Transcript Lesson 8
Soil Science Lesson 8 Nutrient Cycling Nutrient Cycling (營養要素循環) • • • • • 植物生長所需之要素 氮的循環 磷和硫 鉀、鈣和鎂 微量要素 土壤與植物營養 (Utilization of soil) • Essential Elements (必需營養元素)： – 在植物正常生長過程中所不可缺少的元素 • 依攝取量之大小分： – Macronutrients (巨量要素)：C、H、O、N、P、S、 Ca、Mg、K – Micronutrients (微量要素)：Fe、Mn、Zn、Cu、B、 Mo、Cl • C、H、O→取自空氣與水 • 其餘要素→取自土壤 • 土壤供應這些要素之能力→土壤肥力 (soil fertility) Inorganic Store • available pool (有效的；可利用的) – Ions in the soil soln. • 例如：NH4+、H2PO4-、NO3-、K+、Ca2+ – “Exchangeable ions” adsorbed by clay minerals and organic matter • e.g. NH4+-clay • Less available – 稍微可溶之化合物 • e.g. gypsum (石膏)、calcite(CaCO3)、難溶性之磷酸化合物 – 被clay lattices所固定或 ”non exchangeable” 之K+或 NH4+ Available pool之Input • • • • 土壤和岩石礦物之風化 降雨 (precipitation) 和dust fallout 有機物之礦化(mineralization) 有機廄肥 (organic manures)、有機和無機 肥料 (fertilizer) 之施用 氮素 (Nitrogen): Gains of soil N • 形態 – N2→植物不能直接利用 ，Org-N – NH4+、NO3-→植物可以吸收 • 氮素循環及有效性土壤氮素之獲得與損失 – Gains of soil N • a.降雨：<1 ~ 5 ppm NH4+ • b. 肥料 (fertilizers) 和廄肥 (manures)：硫銨，尿素 • c.生物固氮作用 (biological N2-fixation) – Free-living N2 fixers – Bacteria : Azotobacter spp. – Blue-green algae; Nostoc spp. Gains of soil N (續) • Symbiotic N2 fixation • 豆科植物---根瘤菌 • Leguminosae---Rhizobium • N2+ 8H+ + 6e- + n Mg‧ATP→2NH4++ n Mg‧ADP + n PO4 Losses of soil N a. Crop Removal b. Leaching (淋洗流失) c. gaseous losses NO3-↓ on (硝化作用 ) +Nitnficati NH NO3-↓ 4 Eutrophication (優養化作用) 1. 氨揮散作用 (Ammonia volatilization) 高溫、高pH狀況下，NH3↑ (NH2)2CO+2H2O (NH4)2CO3 2NH3↑+CO2+H2O (尿素，urea) 2. 脫氮作用 (denitrification) NO3- NO2- N2O↑ N2↑ Facultative anaerobic bacteria 在厭氧狀態下 C/N、C/P、C/S影響N、P、S之 生物固定化作用 (Immobilization) C/N、C/P、C/S影響N、P、S之 生物固定化作用 (Immobilization) 磷（Phosphorus） 1. 形態 – 有機態磷（Org.-P） – 無機態磷（Inorg.-P）H2PO4, HPO4-2, Fe-P, Al-P, Ca-P 2. 土壤中磷之原始來源為磷灰石（Apatite），次生來源 在無機方面為Ca，Fe，Al等之磷酸鹽。有機方面則 如植物磷脂質（phytin），核酸（nucleic acid）等。 3. 磷酸之有效性（phosphate availability） – 植物自土壤溶液中吸收之磷，大多數是屬H2PO4-離子態。 • Labile P（活性P） – Adsorbed P + Solution P • Non-labile P（非活性P） – P held in insoluble compounds（e.g. hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2）or in organic matter. 影響磷有效性之土壤因子 • Soil pH a. 在鹼性土壤中，磷酸沉澱形成鈣化合物 Ca2+ + PO4-3 Ca2+ + HPO4-2 PPT. Octacalcium phosphate Ca4H(PO4)3‧5H2O Hydroxylapatite Ca10(PO4)6(OH)2 pH >7，pH↓，溶解度↑ 影響磷有效性之土壤因子(續) b. 在酸性土壤中 pH ＜ 1.4 FePO4‧2H2O Strengite ppt. pH ＜ 3.1 AlPO4‧2H2O Variscite ppt. pH↑，溶解度↑ • AlPO4 + 3OHAl(OH)3 + PO43pH 4.5~6， H2O + Al(H2O)63+ [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O+ Hydroxyaluminum ion Clay [Hydroxyaluminum complex]2x+ + occluded H2PO4∵ pH ~ 6.5 P adsorption site P availability 最大 Soil pH, clay content, sesquioxide content, and exchangeable-Al3+ 均影響P之有效性。 Sulfur （硫） 1. 形態 – Org-S – Inorg-S – Sulfide（硫化物） 氧化 2. 土壤中硫之來源 SO42- (植物可吸收之形態) – 土壤礦物：鐵與銅之硫化物 （特別是在排水受限制地區） – 大氣中硫（酸雨）：SO2 H2SO4 – 有機物 3. 硫化合物在土壤中之動態 – 礦質化作用與固定化作用（Mineralization and Immobilization） • C : S ratio – 硫之氧化與還原作用 H2S + 2O2 → H2SO4 2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 Thiobacillus 降低土壤pH 鉀（K） • 土壤中鉀之形態及有效性 – 較不有效性（Relatively unavailable form） 90~98％ • 長石類，雲母類，此類礦物甚能抵抗風化作用。 – 速效性（Readily available form）1~2％ • K+ in soil soln. + exchangeable K – 緩效性（Slowly available form） • 被蛭石（Vermiculite），伊萊石（illite）等2:1礦物所固定之K+。 （非交換性K） • 鉀之損失與獲得 – 損失： • Crop removal : 100 kg/ ha • Leaching and erosion – 獲得： • 返還作物殘根至土壤 • 鉀肥之施用 鈣（Ca） • 土壤中鈣之形態及有效性 – 方解石，白雲石，鈣長石，角閃石，磷灰石為 土壤中主要含鈣礦物。 – CaCO3或CaSO4沉澱。 – Available form: Ca2+ in soil soln. + exch. Ca • 鈣之損失與獲得 – 施用石灰（CaCO3）可補充Ca 鎂（Mg） • 土壤中鎂之形態及有效性 – • 含鎂礦物主要為蛇紋石，白雲石，角閃石， 黑雲母等。 鎂之損失與獲得 – – 施用白雲石（Dolomite, CaMg(CO3)2）可補 充鎂 速效可用MgSO4噴施