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1、生物化学课程设计 东华理工大学EAST CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY 生物化学课程设计题目：磷影响尿素氮转化过程的生物化学研究 学院： 专业： 班级： 姓名： 学号： 时间： 摘要 尿素是世界农业领域中使用最广泛的氮肥，氮肥在我国农业生产中发挥了重要作用，但氮肥的不合理施用也带来了一些负面影响，氮肥施用不合理、利用率低，不仅导致氮素的大量损失，造成了浪费，而且还对生态环境产生不良影响，使农田氮素成为重要的污染源之一。氮磷交互作用，历来是植物营养科学和肥料科学研究的重点和热点。不同国内外研究结果表明，磷对降低氨挥发和提高氮素利用率上有一定作用。目前，关于氮磷、氮磷钾

2、配施，对作物生长、养分吸收和土壤养分有效性影响的报告已有不少，但是研究磷肥与尿素的混合施用对氮素转化生物化学过程的影响还很少。然而到目前为止，缺乏磷在不同含水量的土壤中对尿素氮转化影响的研究，所以我们重点讨论不同含水量条件下磷对尿素氮转化影响的生物化学过程。对提高氮肥利用率，减少氮肥损失，保护人类的生存环境等都具有重要的意义。 关键字：氮磷，氮素转化，含水量，生物过程，化学过程。In this paperUrea is the most widely used in the area of the worlds agricultural nitrogen fertilizer, nitroge

3、n fertilizer played an important role in agricultural production in our country, but the unreasonable application of nitrogen fertilizer has brought some negative influence, is not reasonable, low utilization rate of nitrogen, not only lead to a large number of nitrogen loss, caused the waste, but a

4、lso bad influence on ecological environment, make the farmland nitrogen become one of the important pollution sources. Nitrogen and phosphorus interaction, has always been a focus in the study of plant nutrition and fertilizer science and hot spots. Different domestic and foreign research results sh

5、owed that the phosphorus to reduce ammonia volatilization and raise the utilization ratio of nitrogen have some effect. At present, about nitrogen and phosphorus, NPK with, on crop growth, nutrient uptake and soil nutrient availability report has quite a few, but the study and the mixture of urea ph

6、osphate fertilization effect on nitrogen transformation process biochemistry were rare. So far, however, the lack of phosphorus in different water content of the study of the impact on the transformation of urea nitrogen in the soil, so we focus on different water content under the condition of phos

7、phorus effect on urea nitrogen transformation of biochemical process. To improve the utilization rate of nitrogen fertilizer, reducing nitrogen loss, protect human survival environment and so on all has the vital significance. Key words: nitrogen and phosphorus, nitrogen transformation, water conten

8、t, biological process, chemical process.目录 1.引言.1 2.尿素氮转化过程机理.2 3.磷影响氮素转化机理.4 4.研究内容及技术路线.5 5.试验方法.7 6.参考文献.91.引言 氮是作物生长发育所必需的营养元素之一,是植物体内蛋白质、核酸、叶绿体、酶和某些维生素等重要的组成部分；同时也是土壤肥力中最活跃且普遍缺乏的元素,在干早地区尤甚,因而旱地任何作物的高产几乎都和施氮相关。 增加肥料是提高农作物产量最有效的方法，化肥中氮肥起着至关重要的作用,因为植物生长发育必须的三大营养要素中,氮素是植物需要多而土壤供应少,供求之间存在着尖锐矛盾的元素,因而

9、在农业生产中其用量最大,增产效果也最显著,合理施用氮肥的贡献率为45%左右。 农田生态系统中氮素循环的强度取决于作物生产过程中氮素的投入量和产出量,随着投入量和作物生产量的增加,各个通道的氮循环也随之被强化,损失也越大,反之亦然。这是生产条件下氮素施入量与氮素收获量不成比例,且随施入量递增呈报酬递减的根本原因。氮肥施用的最高目标是优质高产、维持地力而不对环境产生负效应。在土壤一作物系统中,氮素的作物利用率仅为20%一35%。大部分被土壤吸附,逐渐供作物吸收利用,有5%一10%挥发到大气中。随降水径流和渗漏排出农田的氮素中有20%一25%是当季施用的氮素化肥I9。由于农业生产中氮肥施用量剧增,导

10、致农业污染物大量增加。氮肥利用率低不仅降低了肥料的经济效益,同时也引起了环境污染等。2尿素氮转化过程机理2.1 尿素合成过程五步：氨基甲酰磷酸(carbamyl phosphate)的合成（ 线粒体） 瓜氨酸(citrulline) 的生成（ 线粒体）精氨酸代琥珀酸的合成（胞液 ） 精氨酸(arginine)的生成（胞液）尿素（carbamide)的生成（胞液）2.2 尿素NH3一N释放的两个阶段 尿素一经施入土壤,在脉酶催化作用下即开始水解。脉酶由多种土壤微生物所分泌，也广泛存在于多种植物体内。脉酶数量及其活性常与土壤有机质含量高低有密切关系。表土中的脉酶比心土和底土中多。尿素水解的反应式为

