第五讲土壤碳库的形成与转化

1、1 第五讲 土壤碳库的形成与转化 第一部分 土壤有机质的来源、含量及其组成 第二部分 土壤生态系统中有机物质的生成与分解累积 第三部分 影响土壤库中有机质分解与累积的因素 第四部分 有机质对土壤库的影响 第五部分 土壤腐殖物质的形成和性质 第六部分 土壤有机质的作用及管理 2 我国土壤有机质分布图 0.5% 7% 0.5-2.0% 5% 3 第一部分 土壤有机质的来源、含量及 其组成 土壤有机质： 是指土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残 体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称。包括： 1、土壤中各种动/植物残体 2、微生物体 3、土壤生物分解/合成的各种有机物质 4 一、土壤有机质的来源

2、一、土壤有机质的来源 l微生物： 最早来源 l动物来源 l植物来源 自然土壤经过耕种或其它人类活动影响后产生的： l农业副产品 l有机肥料 l有机农药 l工业副产品 基本来源 5 2、有机质的组成、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。 其中，C/N比大约在1012之间。 二、含量及组成二、含量及组成 1、有机质含量、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% 6 (2)物质组成： (i) 微生物体，动、植物残体； (ii) 简单有机化合物（主要有木质素、蛋白质，半纤维素，纤 维素及其他小分子化合物

3、等）非腐殖物质(占土壤有机质 的20-30%以上) ； (iii) 腐殖物质腐殖物质。 7 腐殖物质 i) 定义：是由多酚和多醌类物质在微生物作用下聚合而成的 含芳香环结构的非晶形高分子有机化合物。 ii) 颜色：黄色 棕黑色 iii)结构未知 iv)是土壤有机质的主体，占其60-80% 8 第二部分 土壤生态系统中有机物质 的生成与分解累积 落红不是无情物落红不是无情物 化作春泥更护花化作春泥更护花 9 R（C，4H，养分）+ 2O2 CO2 + 2H2O + 能量+养分 酶 氧化 一、矿化作用与腐殖化过程 1、矿化作用矿化作用(Mineralization) 土壤有机质在土壤微生物及其酶的

4、作用下，分解成二氧化碳 和水，并释放出其中的矿质养分的过程。 10 2、腐殖化过程腐殖化过程 (Humification) 各种有机化合物通过微生物合成或在原植物组织中聚合转 变为组成和结构比原来更为复杂的新的有机化合物的过程。 11 12 腐殖化系数：腐殖化系数： 单位质量有机物质的有机碳在土壤中分解一年后的残留碳量称为有机物 质的腐殖化系数。 13 有机质的分解与合成示意图有机质的分解与合成示意图 14 在好氧条件下在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用快而彻底，有机物质彻 底分解为CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。 在嫌气条件下在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分

5、解作用慢且不彻底， 同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物中间产物。 在极端嫌气的情况下在极端嫌气的情况下，除了产生中间产物外中间产物外，还产生CH4、H2等还原等还原 性物质性物质，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。 15 二、生物物质循环在土壤形成中的作用 (1) 固定营养元素固定营养元素 生物摄取从岩石、矿物中释放出来的养分元素，通过一 系列的生物化学过程将易溶性、无机态转化为有机态化合物 而固定在生物体内。死亡的生物或其残体被微生物分解后， 被固定的养分元素又被下一代或别的生物再吸收利用，这种 循环过程保证了土壤生态系统的发展。 由有机物质生成的土壤腐殖质决定着土壤潜在肥力及其

6、有效性。 16 表52 陆地生态系统光合作用形成的干物质及固定的能量 17 (2) 保存和富集植物养分保存和富集植物养分 表53 能被植物进行生物学吸附的元素 18 土壤条件的好坏在很大程度上影响生物产量，从而影响养分循环的强 度；进入土壤的有机质，在土壤生物的作用下分解、转化是养分循环与能 量传递的重要环节。 在农田生态系统中，作物被移出后带走了大量植物营养元素，从而导 致土壤养分枯竭，系统生产力下降。施用各种矿质肥料可以归还植物营养 元素，但却不能弥补由此减少的土壤能量。因此，在农田生态系统中归还在农田生态系统中归还 有机残渣是改善土壤生态功能、提高经济效益的一个有效途径有机残渣是改善土壤

