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實驗室, 國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，陜西 西安 710054）

土壤環(huán)境中幾種常量元素的生物地球化學研究進展

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實驗室, 國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，陜西 西安 710054）

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

土壤；元素；生物地球化學循環(huán)

生物地球化學是由維爾納斯基在1902年提出，屬于地球化學的一個重要分支。其主要是在研究化學元素遷移轉化對生命與其周圍環(huán)境的影響過程中形成。它主要研究生物活動所引起的地殼中元素的遷移、轉化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、變異、衰減等規(guī)律[1]。研究生物地球化學對農業(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。生物地球化學循環(huán)則是研究各元素在環(huán)境中沿特定的路線運移，進而進入生物體，再回到環(huán)境中的整個過程，既包括元素在環(huán)境中的有機階段又包括其在環(huán)境中的無機階段。

土壤是農業(yè)生產(chǎn)的主要場所，也是生物生存和孕育的載體。隨著人們對土壤的認識和理解不斷的加深，用當代土壤圈物質循環(huán)的觀點來闡釋土壤的功能、作用等，將更能夠反映出土壤中元素的生物地球化學本質。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，它與其它圈層間進行能量與物質的交換，形成了土壤的生物地球化學循環(huán)。土壤中的生物地球化學是研究土壤中各元素及有機物質在土壤、大氣、水體間的遷移、轉化、循環(huán)利用，以及它們與賦存介質之間的相互關系的學科[2-4]，可以通過分析土壤、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循環(huán)過程。土壤中的養(yǎng)分元素是構成生物體的主要元素，也是土壤生物化學循環(huán)的研究過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循環(huán)有利于獲得土壤與其他圈層的能量和物質交換的全過程。

1 土壤生物地球化學循環(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)物質移動性很小，但固態(tài)物質中可溶性鹽分、養(yǎng)分以及微量元素在液相物質或氣相物質影響下，可以在土壤-生物之間進行遷移和傳遞，這部分固相物質在生態(tài)地球化學循環(huán)中才具有生物學的意義。而土壤中水分在土壤、生物、大氣間的遷移轉化構成了土壤水分的生物地球化學循環(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)分元素從土壤進入生物體的載體。土壤是一個多孔物質，氣態(tài)物質在土壤孔隙中存在，雖然數(shù)量不大，但它對土壤上的植物和土壤微生物的生長和發(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。土壤中各元素的生態(tài)地球化學循環(huán)，基本是以液、氣兩種物態(tài)為運動載體的[5]。

2 土壤中常量元素的生物地球化學循環(huán)

2.1 碳元素的生物地球化學循環(huán)

大自然中的一切有機物都是以碳作為基本元素，而自然界碳庫中最活躍的部分是農田土壤中的碳庫，它對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循環(huán)過程中具有很大的作用。尤其是對土壤中有機碳行為的研究(無機碳更新時間尺度太長)。目前，對土壤中碳元素的生物地球化學循環(huán)研究主要有：（1）土壤中碳庫重要性的研究[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]。土壤中有機碳的儲存量約占全球生物有機碳的90%，土壤有機碳的輸入主要通過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。通過研究土壤有機碳動態(tài)與生物變化的關系，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節(jié)土壤碳的微區(qū)結構[14]，同樣，這在碳循環(huán)對氣候變化的反饋作用上，也起著重要的作用[15]。由此可見，土壤有機碳在生物地球化學循環(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)關系逐漸成為多學科綜合研究的主要領域[16]。

2.2 氮元素的生物地球化學循環(huán)