11、:CO(NH2)2+H2O (NH4)2CO3 NH3+C02+H2O同时,又在硝化细菌的作用下,被氧化成NO3. 尿素的NH3一N释放主要集中在两个阶段,第一阶段为尿素水解阶段,第二阶段为按态氮向硝态氮的转化阶段即硝化作用阶段。第一阶段NH3一N释放量的多少决定于尿素水解阶段,而第二阶段的NH3一N释放是来自于土壤中的N向NH3的转化,释放量的多少决定于与土壤溶液中NH4+与NH3之间的平衡和NH4+的硝化作用的强弱。2.3 土壤中的硝态氮是由按态氮经硝化作用或直接施用硝态氮后形成的。硝态氮在土壤中很少被吸持,主要以溶质的形式存在于土壤溶液中。通气条件下,氨或按盐通过微生物的作用,被氧化成硝

12、酸盐和亚硝酸盐的过程称为硝化作用。其反应过程为:大量的研究结果表明,以上作物收获后残留在土壤中的无机氮(按态氮和硝态氮)和施入土壤的速效氮肥是等效的,在此基础上只要确定作物达到一定产量所需的氮素供应量(土壤初始无机氮+化肥氮),通过测定作物播前土壤无机氮,即可确定氮肥供应量。此方法称为Nmin一Sollwert法。播前土壤硝态氮测定用于谷类指导作物施用氮肥在加拿大、美国等地在上世纪70年代就已成为常规手段。多年来,在美国Canada州西部和大平原都用作物播种前0一60cm土层硝态氮的测定结果(PPNT一PrePlaniN伽一NTest)作为前茬作物氮肥的残效,并作为后季作物的供氮指标,这一方法

13、不仅适合于半干旱地区,而且也适合于土壤质地较细的湿润地区。3磷影响氮素转化机理 磷是除氮之外植物生长发育必需的大量营养元素,是作物生长不可缺少的重要元素,也是作物体内核酸、核蛋白、植素、磷脂和高能磷酸化合物等重要物质的组成部分对于细胞分裂和扩散作用和光合作用等过程具有调节作用,能够提高作物的抗逆性和适应性,影响碳水化合物向籽粒的运输。因此,磷不仅参与了细胞的结构组成,而且在新陈代谢(包括物质和能量代谢)以及遗传信息运转等方面发挥着重要的作用,在植物的光合作用、呼吸作用和生物膜的结构功能中也起着重要的生理作用。关于磷对土壤氨挥发影响的研究结果表明:磷石膏与尿素和碳钱按一定比例混合施用后,具有降低

14、氨挥发损失的显著效果。其原因主要是由于磷石膏中含有一定的游离酸,它与尿素或碳按混合后再施入土壤,可避免因土壤pH升高而使(NH4)+一N转化成NH3挥发掉此外,钱承梁等的研究表明:粪肥中添加过磷酸钙也能减少氨的挥发,其原因是由于其成分中的磷酸钙、石膏、游离酸等都能将粪肥中的易挥发的碳酸钱转化为比较稳定的，此外,还有人研究结果表明当磷做基肥,追肥等量尿素条件下,不同施磷处理之间氨挥发损失量存在明显差异,其顺序为P0P20P40P60P80。,也就是说随施磷量的增加,氨挥发总量也有增加趋势,而当尿素与作为基肥同时施入土壤后,没有测到氨的挥发。4研究内容及技术路线 4.1 影响氮转化的生物过程 不同

15、含水量条件,磷影响氮转化的生物过程;主要研究脉酶活性对尿素水解生成NH4+的影响和亚硝酸细菌对硝化作用的影响。4.2影响氮转化的化学过程 不同含水量条件,磷影响氮转化的化学过程主要研究不同条件下,馁态氮、硝态氮浓度变化的过程。4.3 技术路线 本研究采用盆栽模拟试验,从尿素氮转化的生物和化学两个过程来研究不同含水量条件下,磷肥对氮转化的影响。生物过程主要是服酶活性对尿素水解的影响和亚硝化细菌对NH4气N的硝化作用,通过氮磷的不同配比施入不同含水量的土壤中,检测脉酶活性的变化和亚硝酸细菌数量的变化;化学过程主要是在不同施肥条件下,按态氮和硝态氮浓度变化的过程。氮转化的生物和化学过程是互相联系互相

16、影响的,具体见下图4.4材料与方法1）试验设计供试材料采用盆栽模拟试验,供试土壤为黑土,氮肥采用尿素(含N46%),磷肥采用过磷酸钙(含P20512%)。5.试验方法5.1实验目的1.探究不同含水量，磷影响氮转化的生物过程2.比较在不同条件下，氮转化的生物化学过程5.2实验原理 氮是作物生长发育所必需的营养元素之一,是植物体内蛋白质、核酸、叶绿体、酶和某些维生素等重要的组成部分；同时也是土壤肥力中最活跃且普遍缺乏的元素,在干早地区尤甚,因而旱地任何作物的高产几乎都和施氮相关。磷石膏与尿素和碳钱按一定比例混合施用后,具有降低氨挥发损失的显著效果。其原因主要是由于磷石膏中含有一定的游离酸,它与尿素