7、生态功能、提高经济效益的一个有效途径。 19 三、土壤生态系统中有机物质的分解积累 进入土壤后的有机物质的分解过程分为两个阶段：第一阶段是 易分解物质（主要是可溶性物质，如简单的糖类、蛋白质和有机酸 等）的快速分解过程；第二阶段是难分解物质（如木质素和腐殖质 等）的缓慢分解过程。 一个碳原子的旅程 据Garrels等（1975)计算： 在大气圈中停留4年； 在生物圈中停留11年； 在海洋上层水域停留385年； 在深海中停留10万年； 在地壳中停留3.42亿年 20 第三部分 影响土壤库中有机质分 解、积累和转化的因素 一、影响有机质的分解和积累的因素 21 （一）有机肥的化学组成对分解积累的影

8、响 1、有机质的化学组成影响有机肥最初阶段的分解速率；、有机质的化学组成影响有机肥最初阶段的分解速率； 有研究报道，黑麦草地上部分的分解速率开始时快于地下部分，约6 个月后差异消失；大麦的地上和地下部分在土壤中分解5年后残留率仍 有很大差异，前者为12，后者为16。 2、有机质的、有机质的C/N比也影响分解速率；比也影响分解速率； C/N比对分解速率的影响只表现在分解的开始阶段（含N量高则分解 速度就快），而且可以被土壤中的N素所补偿。 3、木质素含量是影响有机肥残留率的主要因素。、木质素含量是影响有机肥残留率的主要因素。 草根的分解量与(C/N 木质素%)/(糖%)呈反相关；有机肥的腐殖化

9、系数与(木质素%)/(苯醇溶性物水溶性物碳水化合物)呈正相关；有 机肥的C/N比越大，N素的残留率就越大。 22 （二）有机肥施用量对分解速率的影响 在有机肥分解的初期，施用量明显影响分解速率；当有 机质的分解时间足够长（36个月以上）时，有机质分解速 率不受施用量的影响。 23 （三）土壤对有机肥分解积累的影响 土壤中的矿物质部分对土壤有机质的彻底分解有阻滞作用。（其作用 实际上不是在分解上，而是通过将中间产物固定来阻滞彻底分解。） (1) 较细颗粒颗粒对有机物质分解的阻滞作用较大； (2) 不同类型黏土矿物黏土矿物对有机质分解的阻滞作用不同，蒙脱石高岭石； (3) 土壤中的某些成分某些成分

10、在有机质的分解和积累中起重要作用，如：石灰和代 谢性Ca2+促进新鲜植物残体的分解，但阻碍腐殖质的分解(与胡敏酸等形成不 易被微生物吸收的胡敏酸钙等)； (4) 水铝英石水铝英石能阻滞有机物质的彻底分解并使土壤保持较高的有机质含量； (5) 土壤水分水分状况影响有机质的分解，适宜的水分含量有利于有机质的分解， 干湿交替也能促进有机质的分解； (6) 土壤肥力土壤肥力状况也影响有机质的分解，肥力越高，有机质的分解越快。 24 （四）有机肥对土壤有机质分解速率的影响 激发效应：指土壤中加入的新鲜有机物质对土壤有机质分解 速率的影响。 正激发效应：指促进土壤有机质分解的过程。 负激发效应：指抑制土壤

11、有机质分解的过程。 土壤有机质含量在很大程度上影响有机肥的激发效应。 易分解的有机组成，包括热水溶性物质苯醇溶性物质会产生 正激发；纤维素和木质素成分则易发生负激发。有机肥施入 土壤后是否发生激发效应，决定于有机肥的施入是否有利于 土壤微生物更好的利用土壤有机质。 25 （一）土壤生物的组成与活性 土壤动物促进植物残体的破碎和运输 真菌可促进木质素的分解 细菌和放线菌可促进碳水化合物的分解 二、影响有机物质的分解和转化的因素 26 （二）土壤特性 1、质地质地 粘粒含量越高，有机质含量也越高。 2、pH值值 中性、钙质丰富较好，pH6.5-7.5。 3. 水分水分 最适湿度：土壤持水量的50-

12、80% 低洼、积水有利于有机质的积累 4. 通气性通气性 通气不良易造成有机质累积 5. 温度温度 最适宜温度大约为25-35 27 （三）植物残体的特性 1、物理状态（新鲜程度、破碎程度、紧实程度） 2、C/N比 有机物质组成的碳氮比（C/N）对其分解速度影响很大。以 25 ：1或30：1较为合适。 C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中的有效氮， 相反，由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮。 28 29 第四部分 有机质对土壤库的影响 一方面，土壤条件影响进入土壤库中的有机质的分解 和积累；另一方面，进入土壤库中的有机质成为土壤的组 分后，影响土壤的各种性质，进而又影响有机质的分

