土壤環(huán)境中幾種常量元素的生物地球化學(xué)研究進(jìn)展

王曉雁，李慧慧，劉 隆，雷 騰

（陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 國(guó)土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，陜西 西安 710054）

土壤環(huán)境中幾種常量元素的生物地球化學(xué)研究進(jìn)展

王曉雁，李慧慧，劉 隆，雷 騰

（陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 國(guó)土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，陜西 西安 710054）

通過(guò)對(duì)生物地球化學(xué)的概念以及生物地球環(huán)境化學(xué)循環(huán)進(jìn)行闡述，進(jìn)而得出了土壤環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)的概念。通過(guò)對(duì)土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)所存在的物態(tài)進(jìn)行分析，總結(jié)出土壤生物地球化學(xué)循環(huán)所研究的物態(tài)包括三種：即固、液、氣三相物態(tài)。進(jìn)而提出土壤生物地球化學(xué)中的幾種主要養(yǎng)分元素碳、氮、磷、硫在液相物質(zhì)或氣相物質(zhì)影響下，在土壤-生物界面之間進(jìn)行遷移和傳遞的研究進(jìn)展，得出其在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用。

土壤；元素；生物地球化學(xué)循環(huán)

生物地球化學(xué)是由維爾納斯基在1902年提出，屬于地球化學(xué)的一個(gè)重要分支。其主要是在研究化學(xué)元素遷移轉(zhuǎn)化對(duì)生命與其周圍環(huán)境的影響過(guò)程中形成。它主要研究生物活動(dòng)所引起的地殼中元素的遷移、轉(zhuǎn)化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、變異、衰減等規(guī)律[1]。研究生物地球化學(xué)對(duì)農(nóng)業(yè)土壤改良、環(huán)境污染防治、地方病等方面的研究都有重要意義。生物地球化學(xué)循環(huán)則是研究各元素在環(huán)境中沿特定的路線運(yùn)移，進(jìn)而進(jìn)入生物體，再回到環(huán)境中的整個(gè)過(guò)程，既包括元素在環(huán)境中的有機(jī)階段又包括其在環(huán)境中的無(wú)機(jī)階段。

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要場(chǎng)所，也是生物生存和孕育的載體。隨著人們對(duì)土壤的認(rèn)識(shí)和理解不斷的加深，用當(dāng)代土壤圈物質(zhì)循環(huán)的觀點(diǎn)來(lái)闡釋土壤的功能、作用等，將更能夠反映出土壤中元素的生物地球化學(xué)本質(zhì)。作為地球系統(tǒng)的重要組成部分，土壤既產(chǎn)生于地球系統(tǒng)，同時(shí)又支撐了地球系統(tǒng)的完整性。在生態(tài)系統(tǒng)中，土壤圈最具有活躍性和生命力，它與其它圈層間進(jìn)行能量與物質(zhì)的交換，形成了土壤的生物地球化學(xué)循環(huán)。土壤中的生物地球化學(xué)是研究土壤中各元素及有機(jī)物質(zhì)在土壤、大氣、水體間的遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)利用，以及它們與賦存介質(zhì)之間的相互關(guān)系的學(xué)科[2-4]，可以通過(guò)分析土壤、植物間元素的交換、遷移、富集和相互作用等，得出元素在土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。土壤中的養(yǎng)分元素是構(gòu)成生物體的主要元素，也是土壤生物化學(xué)循環(huán)的研究過(guò)程中必須考慮的元素，因此，分析主要養(yǎng)分元素的生物地球化學(xué)循環(huán)有利于獲得土壤與其他圈層的能量和物質(zhì)交換的全過(guò)程。

