mengel,1982）
（2）特点：
释放等量的H＋，使介质pH值?
2.同化
（1）部位：
在根部很快被同化为氨基酸
（2）过程：
谷氨酰氨合成酶
NH3＋谷氨酸＋ATP谷氨酰胺＋ADP＋Pi
谷氨酸合成酶
谷氨酰胺＋α-酮戊二酸＋2e－＋2H＋2谷氨酸
转氨酶合成
谷氨酸＋17酮酸17中氨基酸蛋白质
3.酰胺的形成及意义
形成：
NH3＋谷氨酸酰胺合成酶谷氨酰胺
天门冬氨酸ATP天门冬酰胺
意义：
①贮存氨基；②解除氨毒；③参与代谢
（三）植物对有机氮的吸收与同化
1.尿素（酰胺态氮）
吸收：
根、叶均能直接吸收
脲酶
同化：
①脲酶途径：
尿素NH3氨基酸
②非脲酶途径：
直接同化
尿素氨甲酰磷酸瓜氨酸精氨酸
尿素的毒害：
当介质中尿素浓度过高时，植物会出现受害症状
2.氨基态氮：
可直接吸收，效果因种类而异
第一类，效果>硫酸铵：
如甘氨酸、天门冬酰胺等
第二类，尿素<效果<硫酸铵：
如天门冬氨酸等
第三类，效果<尿素：
如脯氨酸、缬氨酸等
第四类，有抑制作用：
如蛋氨酸
四、铵态氮和硝态氮的营养特点
关于植物主要氮源的早期争论：
布森高（1822）、李比希（1840）：
NH4+－N为主
Salm-Horstmar（1851）:
NO3-－N为主
布森高（1855）：
NH4+－N和NO3-－N都是良好氮源
影响两者肥效高低的因素：
（一）作物种类
不同植物对两种氮源有着不同的喜好程度，可人为地分为“喜铵植物”和“喜硝植物”
植物的喜铵性和喜硝性
喜铵植物：
水稻、甘薯、马铃薯
兼性喜硝植物：
小麦、玉米、棉花等
喜硝植物：
大部分蔬菜，如黄瓜、
番茄、莴苣等
专性喜硝植物：
甜菜
（二）环境条件
1.介质反应
酸性：
利于NO3－的吸收；中性至微碱性：
利于NH4＋的吸收
而植物吸收NO3－时，pH缓慢上升，较安全
植物吸收NH4＋时，pH迅速下降，可能危害植物（水培尤甚）
2.伴随离子
Ca2+、Mg2+等利于NH4+的吸收（而NH4+、H+对K+、Ca2+、Mg2+的吸收有拮抗作用）；
钼酸盐利于NO3-的吸收与还原
3.介质通气状况
通气良好，两种氮源的吸收均较快
4.水分水分过多，NO3-易随水流失
普氏结论：
只要在环境中为铵态氮和硝态氮创造出各自所需要的最适条件，那么，它们在生理上是具有同等价值的。
五、植物氮素营养失调症状
1.氮缺乏
（1）外观表现
整株：
植株矮小，瘦弱
叶片：
细小直立，叶色转为淡绿色、浅黄色、乃至黄色，从下部老叶开始出现症状
叶脉、叶柄：
有些作物呈紫红色
茎：
细小，分蘖或分枝少，基部呈黄色或红黄色
花：
稀少，提前开放
种子、果实：
少且小，早熟，不充实
根：
色白而细长，量少，后期呈褐色
（2）对品质的影响
2、过剩症状影响蛋白质含量和质量（必需氨基酸的含量）
影响糖分、淀粉等的合成
当氮素供应过多时，往往导致作物氮素的奢侈吸收。
体内过量的氮用于叶绿素、氨基酸及蛋白质的形成，过多地消耗体内的光合产物，减少构成细胞壁所需的原料，机械支持力减弱使作物容易倒伏和发生病虫危害；
体内过多的氮增加细胞内氨基酸的积累，促进细胞分裂素形成，作物长期保持嫩绿，延迟成熟。
氮营养过剩，还会导致作物成熟期灌浆慢，贪青晚熟，成穗率低，结实性差，千粒重下降，经济产量降低。
叶色浓绿叶片肥厚营养体徒长，群体密度大，通风透光性能差，下部叶片早衰
C、N代谢失衡，光合产物转化受阻
生育期延，迟贪青晚熟
籽粒充实度底，千粒重降低
组织过分柔嫩，抗性差，易感染病虫害
养分失衡度大，利用率低
易造成N肥施用后的环境污染
施肥的效益低
六、土壤和作物体内氮的丰缺指标
－－营养诊断的参考
第三节氮肥的种类、性质和施用
氮肥的制造原理：
1.合成氨原理：
