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→2NH‧ 4

++ n Mg ADP + n PO‧ 4

Losses of soil N

a. Crop Removal

b. Leaching ( 淋洗流失 )

c. gaseous losses1.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

NO3-↓

NH4+ NO3

-↓Eutrophication ( 優養化作用 )

)(硝化作用onNitnficati

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-P2.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 Octacalcium phosphate Ca4H(PO4)3 5H‧ 2O

Ca2+ + HPO4-2 Hydroxylapatite Ca10(PO4)6(OH)2

pH >7 ， pH↓ ，溶解度↑

PPT.

影響磷有效性之土壤因子 ( 續 )

b. 在酸性土壤中pH ＜ 1.4 FePO4 2H‧ 2O Strengite ppt.

pH ＜ 3.1 AlPO4 2H‧ 2O Variscite ppt.

pH↑ ，溶解度↑• AlPO4 + 3OH- Al(OH)3 + PO4

3-

pH 4.5~6 ， H2O + Al(H2O)63+ [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O+

Hydroxyaluminum ion

P adsorption site

Soil pH, clay content, sesquioxide content, and exchangeable-Al3+ 均影響 P 之有效性。

∵ pH ~ 6.5 P availability 最大

[Hydroxyaluminum complex]2x+

H2PO4- Clay

occluded +

Sulfur （硫）1.形態

– Org-S– Inorg-S– Sulfide （硫化物） SO4

2- ( 植物可吸收之形態 )

2.土壤中硫之來源– 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

氧化

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