氮素营养和氮肥.ppt

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植物的氮素营养,一、植物体内氮的含量和分布,在所有必需营养元素中，氮是限制植物生长和形成产量的首要因素，对产品品质也有多方面影响。一般植物含氮量约占作物体干重的,0.3-5%,，而含量的多少与作物种类、器官、发育阶段有关。,二、氮的营养作用,氮是植物体内许多重要有机化合物的组分，例如蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素、生物碱和一些激素等，这些物质涉及遗传信息传递、细胞器建成、光合作用、呼吸作用等几乎所有的生化反应。在细胞内硝酸盐具有渗透调节作用。硝酸盐还可能具有信号作用。,三、氮的吸收,土壤中可被植物吸收利用的氮素主要是铵态氮和硝态氮。某些可溶性的有机含氮化合物，如氨基酸、酰胺和尿素，也能被植物直接吸收。,1.NO3-,的吸收,植物根细胞吸收,NO3-,是逆电化学势梯度进行的，首先需要由细胞膜上的质子泵,(H+-ATP,酶,),水解,ATP,，并向膜外释放,H+,，使膜电化学势下降，产生驱动力，最后由硝酸盐转运蛋白（载体）,2H+:1NO3-,共运的方式，将,NO3-,运入细胞膜内。是一个主动吸收过程,2.NH4+,的吸收,植物可能以两种方式吸收,NH4+,。一是,NH4+,在质膜上发生脱质子作用以,NH3,的形态跨膜运输；二是植物根细胞质膜上有多种,NH4+,转运蛋白，通过主动运输方向将,NH4+,运入细胞内。,NH4+,的吸收伴随,H+,向膜外的释放，从而导致根际,H+,浓度的升高（根际酸化）。,NH4+,吸收的这一特点非常重要，因为根际酸化对其它难溶性养分的有效性有很大影响。,四、氮的同化与,NO3-,的还原,NO3,-,8H,+,8,NH,3,+2H,2,O+OH,-,氮的同化包括由,NO3-,还原为氨，再同化为氨基酸的过程。,NO3-,进入植物体后，多数情况下以,NO3-,的形式直接通过木质部运往地上部，其余一部分在根系中同化为氨基酸、蛋白质，或在根细胞的液泡中贮存起来。,硝酸还原酶,硝酸还原酶是一种黄素蛋白酶，含两个相同的亚基，每个亚基由黄素腺嘌呤二核苷酸,(FAD),、细胞色素,557(Cytc),和钼辅基,(Mo cofactor),三部分组成。在还原过程中，由,NAD(P)H,作为电子供体，经过一系列电子传递，最后由钼辅基将电子转移给硝酸根，使它还原为亚硝酸根。,亚硝酸还原酶,亚硝酸还原酶是一种含血红素,(Siroheme),和一个,4Fe-4S,中心的单体酶（图）。它以还原态的铁氧还蛋白作为电子供体，转移给亚硝酸，使亚硝酸根还原为氨。,硝酸还原酶,亚硝酸还原酶,五、,NO3-,和,NH4+,营养作用的比较,从生理的角度看，,NO3-,和,NH4+,都是良好的氮源，但在水培条件下，单纯供应铵态氮抑制植物生长，这是由于根际酸化所造成的。,田间条件下，有些在硝态氮下生长较好,(,喜硝性,),，另外一些则在铵态氮下生长较好,(,喜铵性,),。这在一定程度上与作物进化过程中对土壤生态条件的适应性有关。,作物对氮肥的喜好,水稻是典型喜铵的作物，施用铵态氮肥的效果比硝态氮肥好。而大多数旱地作物则表现喜硝性。,不同形态氮肥对玉米和水稻幼苗生长的影响（,15,天）,以,NaNO3,为氮源,以,(NH4)2SO4,为氮源,干 重 原来,pH,值 最终,pH,值 干 重 原来,pH,值 最终,pH,值,玉 米,0.41 5.2 6.8,0.27 5.1 4.0,水 稻,0.13 5.2 6.0,0.31 5.1 2.9,很多研究表明，当两种氮源以适当比例同时存在时，作物生长状况会明显改善。这在小麦、玉米、水稻等作物上都有相同的结果。不过在土壤中很难实现这一点。