（哈伯法）
高温、高压
3H2＋N22NH3＋Q
催化剂
2.硝酸制造原理：
（氨氧化法）
O2O2H2O
NH3NONO2HNO3＋NO
催化剂、高温加压
3.氮肥制造过程：
氮肥生产情况：
1.世界氮肥生产的主要国家
2.我国的氮肥生产
3.我国氮肥品种的变化
4.某些国家氮肥生产品种
5.我国常用氮肥的价格（2002~2003年）
氮肥品种参考价（元/吨）氮肥品种参考价（元/吨）
尿素850～1200硝酸铵800～1250
碳酸氢铵380～440硝酸钙2000～3000
氯化铵360～490硝酸钾3000～4500
硫酸铵550～700
一、铵（氨）态氮肥
养分标明量为铵盐（氨）形态氮的单质氮肥称为铵（氨）态氮肥。
常见的如碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、氨水、液氨等。
一、铵态氮肥
（一）共同特性（均含有NH4＋）
1.易溶于水，易被作物吸收，肥效快速
2.易被土壤胶体吸附和固定，移动性不大，不易损失
3.可发生硝化作用
4.碱性环境中氨易挥发
5.高浓度对作物，尤其是幼苗易产生毒害
6.对钙、镁、钾等的吸收有拮抗作用
1碳酸氢铵
碳酸氢铵简称碳铵。
1958年我国第一套小型生产装置试产以来，一直是我国主要的氮肥品种。
主要成分的分子式为NH4HCO3，含氮17%左右。
碳铵是一种无色或白色化合物，呈粒状、板状、粉状或柱状细结晶，比重1.57，容重0.75，易溶于水，0℃时的溶解度为11%，20℃时为21%，40℃时为35%。
NH4HCO3NH3+H2O+CO2
碳铵分解的过程是一个损失氮素和加速潮解的过程，是造成贮藏期间碳铵结块和施用后可能灼伤作物的基本原因。
影响碳铵分解的因素
温度:
温度越高，分解越快。
肥料含水量：
水分越高，分解越快。
碳铵化学性质不稳定，但其农化性质较好。
碳铵是无酸根残留的氮肥，在土壤中其分解产物氨水、二氧化碳都是作物生长所需要的，不产生有害的中间产物和终产物。
碳铵施入土壤后很快电离成铵离子和重碳酸根离子，铵离子很容易被土粒吸附，不易随水移动。
改性碳铵可较长期存放而不致结块。
田间肥效亦高于普通碳铵。
机械法增大碳铵粒度
化学改性
MgO+NH4H2PO4+5H2OMgNH4PO4.6H2O
施用时应注意以下几个方面：
一是掌握不离土、不离水和先肥土、后肥苗的施肥原则。
二是要尽量避开高温季节和高温时间施用，碳铵应尽量在气温＜20℃的季节施用，一天当中则应避开中午气温较高的时段施用，以减少碳铵施用后的分解挥发，提高碳铵利用率。
总之，要提高碳铵肥料的肥效，既要重视碳铵生产工艺的改进，又要强调农业措施的进步。
2硫酸铵
分子式为（NH4）2SO4，简称硫铵，俗称肥田粉。
硫铵是我国使用和生产最早的氮肥品种。
白色结晶，工业副产品中混有杂质时常呈微黄、青绿、棕红、灰色等杂色。
含氮率为20%-21%。
硫酸铵肥料较为稳定，不易吸湿，易溶于水，肥效较快，且稳定。
硫酸铵肥料
较为稳定，分解温度为280℃
不易吸湿，20℃临界吸湿点在相对湿度81%
易溶于水，0℃溶解度为70克
肥效较快，且稳定。
硫铵在氮肥中所占比例高。
我国长期将硫铵作为标准氮肥品种，商业上所谓的“标氮”，即以硫铵的含氮量20%作为统计氮肥商品数量的单位。
硫酸铵肥料中除含有氮之外，还含硫25.6%左右，也是一种重要的硫肥，与普通过磷酸钙肥料一样，是补充土壤硫素营养的重要物质来源。
生理酸性肥料——肥料中离子态养分经植物吸收利用后，其残留部分导致介质酸度提高的肥料。
在酸性土壤中，施入硫酸铵后，铵离子一方面可交换土壤胶体吸附的氢离子，另一方面被吸收后可使作物分泌出氢离子，这些氢离子与硫酸根结合则形成硫酸，增强土壤酸性。