1 土壤生物地球化學(xué)循環(huán)中物態(tài)的研究

土壤生態(tài)系統(tǒng)中主要包括固、液、氣三相物態(tài)。其中的固態(tài)物質(zhì)移動(dòng)性很小，但固態(tài)物質(zhì)中可溶性鹽分、養(yǎng)分以及微量元素在液相物質(zhì)或氣相物質(zhì)影響下，可以在土壤-生物之間進(jìn)行遷移和傳遞，這部分固相物質(zhì)在生態(tài)地球化學(xué)循環(huán)中才具有生物學(xué)的意義。而土壤中水分在土壤、生物、大氣間的遷移轉(zhuǎn)化構(gòu)成了土壤水分的生物地球化學(xué)循環(huán)。土壤水分在土壤與生物之間遷移不僅僅是由于水分是生物的重要組成部分，更重要的是它是養(yǎng)分元素從土壤進(jìn)入生物體的載體。土壤是一個(gè)多孔物質(zhì)，氣態(tài)物質(zhì)在土壤孔隙中存在，雖然數(shù)量不大，但它對(duì)土壤上的植物和土壤微生物的生長(zhǎng)和發(fā)展具有重要意義，特別是植物根系的呼吸作用，主要靠土壤中的氣態(tài)物質(zhì)。土壤中各元素的生態(tài)地球化學(xué)循環(huán)，基本是以液、氣兩種物態(tài)為運(yùn)動(dòng)載體的[5]。

2 土壤中常量元素的生物地球化學(xué)循環(huán)

2.1 碳元素的生物地球化學(xué)循環(huán)

大自然中的一切有機(jī)物都是以碳作為基本元素，而自然界碳庫(kù)中最活躍的部分是農(nóng)田土壤中的碳庫(kù)，它對(duì)維持全球的碳平衡具有極大的作用[6,7]。碳元素在土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中具有很大的作用。尤其是對(duì)土壤中有機(jī)碳行為的研究(無(wú)機(jī)碳更新時(shí)間尺度太長(zhǎng))。目前，對(duì)土壤中碳元素的生物地球化學(xué)循環(huán)研究主要有：（1）土壤中碳庫(kù)重要性的研究[8,9]；（2）土壤碳的形態(tài)與活性研究[10]；（3）土壤碳循環(huán)與全球變化的研究[11-13]。土壤中有機(jī)碳的儲(chǔ)存量約占全球生物有機(jī)碳的90%，土壤有機(jī)碳的輸入主要通過(guò)土壤呼吸作用固定大氣中的碳以及土壤生物死后殘留在土壤中形成。通過(guò)研究土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)與生物變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤微生物特別是根際土壤微生物的變化可以較好地調(diào)節(jié)土壤碳的微區(qū)結(jié)構(gòu)[14]，同樣，這在碳循環(huán)對(duì)氣候變化的反饋?zhàn)饔蒙?，也起著重要的作用[15]。由此可見(jiàn)，土壤有機(jī)碳在生物地球化學(xué)循環(huán)中起著很重要的作用，它是土壤圈與其他圈層聯(lián)系的紐帶，因此，土壤固碳與土壤可持續(xù)性的密切耦聯(lián)關(guān)系逐漸成為多學(xué)科綜合研究的主要領(lǐng)域[16]。

2.2 氮元素的生物地球化學(xué)循環(huán)