,NO3-,吸收与还原的调节,1,、硝酸盐对,NR,的诱导作用,2,、光照对,NR,活性的影响,3,、不同叶龄叶片中,NR,的活性,4,、植物体内氨基酸、铵离子对,NO3-,吸收的调节,七、植物缺氮症状,缺氮后蛋白质合成受阻，细胞分裂活性下降。叶绿素含量下降后出现叶片黄化，光合强度减弱，光合产物减少。,氮在植物体内的再移动能力能强。缺氮情况下，老叶中的蛋白质、核酸、叶绿素等分解为小分子氮化合物,(,如氨基酸或酰胺等,),，然后转运到新生器官被再利用，以满足这些器官的正常代谢。,1,、营养生长期缺氮,轻微缺氮时，植株呈浅绿色。严重缺氮时，下部老叶显著黄化并衰老加快。进而导致植物生长发育缓慢，植株矮小细弱。严重缺氮甚至出现生长停滞，不能抽穗开花。,2,、生殖生长期缺氮,缺氮导致繁殖器官（如幼穗、花）分化受阻。繁殖器官变小或变少。,3,、籽粒建成或果实形成期缺氮,器官提前衰老，叶片氮输出过早，光合产物供应不足，籽粒或果实中中细胞分化受阻，果实变小。谷物的败育籽粒数增加，籽粒结实率下降，产量明显降低。收获产品中的蛋白质、维生素和必需氨基酸的含量也相应地减少。,八、供氮过多的危害,超量供应氮素常使细胞增长过大，细胞壁薄，细胞多汁，导致作物易受各种病害侵袭。如果造成群体过大，受光条件恶化，则植株高度增加过快，下部节间过细，易造成倒伏。,过量氮素的同化过程要消耗大量碳水化合物，从而使植株碳氮代谢失调，导致甜菜块根的产糖率下降，园艺作物果实的含糖量降低，麻类作物纤维产量下降。,过多氮素还打破营养生长与生殖生长的平衡，使营养生长过旺，生理殖器官得不到充足的养分，造成小麦贪青晚熟，棉花蕾铃脱落等。,对叶菜类蔬菜来说，过量氮素不仅降低其贮存和运输品质，更易导致植物体内硝酸盐积累，对人体营养有很大危害。,水稻田氮肥过多，群体太大，遇风倒伏,第二节 氮素在土壤中的转化,氮肥在土壤中的转化,土壤中氮的形态可分为有机氮和无机氮。有机氮占,98%,以上，包括水溶性（如氨基酸等，约占,5%,）、水解性（如蛋白质等，约占,50-70%,）及非水解性有机氮（如杂环含氮化合物等，约占,30-50%,）。无机氮也称矿质氮，包括硝态氮、亚硝态氮和铵态氮，只占土壤全氮的,1-2%,。,（一）化肥氮的生物学固定,1,、作物对化肥氮的吸收,植物对氮肥的吸收率一般为,30-50%,！土壤残留,5-30%,，各种途径的氮肥损失高达,15-70%,！,2,、微生物对化肥氮的吸收,微生物吸收化肥中的氮，构成自身有机体的一部分，微生物分解后，又将这些氮素释放到土壤中。微生物体含氮总称为微生物氮。,（二）化肥氮在土壤中的转化,1,、土壤对铵的吸附与固定,阳离子吸附交换，粘土矿物固定，有机成分吸附,土壤对铵的固定在一定程度上降低了氮的损失。其中的交换态铵较易释放，可以在作物生长季节中不断提供氮素。,粘土矿物固定,在粘土矿物的膨胀晶格中，铵离子置换层间阳离子而被固定。,我国土壤中，被固定的铵态氮可占全氮的,10-40%,。,蛭石和伊利石是固定铵的主要矿物。,固定态铵可被使晶格膨胀的,Ca2+,、,Mg2+,、,Na+,、,H+,置换出来，但不能被使晶格收缩的,K+,、,Rb+,、,Cs+,离子置换。,K+,的存在常限制铵的固定，这是由于,K+,也能填入相同的固定位点。因此，先施钾肥后再施铵肥可减少铵的固定。,干湿交替和冻融交替可使土壤中刚固定的,NH4+,更加稳定。,土壤对铵的固定在一定程度上降低了氮的损失。其中的交换态铵较易释放，可以在作物生长季节中不断提供氮素。,2,、铵的硝化作用,影响,铵硝化作用的,因素,1,通气性好,2,适宜的水分,3 pH,值：,5.6-10.0,，,8.5,左右最佳。酸性土壤上受到抑制。,4,温度：,30-35oC,时硝化作用最快。,通气条件下硝化作用,3,、反硝化作用,-,硝态氮的还原作用,在嫌气条件下，经反硝化细菌从,NO3-,或,NO2-,中取得氧气，并使之还原成气态氮（,N2O,和,N2,）的过程。,影响,反硝化作用的,因素,1,通气性：当土壤含水量高时，氧气不足，增加反硝化作用。