13、解和 积累。 一、轻组有机质的性质一、轻组有机质的性质 轻组的大部分是经过轻微变化的植物物质，腐殖质占 314%，大部分还能看出细胞结构，基本上以游离状态存 在。其中的有机质分解速度比植物组织的慢，比腐殖质的 快。 30 二、有机无机复合体及其性质二、有机无机复合体及其性质 耕作土壤中有机质的大部分与无机组分结合在一起， 无机组分中又以黏土矿物占绝大部分。 由于有机无机复合机制大多涉及电子的转移，必将 影响复合体的阳离子交换量；有机无机复合还使土壤的 表面积发生变化。 31 三、有机质对土壤性质的影响三、有机质对土壤性质的影响 1、有机质对土壤结构的影响 团聚体中的有机碳含量随团聚体的增大而增

14、加，但当团聚 体的粒径大到一定程度时，团聚体有机质含量不再增加。有研 究表明，当粒径大于5mm时，腐殖质含量反而下降。土壤有机 质使土壤颗粒团聚成大小在0.15mm左右的水稳性团体。 2、有机质的供肥作用 有机肥的施用不仅提高土壤有机质含量，改善土壤物理性 质，而且通过微生物的分解或直接释放营养元素而供给植物养 分。 32 第五部分 土壤腐殖物质的形成和性质 一、土壤腐殖物质的主体是什么？ 土壤腐殖物质的主体是指各种腐殖酸及其与金属离子结 合的盐类。 33 34 土壤腐殖物质形成过程中的转化途径 35 二、土壤腐殖物质的存在状态 腐殖 物质 游离态 结合态 （很少）（很少） （52%-98%，

15、与粘，与粘 土矿物复合）土矿物复合） 36 土壤有机无机复合体示意图 37 三、土壤腐殖质的分组 目前常用的提取腐殖酸剂 （1）0.1M NaOH溶液 (提取其中的松结态腐殖质) （2）0.1M NaOH + 0.1M 焦磷酸钠(Na4P2O7)混合提取液 (提取其中的 稳结态腐殖质) 腐殖物质 紧结态腐殖质 松结态腐殖质 稳结态腐殖质 腐殖物质 胡敏素 胡敏酸 富里酸 38 腐殖质分组方法 溶液即溶液即 富里酸富里酸 39 四、土壤腐殖酸的性质 （一）物理性质（一）物理性质 1、颜色颜色 黑褐色，富里酸呈淡黄色，胡敏酸呈褐色 2、溶解性溶解性 富里酸溶于水、酸、碱； 胡敏酸不溶于水和酸，但溶

16、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、吸水性吸水性 最大吸水量可以超过500% 40 4、分子结构分子结构 （1）腐殖酸的分子量有较大的差异。 （2）腐殖酸的分子形状 pH 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状 5.胶体特性胶体特性 是土壤有机胶体的主要组成部分 41 元素（%）CHO+SN 胡敏酸50-603.1-5.331-413.0-5.6 富里酸45-534.0-4.840-482.5-4.3 （二）腐殖酸的化学性质（二）腐殖酸的化学性质 1、化学组成、化学组成 我国主要土壤腐

17、殖酸的元素组成 习惯上以58%为其平均值，故计算有机质的含量时，一般以 1.724为折算系数。 42 种类 羧基 酚羟基 醇羟基 醌基 酮基 甲氧基 总酸度 胡敏酸 15-57 21-57 2-49 1-26 1-5 3-8 67 富里酸 55-112 3-57 26-95 3-20 12-27 3-12 103 2、含氧官能团 主要含羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。 腐殖质的含氧官能团含量（mmol/kg-1 ） 43 3、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。 44 4、

18、腐殖酸的电性 腐殖酸是一种两性胶体。既可以带负电荷，也可以带正电 荷，通常以带负电荷为主。腐殖质的负电荷数量随pH的升高而 升高。 45 （三）腐殖质的稳定性与变异性 1、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，而富里酸的平 均停留时间为200-630年，胡敏酸的平均停留时间可达780-3000 年。 46 2、变异性 HA/FA值：表示胡敏酸与富里酸含量的比值，是土壤腐殖质 成分变异的指标之一。 一般我国北方的土壤，特别是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1.0； 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1.0； 在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA 比大于旱地，熟化程 度高的土壤的HA/FA比较高。 47 一、有机质在