Lesson 8 Nutrient Cycling 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) Less available 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 Crop Removal Leaching (淋洗流失) gaseous losses 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) 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)

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） 形態 有機態磷（Org.-P） 無機態磷（Inorg.-P）H2PO4, HPO4-2, Fe-P, Al-P, Ca-P 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。 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 在鹼性土壤中，磷酸沉澱形成鈣化合物 pH >7，pH↓，溶解度↑ Ca2+ + PO4-3 Octacalcium phosphate Ca4H(PO4)3‧5H2O 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) 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 + 3OH- Al(OH)3 + PO43- pH 4.5~6， H2O + Al(H2O)63+ [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O+ Hydroxyaluminum ion P adsorption site ∵ pH ~ 6.5 P availability 最大 [Hydroxyaluminum complex]2x+ H2PO4- Clay occluded + Soil pH, clay content, sesquioxide content, and exchangeable-Al3+ 均影響P之有效性。

Sulfur （硫） 形態 土壤中硫之來源 硫化合物在土壤中之動態 Org-S Inorg-S Sulfide（硫化物） SO42- (植物可吸收之形態) 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 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 鉀之損失與獲得 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 鈣之損失與獲得 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 鎂之損失與獲得 含鎂礦物主要為蛇紋石，白雲石，角閃石，黑雲母等。 施用白雲石（Dolomite, CaMg(CO3)2）可補充鎂 速效可用MgSO4噴施