除还原性很强的土壤外，硫酸铵适合于在各种土壤和各类作物上施用。
在石灰性土壤上，易发生氨挥发，所以要深施。
可作基肥、追肥、种肥。
3氯化铵
主要成分的分子式为NH4Cl，简称氯铵。
氯化铵肥料可以直接由盐酸吸收氨制造，但主来自联碱工业的联产品，其中氯根来自食盐，铵离子来自碳酸氢铵。
NaCl+NH4HCO3NaHCO3+NH4Cl
3氯化铵（续）
白色结晶，含杂质时常呈黄色。
含氮量为24%-25%。
不易吸湿，但常因含有食盐和碳酸氢铵等，易结块，甚至潮解。
易溶于水。
氯铵肥效迅速，也属于生理酸性肥料。
马铃薯、亚麻、烟草、甘薯、茶等作物为明显的“忌氯”作物。
施用氯铵肥料能降低作物块根、块茎的淀粉含量，影响烟草的燃烧性与气味，降低亚麻、茶叶产品品质等。
4氨水
主要成分的分子式为NH4OH或NH3·H2O，含氮12%-16%，
氨水是液体肥料，呈强碱性，并有强烈的腐蚀性，除挥发性强之外，还有渗漏问题。
贮运过程中，应注意防挥发、防渗漏、防腐蚀。
氨水挥发出的氨对人眼睛粘膜有强烈刺激性，对作物叶片易造成灼伤，氨水对人体伤口具有腐蚀性。
氨水性质极不稳定，旱地施用应开沟深施，并兑水稀释数倍，以免灼伤植物。
为减少氨的挥发损失，生产时常在氨水中通入一定量的CO2将其碳化，形成含有NH4HCO3、（NH4）2CO3和NH4OH的混合液，称之为碳化氨水，通入CO2的多少用碳化度表示。
CO2摩尔浓度
碳化度（%）=×100
NH3摩尔浓度
碳化度越大，氨挥发损失越小。
但碳化氨水含有H2S等杂质，其腐蚀性比普通氨水强。
合理施用氨水的基本要求是深施入土。
旱地施用应开沟深施，并兑水稀释数倍，以免灼伤植物。
氨水制造简单，成本低廉、无副成分，只要掌握“一不离土，二不离水”的原则，其肥效可以与等氮量的其他氮肥相近。
在酸性土壤上，氨水可中和土壤酸度；在在中性和石灰性土壤中，最初可以增加土壤碱度，但随着硝化作用的进行，碱度又回降，对作物生长影响不大。
5液氨
又称液体氨，是将氨气在17-20大气压下压缩为液态氨直接作肥料施用。
液氨肥料有效成分的分子式为NH3，含氮率高达82%，是含氮率最高的氮肥品种。
液氨施入土壤后，立即气化。
一部分为土壤颗粒吸附，大部分溶于土壤溶液转化为氢氧化氨。
液氨只宜用作基肥，并要提早施用。
优点：
省去氨加工流程；单位氮的工业成本低；适于管道运输；副成分少，施用后对土壤无副作用；肥效稳长，可提前施肥。
缺点：
必须在承压或全密封条件下贮运和施用；液氨的贮运和施用均需要耐高压容器和特制的施肥机械。
须有较大的田块，较完整的田间道路网，作物的种植制度要与施肥机械相配套。
二、硝态氮肥与硝铵态氮肥
硝态氮:
硝酸钠、硝酸钙等。
硝铵态氮:
硝酸铵。
其共同点：
（1）易溶于水，速效，吸湿性强，易结块；
（2）硝酸根离子不能被土壤胶体吸附，在土壤溶液中易随水移动；
（3）在土壤中，硝酸根可经反硝化作用转化为游离的分子态氮（氮气）和多种氧化氮气体（NO、N2O等）而丧失肥效；
（4）多数硝态氮肥能助燃或本身就易燃易爆，在贮运过程中应注意安全。
1硝酸铵
简称硝铵，有效成分分子式为NH4NO3，
硝铵是当前世界上的一个主要氮肥品种。
硝铵肥料含氮率为33%～35%。
目前生产的硝铵主要有两种：
一种是结晶的白色细粒，吸湿性很强，易结成硬块。
另一种是白色或浅黄色颗粒，吸湿性较小，都应注意防潮。
硝酸铵具有助燃性和易爆炸性：
硝铵热不稳定，当受热或摩擦时，逐渐分解释放出氨，185℃时分解剧烈，300℃时分解急剧
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