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1、第二章 土壤有机质(soil organic matter),第一节 土壤有机质的来源、含量及其组成,概念：土壤有机质(soil organic matter)土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。一、土壤有机质的来源微生物动物来源 植物来源工农业副产品,一般土壤：生长在土壤中的高等绿色植物残体；土壤中的动物和微生物。农业土壤：施入的有机肥料；作物的残体及根系分泌物。其中进入土壤的植物残体是最主要的来源。,二、含量及组成,1、有机质含量 一般含量在0-5%之间。泥炭土可高达20%或30%以上漠境土和砂质土壤不足0.5%,土壤有机质含碳量55-60，
2、平均58，有机碳1.724有机质含量；含氮：3-6，平均5.6，C/N10:112:1。,怎么测得的？,0.5%,0.5-2.0%,7%,5%,珠江三角区冲积平原,2、有机质的组成,(1)化学元素组成土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N，C/N比大约在1012之间。(2)化合物组成腐殖物质（Humic Substance)非腐殖物质（Non-Humic Substance)常见的化合物有纤维素、半纤维素、蛋白质、木质素及脂类。,植物组织与土壤有机质组成比较,Components of SOM,(3)土壤有机质的存在形态,1.机械混合状态：未分解、半分解状态的有机残体与矿物质部分机械地混合在
3、一起。占SOM总量的0.648.4。2.生命体：生活在土壤中的各种活体（植物根系、土壤动物、微生物等）。可看作是土壤中独立部分，亦可视为土壤有机质的一部分。3.溶液态（游离态）：一般1。如游离单糖、氨基酸、有机酸等4.有机无机复合态：是土壤中与矿物质部分结合的有机质，腐殖物质属于此类。是土壤有机质的主体。,动、植物残体半分解的动、植物残体 腐植物质,正在腐解的生物33%-50%,稳定的有机质（腐殖质）33%-50%,新鲜残茬10%,活的生物5%,(3)土壤有机质的存在形态(续),Components of SOM,第二节 土壤有机物质的分解与转化Decomposition of organic
4、 Matter,有机残体,矿（质）化作用mineralization,腐殖化作用humification,一.有机质的矿化作用mineralization,（一）矿化作用的概念（Mineralization）：有机物质在微生物的作用下分解成无机营养元素的过程（The conversion of an element from an organic form to an inorganic state as a result of microbial decomposition）。（二）矿化作用的意义1.为作物生长释放出了营养元素-有效化过程2.为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。,矿
5、化作用：复杂有机物通过微生物的分解转化为简单的化合物，同时释放出矿质养料的过程。,有机质,微生物,CO2、SO42-、NH4+-N、NO-3N、H2PO4-、HPO42-,NH4+N、SH、CH4，有机酸等,好氧：,嫌气：,通气状况与有机质矿质化过程,在好氧条件下微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质转化为CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类的形式释放出来。在嫌气条件下好氧微生物的活动受到抑制，分解作用进行得既慢又不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。在极端嫌气的情况下还产生CH4、H2等还原物质，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。,有机化合物分解难易的差异,