氮元素既是地球上生物生長必需的營養(yǎng)元素，氮素的投入又是農業(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，只有在進入土壤經(jīng)過固氮生物固定，將其轉化為銨鹽才能被植物吸收利用，并且合成蛋白質和其他含氮有機物，從而促進物質在整個生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)。土壤中氮元素的循環(huán)是一個高度動態(tài)的過程，且在這個過程中有著復雜的轉移方式和途徑[17]。同時土壤環(huán)境中的氮元素循環(huán)不是獨立存在，會受到很多因素的影響，例如土壤的種類、pH、微生物、徑流、有機肥、化肥、降塵飄塵等[18]。目前對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態(tài)存在[20]，無機氮相對較低，人們一直認為植物只能吸收土壤中無機氮，但最新的研究表明，在嚴重缺乏營養(yǎng)元素的條件下，某些植物可以直接吸收有機態(tài)中的氮素[21]。（2）氮元素在土壤中的遷移轉化的研究。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們越來越重視人類活動對氮素全球循環(huán)的擾動的研究[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)淋溶損失和徑流進入水體。沒有被吸收植物吸收的氮通過各種途徑嚴重影響生態(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，共同構成了土壤中氮元素的生物地球化學循環(huán)。因此，土壤中氮元素不僅僅是構成地球生物的重要組成部分，更重要的是土壤氮素形態(tài)轉化、循環(huán)和損失過程，對整個生態(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循環(huán)

磷元素是農業(yè)生產(chǎn)中最重要的養(yǎng)分元素，同時，也是植物必需的營養(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合，使得植物不能直接利用。同時，磷酸鹽易于被淋溶，從而進入生態(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，使磷質離開生物圈無法完成整個循環(huán)。土壤中磷的生物地球化學循環(huán)和生物有效性及環(huán)境效應均會受到磷元素化學行為的直接影響。目前，土壤中磷的生物地球化學循環(huán)主要研究內容有：（1）土壤中磷的形態(tài)研究。土壤中磷元素主要分為無機和有機兩大類[29-32]。無機磷又分為次生無機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)；而有機態(tài)的磷化合物中大部分未知，已知的土壤中有機磷主要有植素類、磷脂類、核酸及其衍生物。（2）土壤中磷元素的遷移轉化與固定。土壤中磷素的轉化過程主要包括溶解和沉淀，其中土壤中磷素的含量會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化為無效態(tài)磷，主要包括礦物質固定、土壤顆粒固定、陽離子固定、有機固定等。土壤中磷元素的固定過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，長江以南地區(qū)土壤則以鐵、鋁為主的體系進行固定。而固定態(tài)磷可經(jīng)過土壤的風干過程、土壤生物的死亡過程實現(xiàn)磷的釋放[34-36]。（3）土壤磷素與水體富營養(yǎng)化的研究。土壤中磷元素在人為參與下，施入量過大，或者土壤淋溶較為嚴重時，則會造成土壤中磷素的缺失，而這部分磷素進入水體則會造成誰提的富營養(yǎng)化。因此，在研究土壤磷素的化學行為及其影響因素的過程中，結合磷元素的化學行為，有助于人們更好地認識和利用磷元素，同時對保護生態(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。同時在土壤中的硫可在微生物的作用下轉化為硫化氫等氣體形態(tài)，通過氧化復而形成硫酸，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)階段對土壤中硫元素的研究從以下幾個方面開展：（1）土壤中硫元素形態(tài)的研究。硫在土壤中一般分為無機態(tài)硫和有機態(tài)硫兩大類。無機態(tài)硫主要包括單質硫、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)遷移等運移行為。硫元素通過這些運移行為來完成其在各圈層中的生物地球化學循環(huán)。而這些反應中有微生物的參與但同時受環(huán)境條件的制約[40-42]。硫元素在地殼中主要以硫酸鈣、硫化鐵和單質硫的形式存在，巖石的風化會引起這些含硫化合物進入土壤圈，進而完成硫元素的生物地球化學循環(huán)。（3）土壤中硫元素循環(huán)對環(huán)境的影響。土壤中硫元素通過一系列的化學反應，產(chǎn)生大量氣態(tài)硫化物進入大氣，引起全球變化，進而威脅到自然生態(tài)系統(tǒng)及人類的生產(chǎn)生活環(huán)境。同時，土壤中硫元素的氧化還原作用會對氮、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循環(huán)對周圍環(huán)境、農作物產(chǎn)量、土壤性質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

國土資源部公益性行業(yè)科研專項，項目號：201311096-02；陜西省自然科學基金項目，項目號：2014JM5217。

2015-06-28

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

S 151.9

A

1671-0460（2015）08-2038-04