17、或碳按混合后再施入土壤,可避免因土壤pH升高而使(NH4)+一N转化成NH3挥发掉。5.3实验器材1.盆栽用的花盆2水3.氮肥4.磷肥5.土壤6.吸管，电子天平，显微镜7.培养基，生理盐水尿素采用常规用量,施N量为150kg/hm,过磷酸钙量为0kg/h扩、20k岁0m,、40kg/hm,、60kg/hm,、80kg/hmZ,包括N150P10、N150P20、Nl50P40、N150P60、N150P80五个处理。将以上五组不同氮磷配比分别加入含水量为10%、20%和30%的土壤中,测定土壤中的钱态氮、硝态氮浓度,亚硝化细菌数量,脉酶活性。重复三次作平行。对供试土壤进行不同含水量调试，以达到

18、供试土壤的湿度分别为10、20和30三个含水量条件。将氮磷肥同时作为基肥施入供试土壤，研究磷影响氮转化的生物化学过程。5.2自培养时间开始,施肥后第3、7、12、17、22、30天测定土壤中脉酶活性,亚硝酸细菌数量,钱态氮浓度,硝态氮浓度。5.3结论： 本实验对氮磷同时施入土壤条件下,分别从10%、20%、30%三种不同土壤含水量出发,研究了磷影响氨挥发的生物化学变化过程,得出了以下结论:l)施磷后不同含水量钱态氮动态变化不同,低含水量条件下(10%和20%)呈单峰曲线,峰值出现在12天。高含水量(30%)条件下,馁态氮含量变化曲线中呈双峰曲线峰值出现在3天12天。相同含水量条件下,钱态氮含量

19、随施磷量的增加而增加。2)硝态氮浓度随时间的动态变化表现出先缓慢后急剧上升的趋势,与施磷量和含水量无关。3)在不同含水量条件下,钱态氮含量随施磷量变化趋势不同。低含水量(10%和20%)条件下,钱态氮含量随施磷量的增加呈上升趋势;高含水量(30%)条件下,馁态氮含量随施磷量的增加呈上升和下降两种趋势,3天、30天呈上升趋势,7天、12天为下降趋势。4)在同一时期内,相同含水量条件下硝态氮浓度随施磷量无明显变化。5)低含水量(10%和加%)条件下的钱态氮浓度变化无明显差异;而高含水量(30%)与低含水量条件下的按态氮浓度变化差异显著,且高含水量条件下的馁态氮浓度高于低含水量条件下的钱态氮浓度。6

20、)同一时期内,相同施磷处理下的硝态氮浓度与土壤含水量正相关。7)脉酶活性随时间变化不明显。同一时期内,脉酶活性随施磷量增加而增加。8)在低含水量(10%和20%)条件下,土壤中亚硝化细菌数量随施磷量的增加无明显变化,且两个含水量条件下细菌数量接近,无显著性差异。而高含水量(30%)条件下,亚硝化细菌数量明显升高。综上所述,含水量过高时,钱态氮、硝态氮浓度较高,对氮素利用造成不利影响。亚硝化细菌也在过高含水量条件下数量剧增,从而提高了钱态氮向硝态氮的转化,增加了农田氮素渗漏损失,所以农田施肥中,含水量不宜过高。研究表明,土壤中按态氮、硝态氮浓度、脉酶活性等的变化趋势与含水量同磷的交互作用无关。6

21、参考文献国内文献l谢林毅.植物氮素营养与氮肥施用闭.农村实用技术,2004,12:37.2朱兆良.农田中氮肥的损失与对策闭.土壤与环境,2000,9(l):l一6.3张玉良.农业化学与生物圈M.北京:中国环境科学出版社,l987.1514张玉良.地下水系统的污染控制川.北京:中国环境科学出版社,1991.5孙羲等.植物营养与肥料M1.北京:中国农业出版社,1991.6王秋杰,寇长林.砂质潮土冬小麦氮肥利用与土壤氮素平衡研究,黄泛平原沙区农业高效持续发展综合技术M.黄河水利出版社,20007刘学军,赵紫娟,巨晓棠等.基施氮肥对冬小麦产量、氮肥利用率及氮平衡的影响J.生态学报,2002,22(7):1121一1128.8刘芷宇.植物的磷素营养和土壤磷的生物有效性J土壤,1992,24(2):97一1019张明.氮肥施用对环境影响J.现代农业科技,2005,7:4310巨晓棠.冬小麦/夏玉米轮作体系中土壤一肥料氮的转化及去向田田.北京:中国农业大学,2000.国外文献1 AonMA.ColaneriAC.Temporal and Spatial Evolution of Enzymatic Activities and Phy-hemieal Properties in an Agheultural soil J.Applied soil Eeolo盯,2001.18:255一270