6、单糖、淀粉和简单蛋白质,粗蛋白质,纤维素、半纤维素,脂肪、蜡质,木质素,有机质分解由易而难的递进,分解作用的意义,分解产生：CO2、CH4等温室气体，前者占绝对优势。CO2释放速率：衡量有机质分解强度与生物活动强度的指标；有机质补充养分的途径,一.有机质的矿化作用mineralization,（三）各种物质矿化作用1.糖类有机物质矿化：,己糖淀粉半纤维素纤维素；糖类物质的分解是土壤中生物物活动的主要能源（生物热）。（45千卡热/克有机物）,2.含氮物质的分解,蛋白质,多肽,氨基酸,氨NH3,硝酸根NO3-,蛋白酶,肽酶,氨化细菌,硝化细菌,水解作用（hydrolyzation),氨化作用（am
7、monification),硝化作用（nitrification),任何条件下,好气条件下,思考题：旱地和水田含氮化合物的转化结果会有何差异？,3.含磷和硫化合物的分解,正磷酸盐H2PO4-、HPO4-2、PO4+3、正硫酸盐 HSO4-、SO4-2 好气条件,偏磷酸盐和次磷酸盐H3PO3、H3PO2、H3P正硫酸盐 H2S(黑根、毒害）嫌气条件,（三）矿化率（mineralization rate)：每年因矿化而消耗的有机物质量占土壤有机质总量的百分数。矿化率作为土壤矿化快慢的指标。一般土壤年矿化率为1%左右。,含磷和硫化合物的分解,（四）影响土壤有机质分解转化的因素 土壤有机物质分解转化是
8、在微生物的作用下进行的，属于生物化学反应。1.温度:在035范围内，随着温度升高，有机物质分解速率增加。每上升10，土壤有机质分解速率升高10倍。温度高于45 和低于0 微生物的活性都会降低，有机物质分解速率变慢。高于50 就是纯氧化反应。（南方土壤有机质含量为什么低于北方土壤？）冻土效应(effect of soil freezing)：土壤冰冻以后，在其解冻后的最初12周内，二氧化碳和氨释放量增多的现象。,2.水分（通气性）：微生物生命活动一切条件都需要一定的湿度条件和通气条件。如果适度湿润且通气良好，土壤中的好气微生物活动旺盛，有机物质进行着好气分解，分解速度快，分解完全，矿化率高，中间
9、产物少，养料释放多，不会产生有毒物质。如果湿度过大，水分堵塞了土壤孔隙，使通气状况受阻，嫌气微生物活动旺盛，有机物质分解慢，不彻底，有中间产物累积，释放还原性气体，产生环境效应，也影响植物生长。水田不宜提倡秸秆还田。不能以牺牲环境为代价，换取增产。干土效应（effect of soil drying）：土壤经过干燥后，在加水湿润的最初12周内，二氧化碳和氨释放量增加的现象。,3.pH：各类微生物最适条件：细菌中性；放线菌偏微碱性；真菌酸性（36）；土壤pH高于8.5和低于5.5，都不适宜微生物活动。绝大多数微生最适pH条件为中性。4.有机物的物理状态和组成：新鲜程度、细碎程度，织物组织的C/N
10、比,C/N比(carbon nitrogen ratio),C/N比：有机质中有机碳和有机氮的重量比土壤的C/N:8:115:1 中间值为10:112:1。在同一气候条件下，C/N变化较小。气温相同时，干旱气候条件下的C/N比湿润地带低；降雨量相同时，暖温地带土壤C/N比寒冷地土壤低。底层土壤C/N比表层土壤低。植物的C/N比：豆科植物20:130:1。作物秸秆为80:1100:1微生物的C/N比：4:19:1 微生物自身的细胞需要吸收1份氮和5份碳，同时需要20份碳作为生命活动的能源，即微生物在生命活动过程中需要有机质的C/N约为25:1。小于此值N素充足，大于此值N素不足。,C/N比意义：
11、1.具有较高C/N的植物残体进入土壤会引起微生物与植物争氮现象。C/N比作为秸秆还田的重要技术参数需要考虑。2.不同土壤有一个相对稳定的C/N比。土壤碳的保持决定于土壤氮的水平。有机体的含氮量越大，则有机碳累积的可能性也就越大。所以，C/N不仅与土壤氮的有效性有关，而且也跟土壤有机质的保持有关。在耕作土壤管理中，两方面都需要考虑。氮因素（nitrogen factor）：表示有机物质分解过程中氮素的缺乏程度。加入100份有机物需要加进去的氮素量，既不发生争氮现象，又不会使土壤有效氮发生生物固定现象。,二.土壤腐殖化作用（humification）,（一）腐殖化概念：有机物质在分解转化过程中，又