氮元素既是地球上生物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，氮素的投入又是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的主要措施之一。氮素限制著地球生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)生產(chǎn)力。大氣中有著豐富的氮元素，但是不能被植物直接吸收利用，只有在進(jìn)入土壤經(jīng)過(guò)固氮生物固定，將其轉(zhuǎn)化為銨鹽才能被植物吸收利用，并且合成蛋白質(zhì)和其他含氮有機(jī)物，從而促進(jìn)物質(zhì)在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)。土壤中氮元素的循環(huán)是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，且在這個(gè)過(guò)程中有著復(fù)雜的轉(zhuǎn)移方式和途徑[17]。同時(shí)土壤環(huán)境中的氮元素循環(huán)不是獨(dú)立存在，會(huì)受到很多因素的影響，例如土壤的種類、pH、微生物、徑流、有機(jī)肥、化肥、降塵飄塵等[18]。目前對(duì)土壤氮的研究主要從以下幾方面開展：（1）土壤氮元素的含量、分布與形態(tài)。氮元素在土壤中的分布主要為同一深度處高寒區(qū)含量大于溫帶地區(qū)，且主要集中于表層，隨著土壤的深度加大，氮元素含量逐漸降低[19]。氮元素在土壤中主要以有機(jī)態(tài)存在[20]，無(wú)機(jī)氮相對(duì)較低，人們一直認(rèn)為植物只能吸收土壤中無(wú)機(jī)氮，但最新的研究表明，在嚴(yán)重缺乏營(yíng)養(yǎng)元素的條件下，某些植物可以直接吸收有機(jī)態(tài)中的氮素[21]。（2）氮元素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化的研究。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視人類活動(dòng)對(duì)氮素全球循環(huán)的擾動(dòng)的研究[22-25]。人類施入土壤中的氮肥，約有20%～75% 可以被植物吸收并利用[26]，剩下的以礦質(zhì)氮的形式殘留在土壤外，一部分以氣態(tài)逸向大氣，另一部分經(jīng)淋溶損失和徑流進(jìn)入水體。沒(méi)有被吸收植物吸收的氮通過(guò)各種途徑嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，威脅人類的健康安全[27]。（3）土壤中氮元素的損失及其環(huán)境效應(yīng)的研究。土壤氮氧化物的釋放及銨的揮發(fā)、氮素淋溶損失、氮素徑流損失均會(huì)造成周圍環(huán)境的破壞[28]。而在氮元素的損失中，又伴隨了氧化還原，硝化反硝化等反應(yīng)，共同構(gòu)成了土壤中氮元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。因此，土壤中氮元素不僅僅是構(gòu)成地球生物的重要組成部分，更重要的是土壤氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化、循環(huán)和損失過(guò)程，對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有重要的意義。

2.3 磷元素的生物地球化學(xué)循環(huán)

磷元素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的養(yǎng)分元素，同時(shí)，也是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一。自然界中，沉積物中的磷元素主要以磷酸鹽的形式存在，植物也只吸收磷酸鹽溶液中的磷。在酸性的條件下，土壤中的磷酸根易與鐵、鋁結(jié)合，都形成難以溶解的磷酸鹽，而在堿性環(huán)境下則易于土壤中鈣元素相結(jié)合，使得植物不能直接利用。同時(shí)，磷酸鹽易于被淋溶，從而進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)中其他圈層，造成污染，且一部分經(jīng)徑流攜帶而沉積于海底，使磷質(zhì)離開生物圈無(wú)法完成整個(gè)循環(huán)。土壤中磷的生物地球化學(xué)循環(huán)和生物有效性及環(huán)境效應(yīng)均會(huì)受到磷元素化學(xué)行為的直接影響。目前，土壤中磷的生物地球化學(xué)循環(huán)主要研究?jī)?nèi)容有：（1）土壤中磷的形態(tài)研究。土壤中磷元素主要分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類[29-32]。無(wú)機(jī)磷又分為次生無(wú)機(jī)磷酸鹽類和原生礦物磷灰石類，原生礦物磷灰石類則有化合態(tài)和吸附態(tài)兩種賦存形態(tài)；而有機(jī)態(tài)的磷化合物中大部分未知，已知的土壤中有機(jī)磷主要有植素類、磷脂類、核酸及其衍生物。（2）土壤中磷元素的遷移轉(zhuǎn)化與固定。土壤中磷素的轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包括溶解和沉淀，其中土壤中磷素的含量會(huì)決定吸附與解析的量[33]。而土壤中磷的固定是指土壤中有效磷轉(zhuǎn)化為無(wú)效態(tài)磷，主要包括礦物質(zhì)固定、土壤顆粒固定、陽(yáng)離子固定、有機(jī)固定等。土壤中磷元素的固定過(guò)程在南方和北方不同，北方石灰性土壤主要以鈣為主的體系，長(zhǎng)江以南地區(qū)土壤則以鐵、鋁為主的體系進(jìn)行固定。而固定態(tài)磷可經(jīng)過(guò)土壤的風(fēng)干過(guò)程、土壤生物的死亡過(guò)程實(shí)現(xiàn)磷的釋放[34-36]。（3）土壤磷素與水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究。土壤中磷元素在人為參與下，施入量過(guò)大，或者土壤淋溶較為嚴(yán)重時(shí)，則會(huì)造成土壤中磷素的缺失，而這部分磷素進(jìn)入水體則會(huì)造成誰(shuí)提的富營(yíng)養(yǎng)化。因此，在研究土壤磷素的化學(xué)行為及其影響因素的過(guò)程中，結(jié)合磷元素的化學(xué)行為，有助于人們更好地認(rèn)識(shí)和利用磷元素，同時(shí)對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義[37]。