,2 pH,值：以,7.5-8.2,（偏碱性土壤）最快。酸性土壤上受抑制。,3,温度：在,2-60oC,范围内，随温度升高，反硝化作用增加。,4,有机质含量：有机质,(,碳源,),含高，反硝化作用强。,土壤含水量与反硝化作用,土壤,pH,值对反硝化作用的影响,土壤有机质对反硝化作用的影响,反硝化作用所需的能量与电子均由土壤中有机物质提供，大量有机碳的分解可迅速耗氧而形成嫌气环境。当土壤有机质含量低时，由于能源缺乏，反硝化作用受到抑制。,土壤有机质对反硝化作用的影响,4,、氨挥发,随土壤,pH,值、碳酸钙含量、温度、铵态氮肥用量的增加，氨挥发损失增大。,植物可以吸收土壤释施的氨，但同时，植物体内的氮素也可能通过氨挥发的形式释放到大气，尤其是成熟期和衰老期。,第三节 常用化学氮肥的性质,氮肥的种类、特性和施用,氮肥使用技术,一、氮肥的种类与特性,（一）氮肥生产原理,1,、氨合成原理,反应条件,：高温、高压、催化剂,氮气制备,：由空气中分离,氢制备,：重油气化法，固体燃料法，电解法等,N,2,+3H,2,-2NH,3,+,热,硝酸的合成原理：,2,、氮肥生产,NH3+H2O+CO2-NH4HCO3(,碳酸氢铵,),2NH3+CO2-CO(NH2)2+H2O(,尿素,),NH3+HNO3-NH4NO3(,硝铵,),2NH3+H2SO4-(NH4)2SO4(,硫铵,),追肥量的确定,根据作物不同时期氮素需求量进行调控,土壤氮素速测法,:,土壤氮素速测箱,植株氮素营养诊断法,：植株硝酸盐测定法，植物叶绿素,SPAD,值法,土壤氮素速测箱,植物硝酸盐测定的反射仪,精确农业的养分管理系统,（二）氮肥的种类,1,、氨态氮肥,液氨 氨水 碳酸氢铵 硫酸铵 氯化铵,液氨,注入土壤后立即形成局部高浓度的氨和铵区，直径约,3-13cm,。短期内可使,pH,值高达,9-9.5,，土壤微生物数量锐减，有机质溶解。,碳酸氢铵,含氮,17.7%,，无色细料晶体，水溶液碱性,(pH=8.2-8.4),。易受热分解，易吸湿水解，结块。,肥效快。土壤对其中的铵的吸附量大。施肥后需覆土或灌溉，以减少氨挥发。,解离后形成的,HCO3-,，可以进一步分解为,CO2,为作物提供碳源。,硫酸铵,白色结晶。含氮,21.2%,，较低。,早期主要化学品种，标准氮肥。,水溶液呈酸性。生理酸性肥料。,物理化学性质稳定。,在所缺硫土壤上施用更好。,不宜在水田施用，以防硫化氢毒害。,氯化铵,白色晶体，,含氮,26.1%,，较低。,水溶液呈酸性，生理酸性肥料。,比硫酸铵生产成本低,不宜在酸性土壤和忌氯作物上应用。,2,、硝态氮肥,特点：易溶于水，速效，易吸湿结块，受热分解，硝酸根易随水流失，不易于水田。硝酸钠含钠，不适于盐碱地。,硝酸铵,：含氮,35%,，白色结晶，水溶液呈酸性。,硝酸钠和硝酸钙,：含氮,15%,左右，水溶液呈碱性。,硝酸铵,3,、尿素,性质,酰胺态氮肥，,含氮,46%,，较高。,白色颗粒。,水溶液中性。,吸湿性小。,可用于基肥、追肥及叶面喷施,含少量缩二脲，对幼苗有抑制作用。,尿素,尿素的转化,：在脲酶的作用下，尿素可以与水反应，最终分解为氨气和二氧化碳。在,20oC,下，转化时间一般为,4-5,天。,脲酶抑制剂,：氢醌，苯醌,4,、缓释肥,/,控施肥,缓释,/,控释氮肥,主要包括合成的微溶的有机氮化合物、包膜氮肥、含硝化抑制剂氮肥三类。当前以应用包膜控释氮肥为主。,目前全世界缓释和控释肥的消耗总量大约是,65,万吨，其中美国占,70%,，日本和欧洲各占有,15%,左右。主要用于园艺作物、草坪、高尔夫球场等。,缓释肥,/,控释肥,各种各样的缓释肥,/,控释肥,合成的有机长效氮肥（微溶的有机氮化合物）,脲甲醛,(UF),、脲乙醛,(CDU),、脲异丁醛,(IBDU),、草酰铵,(OA),等。,包膜氮肥：,包膜物质有硫磺、树脂、聚乙烯、石蜡、沥青、沸石、钙镁磷肥等,含硝化抑制剂的氮肥,氯啶,(Nitrapyrin),、脒基硫脲,(ASU),、双氰胺,(DCD),、氯唑灵,(Terrazole),等。