12、重新合成腐殖质的过程。腐殖化过程也就是有机碳从一种形式转化为另一种形式，所以也叫有机碳的周转。它是一种极端复杂的生物过程。（二）土壤腐殖化过程-腐殖质的形成过程 腐殖化过程是以微生物为主导的生物和生化过程，还有一些纯化学过程。有机质的形成分为两个阶段：第一阶段：产生了合成腐殖质原始材料：（1）芳香核：主要由木质素降解所产生。酚类氧化成醌所产生。（2）支链化合物：一些含氮的有机化合物，如氨基酸、肽类等。第二阶段：合成阶段：将分解转化的基本材料在微生物作用下经过缩合和聚合作用合成结果复杂的腐殖质。,多元酚理论（较为盛行）,（三）腐殖化系数（humification coefficient）：加入单
13、位有机物质土壤后所产生腐殖质的斤数（一般指一年以后）。腐殖化系数大小不仅取决于有机物质品种本身，也取决于各种环境条件：旱地土壤腐殖化系数一般在0.200.30，而水田则为0.250.40之间。,第三节 土壤腐殖质soil humus,一.土壤腐殖质组成,土壤腐殖质Soil humus,非腐殖物质,腐殖物质（humic substances),（一）非腐殖物质：微生物的代谢产物1.碳水化合物：多糖、糖醛酸、和氨基糖组成。主要来源于植物残体和根系分泌物。含量占有机质总量1527%。其中多糖是主体。含量约为有机质总量的922%。多糖多土壤结果影响研究被受到关注。2.含氮化合物：主要来源于生物残体中含
14、氮化合物，其中主要形式为蛋白质、缩氨酸。易于分解成氨基酸。占的量不高。,（二）腐殖物质 概念：有机物质在微生物作用下分解转化成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。腐殖物质是在土壤中形成的一类特殊的化合物，远不同于动植物体内的其它有机化合物，结构复杂，性质稳定、存留时间长、和无机矿物颗粒密切结合在一起。是土壤有机质质体成分，占有机质总量的5090%。基本上与盐基离子形成各种腐殖酸盐。中心为芳香核、连接了许多支链化合物的复杂结构：,二.土壤腐殖质分离与提取,以上是依据腐殖酸类物质溶解性进行分类与提取请注意三大类腐殖组分：胡敏素、胡敏酸（HA）和黄腐酸（FA）,土壤腐殖酸的分组,传统的方法是将土壤腐
15、殖质划分为：胡敏酸/Humic acid（碱可溶、水和酸不溶，颜色和分子量中等）富啡酸/Fulvic acid（水、碱、酸均溶，颜色最浅和分子量最低）胡敏素/Humin（水、碱、酸均不溶，颜色最深和分子量最高，但其中一 部分能被热碱所提取）,聚合度,黄腐酸（富啡酸、富里酸）：能溶解于碱和酸。分子量相对较小,褐腐酸（胡敏酸）：指能溶解于碱而不溶解于酸。分子量相对较大,+,=60%,三.土壤腐殖质性质,（一）腐殖酸的组成1.腐殖酸的元素组成 腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。一般以腐殖质分子的平均含碳量为58%为有机碳和腐殖质的换算系数（1.724=100/58），C/N=10:112:1
16、。,我国土壤腐殖酸的元素组成（南京土壤研究所）,2.腐殖酸的化学结构 分子结构非常复杂。有许多模式，但相对统一的认识是中心为芳香核（疏水性基团），周围有许多支链化合物（有许多功能团）成为网状结构特征。功能基团包含有：羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。这些基团成为腐殖质分子活性最强的部分、如带电性、吸附性、亲水性等。,腐殖质的含氧官能团含量（mmol M）.kg-1,芳构化程度：表示腐殖酸分子中芳香环结构所占的比例。表示腐殖质的缩合度,3.腐殖酸的分子形状：多数人认为是网状多孔结构.现代用电子显微镜观察发现，腐殖质为非晶质物质，分子结构非常松散。大致呈无规则线状，其结构受pH、溶液电解