2.4 硫元素的生物地球化學(xué)循環(huán)

硫元素是地殼中含量最豐富的元素之一。硫在土壤中的化學(xué)行為直接影響到其他圈層中硫元素的交換、循環(huán)。在土壤中，硫元素主要以硫酸鹽的形式存在，植物也是以硫酸鹽溶液形式吸收利用硫元素。同時(shí)在土壤中的硫可在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為硫化氫等氣體形態(tài)，通過(guò)氧化復(fù)而形成硫酸，以酸雨的形式降入土壤和水中。而硫元素在土壤和水體之間的相互轉(zhuǎn)化則是由土壤中富氧層和貧氧層中具有氧化和還原作用的兩種微生物體系所決定的?，F(xiàn)階段對(duì)土壤中硫元素的研究從以下幾個(gè)方面開展：（1）土壤中硫元素形態(tài)的研究。硫在土壤中一般分為無(wú)機(jī)態(tài)硫和有機(jī)態(tài)硫兩大類。無(wú)機(jī)態(tài)硫主要包括單質(zhì)硫、硫化物、易溶性硫酸鹽、吸附性硫酸鹽、與天然碳酸鈣共沉淀的硫酸鹽及其他形態(tài)的硫酸鹽沉淀等。有機(jī)態(tài)硫主要包括酯鍵硫、碳鍵硫、惰性硫等[38-39]。（2）硫元素在土壤中的化學(xué)行為的研究。土壤中的硫元素同樣存在吸附解析、氧化還原、礦化作用、循環(huán)遷移等運(yùn)移行為。硫元素通過(guò)這些運(yùn)移行為來(lái)完成其在各圈層中的生物地球化學(xué)循環(huán)。而這些反應(yīng)中有微生物的參與但同時(shí)受環(huán)境條件的制約[40-42]。硫元素在地殼中主要以硫酸鈣、硫化鐵和單質(zhì)硫的形式存在，巖石的風(fēng)化會(huì)引起這些含硫化合物進(jìn)入土壤圈，進(jìn)而完成硫元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。（3）土壤中硫元素循環(huán)對(duì)環(huán)境的影響。土壤中硫元素通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣態(tài)硫化物進(jìn)入大氣，引起全球變化，進(jìn)而威脅到自然生態(tài)系統(tǒng)及人類的生產(chǎn)生活環(huán)境。同時(shí)，土壤中硫元素的氧化還原作用會(huì)對(duì)氮、碳元素循環(huán)及土壤環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，研究土壤中硫元素的化學(xué)循環(huán)對(duì)周圍環(huán)境、農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤性質(zhì)的變化都具有一定意義[43,44]。

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Research on Biogeochemical Cycling of Several Macroelements in Soil

WANG Xiao-yan, LI Hui-hui, LIU Long, LEI Teng
（Shaanxi Provincial Key Laboratory of Mineral Exploration and Utilization, Xi’an Testing and Quality Supervision Center for
Geological and Mineral Products, The Ministry of Land and Resource, Shaanxi Xi’an 710054, China）

The concept of biogeochemistry and biological chemical cycle were described as well as soil environmental biogeochemistry cycle. The state of matter in soil during the biogeochemical cycle was analyzed, the state includes three types: solid, liquid, gas phase. Several main nutrient elements in the soil biogeochemistry were put forward, such as carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur. Research progress in their migration and transfer between soil and biological interface was discussed, its role in the biogeochemical cycle was obtained.

Soil；Macroelements；Biogeochemical cycle

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)，項(xiàng)目號(hào)：201311096-02；陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2014JM5217。

2015-06-28

王曉雁（1981-），女，陜西渭南人，工程師，2004年畢業(yè)于西北大學(xué)化學(xué)專業(yè)，研究方向：從事化學(xué)分析及質(zhì)量控制研究工作。E-mail：wkxbb@163.com。

S 151.9

A

1671-0460（2015）08-2038-04