,含脲酶的氮肥,氢醌，苯醌等。,我国的缓效肥料主要包括涂层尿素、长效碳铵、氢醌尿素、非溶性磷肥包裹尿素、沸石尿素等。技术含量较低。,缓释肥,/,控释肥,各种各样的缓释肥,/,控释肥,合成的有机长效氮肥（微溶的有机氮化合物）,脲甲醛,(UF),、脲乙醛,(CDU),、脲异丁醛,(IBDU),、草酰铵,(OA),等。,包膜氮肥：,包膜物质有硫磺、树脂、聚乙烯、石蜡、沥青、沸石、钙镁磷肥等,含硝化抑制剂的氮肥,氯啶,(Nitrapyrin),、脒基硫脲,(ASU),、双氰胺,(DCD),、氯唑灵,(Terrazole),等。,含脲酶的氮肥,氢醌，苯醌等。,我国的缓效肥料主要包括涂层尿素、长效碳铵、氢醌尿素、非溶性磷肥包裹尿素、沸石尿素等。技术含量较低。,二、氮肥的施用技术,1,、氮肥的利用率,指当季作物吸收氮量占总施氮量的百分比。,氮肥利用率可由差值法和,15N,同位素示踪法求得。由差值法得出的值,(25-83%),要高于,15N,示踪法,(25-64%),。,氮肥的利用率的试验,差值法：氮肥利用率,=(,施氮肥区作物吸氮量无肥区作物吸氮量,)/(,肥料含氮量,x,施氮量,)X100%,15N,示踪法：由富集,15N,（高,15N,原子百分超）生产一定形态的标记氮肥，将其施用后，测定吸收入植物体中氮素的,15N,原子百分超，进而根据,15N,丰度的稀释原理，计算利用率。,用,15N,示踪法计算氮肥利用率：,第一步，计算作物吸收的肥料氮量,NF=,（,Nf+Ns)B/A,NF,：作物吸收的标记肥料氮量,Nf+Ns),：作物吸收的总氮量（包括肥料氮量,Nf,和土壤氮,Ns,）,第二步，计算氮肥利用率,R=NF/Na x 100%,R:,氮肥利用率,NF:,作物吸收的标记肥料氮量,Na:,施用的标记肥料量,两步可合并，由下式计算氮肥利用率,R=(Wp x Npc x 15Npe)/(Wf x Nfc x 15Nfe)x 100%,Wp,:,植物干重,Npc:,植株的,N%,15Npe,:,植株的,15N,原子百分超,Wf:,施用的肥料标记量,Nfc:,标记的肥料,N%,15Nfe:,标记肥料中的,15N,原子百分超,2,、氮肥的损失途径,氨挥发,硝酸盐淋失,反硝化作用,-N2O,、,NOx,、,N2,的释放,作物的氨挥发损失：,植株体内氨,/,铵的产生主要与硝态氮还原、根系对氨态氮的直接吸收、光呼吸、脱氨作用及衰老时期的蛋白质降解有关。而铵的同化则主要通过谷氨酰胺合成酶,(GS),，因此，,GS,活性高低与氨的挥发有很大关系，如果,GS,活性受到抑制，则氨的挥发量增加。,作物氨挥发可达到,0-5kg/hm2,。这一数值对作物体内总的氮平衡作用较小，但从大气环境的角度的出发，仍有一定的重要性。,氨的释放因施氮量、作物生育期、田间温度及水分状况有很大关系，在大麦籽粒灌浆期，氨释放常达到最大值，增加施氮量更加明显。田间温度升高、水分缺乏均引起植株蒸腾量加大，同时增加氨的释放。,硝酸盐的淋失,(leaching),冬前施用硝态氮肥，如果春季土壤含水量高，易导致硝酸盐向土壤深处淋失。,3,、减少氮损失的途径,合适的氮肥品种,合理的施氮量,适宜的施氮时间和次数,深施覆土,水分管理,:,如稻田“以水带氮”技术,硝化抑制剂,脲酶抑制剂,缓释肥,/,控释肥,4,、推荐施肥技术,总施氮量的确定,氮素平衡法,（目标产量法）,：施肥量,=(,目标产量下作物需氮量,-,播前土壤有效氮,)/,（含氮量度,x,氮肥利用率）,肥料效应函数法,：一元二次方程曲线，相交直线（直线加平台）,边际产量分析,平均适宜施氮量法,一元二次方程肥料效应曲线：,肥料效应函数,-,相交直线法,边际产量分析,依产量,Y,、平均生产率,AP,、边际产量,MP,最高值的出现时间，肥料效率曲线可分为,4,个部分，其中第,3,阶段为合理施肥阶段。,