17、质浓度的影响极大。pH 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状,HA的3D优化结构模型,(二）腐殖酸的理化性质1、颜色：腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，但不同组分其颜色不同，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富里酸颜色较浅，称淡黄色。腐殖质颜色主要由缩合度的大小和发色团的比例不同而引起。A4/A6比值（A4/A6 ratio of humic acids)(E4/E6):腐殖质在波长为465nm和665nm（或400nm和600nm)处的吸光值的比。是腐殖化程度的指标。2、溶解性：腐殖质是一种弱酸，可溶于碱溶液而生成腐殖酸盐。富里酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，但溶
18、于碱；富里酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水；胡敏酸的一价盐溶于水，但二价、三价盐几乎不溶于水。3、吸水性：是一种亲水胶体，最大吸水量可以超过500%,4、带电性 属于两性胶体：在酸性情况下带负电荷，碱性情况下带正电荷。电荷来源主要是分殖酸分子羟基解离和胺基质子化。带电量为200500coml/kg，随pH升高而升高。,5、腐殖酸的络合性,络合物的稳定性随pH值的升高而增大。在pH4.8时能与Fe、Al、Ca等离子形成可溶性络合物，但在中性或碱性条件下会产生沉淀。,6.腐殖质的稳定性,在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于3个月，植物残体形成的新的有机质的半分解期为4.7-9年，而
19、胡敏酸的平均停留时间为780-3000年，富里酸的平均停留为200-630年。,土壤有机质平均停留期（mean residence time of soil organic matter，MRT）：土壤有机质各组分年龄的加权平均值。MRT变异：(1)不同土壤表土层中有机质的MRT值变异很大。(2)同一土壤MRT随土壤剖面层次增加而增大。MRT决定于：输入土壤有机残体的数量和性质；腐殖物质的化学本性和存在状态；环境条件等,土壤腐殖质形成过程是土壤发育的主要过程。不同土壤不仅其腐殖质含量不同，而且组分的比例、各组分的复杂程度等也有差异。HA/FA值*：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。意义：是表示土壤
20、腐殖质成份变异的指标之一。说明了腐殖酸形成的条件和分子量的复杂程度：HA/FA越大，胡敏酸含量多，结构复杂；相反，富里酸含量多，结构简单。,（三）腐殖质的变异性,我国土壤有机质变异规律是：1.由东向西，由草甸草原向干旱草原、荒漠草原和荒漠化土壤过渡，腐殖质含量不断递减，HA/FA也逐渐降低。黑土（1.52.5）-黑钙土（1左右）-灰钙土和荒漠土（0.60.8）2.一般我国北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/FA比大于1；而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，HA/FA比一般小于1。黑土-暗棕壤（12）-黄棕壤（0.450.75）-红壤、砖红壤（0.45
21、)3.在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA 比大于旱地。4.在同一地区，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。造成土壤腐殖变异的原因：主要是气候、植被、土壤反应、母质、等环境因素综合作用结果,微生物,矿化作用,腐殖化作用,好氧分解,小结：土壤有机质的转化过程,兼气、厌氧分解,CO2、H2O 矿质养分,CH4、H2S有机酸等,多元酚，氨基酸、醌,胡敏酸,土壤有机质,分解作用,缩合,SOM（土壤有机质）=不同分解程度的源物质和不同合成及缩合程度的新物质源物质(bio-origin):碳水化合物、木质素、蛋白质、树脂、蜡质等；新物质（腐殖物质，humus)：腐殖物质：胡敏酸、富哩酸、胡敏素,土壤有机
22、质含量并不总是不变的,空间和时间上，土壤有机质水平存在变化或波动,有机质平衡：秸秆还田不能无限提高土壤有机质含量,第四节 土壤有机质与肥力关系,1.土壤有机质在土壤肥力方面的作用,（一）提供植物需要的养分1.碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础。土壤每年释放的CO2相当于陆地植物的需要量；大棚蔬菜生产需要气肥。由于中午往往发生CO2饥饿现象，影响产量。根系土壤CO2浓度超过5%会对作物产生毒害。2.氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的90-98%3.磷素营养：土壤有机质中的磷素占全磷的20-50%4.其他营养：K、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。5.腐殖酸的络合和螯合，防止某些金属如C
23、u、Zn沉淀，提高了有效性。6.有机酸促进了矿物风化、溶解释放其养分,有机物质是多元素的长效肥,（二）提高士壤的蓄水保肥和缓冲能力腐殖质本身疏松多孔,具有很强的蓄水能力。土壤中的粘粒吸水力一般为5060，而腐殖质可高达400600。（三）改善土壤的物理性质新鲜有机质是土壤团聚体主要的胶结剂，在钙离子的作用下，能够形成稳定性团聚体，腐殖质颜色深，能吸收大量的太阳辐射热，同时有机质分解时也能释放热，所以有机质在一定条件下能提高土壤温度。,（四）促进微生物的生命活动土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分，同时又能调节土壤水、气热及酸碱状况。（五）促进植物的生长发育胡敏酸具有芳香族多元酚官能团，加强植
24、物的呼吸过程，提高细胞膜的透性，促进养分进入植物体，还能促进新陈代谢，细胞分裂，加速根系和地上部分的生长。（六）其他方面的作用腐殖质中含维生素、抗生素和激素，可增强植物抗病免疫能力，胡敏酸还有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染。另外，腐殖质还有利于盐、碱土的改良。,2.有机质在生态环境上的作用,（一）有机质对重金属污染的影响 腐殖酸是重金属离子的络合剂。（二）有机物质对农药污染的影响:褐腐酸可增大残留在土壤中的某些农药如D.D.T、三氮杂苯等溶解度，加速淋出土体。减少对农作物危害，（三）土壤有机质对全球碳平衡的影响（四）对环境不良影响还原气体的产生 CH4、H2S等,54/51,3.土壤
25、有机质的管理,（一）提高土壤有机质含量的原则 1.生态平衡原则在各种环境条件下，土壤有机质矿化和腐殖化处于相对平衡状态，故土壤有机质含量一般是相对稳定的；在特定气候带，特定植被条件下，土壤有机质积累到一定数量时，将保持较稳定的数值，不可能上升到惊人的水平；有机质含量下降要比提高快。(东北黑土开垦后退化)2.经济原则超量使用有机肥或其它大量的有机物质是不现实的、更是不经济的，必须按照经济原则培肥土壤。（有机无机并重）,土壤有机质含量并非可以无限提高，在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。,（二）提高有机质含量的措施1、施用有机肥主要的有机肥源包括：绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、
26、河泥、塘泥、有机和无机肥料配合施用2、种植绿肥：田菁 紫云英 紫花苜蓿等（1）休闲绿肥（2）粮肥间套 3、养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,4.秸秆还田注意秸秆的C/N比、破碎度、埋压深度以及土壤墒情、播种期远近、化肥施用量等。5.土壤调控技术措施（1）调解土壤湿度和通气性（2）温度：中耕松土（锄头下边有肥）（3）土壤pH(4)土壤C/N比,1.土壤有机质 2.土壤腐殖质 3.矿化作用 4.腐殖化作用 7.腐殖化系数 8.C/N 9.腐殖酸 10.褐腐酸 11.黄腐酸 12.激发效应,1.什么叫土壤有机质?包括哪些形态?其中哪种最重要?2.增加土壤有机质的方法有哪些?你认为最有效是哪种?3.叙述土壤有机质在土壤肥力上的意义和作用?4.水田的腐殖质含量一般比旱地高?为什么?5.影响土壤有机质转化的条件是什么?其中最主要的条件是哪一种?为什么?,(一)基本概念,(二）问答题,
