土壤有机质课件

1、第二章 土壤有机质土壤有机质是指：土壤中所有含碳有机物质的总称，包括所有动、植物残体，微生物体及其分解合成的各种有机物质（不同分解阶段的各种产物和合成产物）。第一节：土壤有机质第二节：土壤腐殖质第三节土壤有机质的作用和调节第1页，共63页。第一节：土壤有机质一、土壤有机质的含量二、土壤有机质的来源三、土壤有机质的组成（类型）四、土壤有机质的转化第2页，共63页。一、土壤有机质的含量土壤学中，一般把耕层含有机质20%以上的土壤,称为有机质土壤，在20%以下的土壤，称为矿质土壤,但耕作土壤中，表层有机质的含量通常在5%以下。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。不同土壤中含

2、量差异很大。目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,北方土壤有机质含量高于南方土壤。第3页，共63页。表 中国某些自然土壤中有机质含量统计的标本数 有机质含量（g/kg） 土 类 32 20.770.5 黄棕壤、黄褐土 10 13.866.6 高山草原土、亚高山草原土 26 48.1219.6 高山草甸土、亚高山草甸土 24 23.229.8 砖红壤、赤红壤 29 21.4164 黑土、黑钙土 47 5.219.5 红 壤 32 27.1205 黄 壤 22 10.3106.9 褐 土 74 26.4193 棕色森林土 第4页，共63页。第5页，共63页。土壤有机质0.5%5%1.0-2.

3、0%1.5-3.0%第6页，共63页。耕层土壤有机质含量分级指标1级：高于4%；2级：34% ；3级：23%，4级：12%5级：0.61.0%6级：低于0.6%第7页，共63页。二、土壤有机质的来源土壤有机质最初来源微生物。土壤有机质主要来源（基本来源）为高等绿色植物的枯枝、落叶、落果、根系等；其次是土壤中动物、微生物的遗体；自然土壤农业土壤 人为施用的有机肥料（工农业废渣、微生物制品）扩大了土壤有机质的来源。第8页，共63页。三、土壤有机质的类型（组成）进入土壤中的有机物质呈现三种状态：新鲜的有机物质-动、植物残体，半分解的动、植物残体，腐殖物质（重新合成的更稳定、更复杂的有机质腐殖质）。土

4、壤有机质的类型包括（1）非腐殖质物质；（2）腐殖质第9页，共63页。（一）、腐殖质与非腐殖质物质非腐殖质物质（Non-Humic Substance) 枯枝落叶和半分解的有机残体等可用机械方法把它们从土壤中分离出，占土壤有机质的10-15%；腐殖物质 （Humic Substance)而腐殖质与土粒紧密结合，不能用机械方法把它们从土壤中分离出，只能用化学方法从土壤中提取，占土壤有机质的8以上，是土壤有机质的主体。第10页，共63页。（二）.土壤有机质的化合物组成1.糖类、有机酸、醛、醇、酮类以及相近的化合物。2.纤维素和半纤维素3.木质素4.脂肪、蜡脂、树脂和单宁5.含氮化合物化学元素组成：土

5、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。第11页，共63页。四、 土壤有机质的转化过程矿质化过程： (Mineralization)*就是有机质被分解成简单的无机化合物，释放出矿质营养的过程腐殖化过程： (Humification)*使简单的有机化合物形成新的、较稳定的有机化合物（腐殖质），使有机质及其养分保蓄起来的过程第12页，共63页。土壤有机质（碳）的转化第13页，共63页。（一）土壤有机质的矿质化过程1.含碳有机物质的转化土壤有机质中的碳水化合物如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解为单糖： (C6H10O5)nnH2On

6、C6H12O6如果在好气条件下，有好气性微生物分解，最终产物为水和二氧化碳，放出的热量多，称氧化作用。其反应如下：nC6H12O66O2 6CO26H20热量如果在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作用下缓慢分解，并形成一些还原性气体、有机酸，产生的热量少，称发酵作用。第14页，共63页。糖类的分解多糖（淀粉和纤维素） 葡萄糖 酒精 醋酸 CO2+H2O （好气分解） 丁酸 甲烷 + CO2 （嫌气分解） 第15页，共63页。2.含氮有机物质的转化含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态，包括蛋白质、氨基酸、腐殖质等。(1)水解作用蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸的作用称水解作

7、用。蛋白质 氨基酸第16页，共63页。(2)氨化作用分解含氮有机物产生氨的生物学过程称氨化作用。CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3（氧化）CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3 （还原）CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3（水解）第17页，共63页。3.硝化作用氨态氮被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；NH23O2 2HNO22H2O热量第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。2HNO2 O2 2HNO3热量 第18页，共63页。（4）反硝化作用NO3在无氧或微氧条件 在细菌作用下生成N2O和

8、N2的过程，称反硝化作用（硝酸盐还原过程）。其反应如下：C6H12O624KNO324KHCO36CO212N218H2O反硝化细菌第19页，共63页。3.含磷有机物质的转化土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解：磷细菌 水解 KNaCa2核蛋白质 磷酸 磷酸盐产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢，其反应如下：H3PO4 H3PO3 H3PO2 PH3第20页，共63页。4.含硫有机物质的转化一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都能分解有

9、机硫化物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质 硫氨基酸 H2S被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下：2H2SO2 2H2O2S2S3O22H2O 2H2SO4第21页，共63页。主要是含硫蛋白质；含S有机物 含S氨基酸 S H2SO4（好气条件） H2S H2S累积（嫌气条件） 第22页，共63页。(二)土壤有机质的腐殖化过程 Humification)土壤腐殖质的形成是一个复杂的过程，大致可分为两个阶段。第一阶段：有机残体在微生物分解作用下，其中一部分彻底矿化，最终生成CO2、H2O、NH3、H2S等无机化合物。另一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等）

10、，提供了形成腐殖质的材料。第二阶段：在微生物的作用下经缩合形成腐殖质的基本单元。先是多元酚在微生物的作用下氧化为醌，然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质。第23页，共63页。土壤腐殖质形成过程中的转化途径第24页，共63页。进入土壤的有机质在微生物进行的生化过程和一些纯化学过程的共同作用下，形成腐殖质的过程。腐殖质是由土壤有机物质分解产物重新合成而成的。其形成是一个复杂的、多途径的过程。目前关于腐殖质形成的主要学说有四：糖-胺缩合学说、多酚学说、起源于木质素的多酚学说、木质素学说。这几种途径在土壤中可能都存在，但在不同条件下的重要性不同。第25页，共63页。（三）、影响土壤有机质转化的因素 有

11、机残体 的特性 土壤水分和通气状况 温 度土壤特性C/N比值 最适水势0.1 0.03Mpa0 35OM、pH、Eh值等第26页，共63页。（一）C/N1.微生物体组织的C/N=5/12.微生物适宜的C/N=25/13.进入土壤中的有机残体的C/N不同（1）幼嫩组织和豆科植物C/N=1020/1（2）禾本科老秸秆C/N=6080/1不同C/N的有机残体在土壤中分解的速度？禾本科老秸秆直接还田，往往使下茬幼苗生长不良？-“绿肥”？4.进入土壤中的有机残体的C/N不同，最终要使土壤C/N稳定在10/1左右。第27页，共63页。有机残体的C/N比C/N=25：1时，最有利于有机残体的分解C/N25:

12、1时，微生物会与植物争夺有效N,造成植物氮素缺乏-？表现？第28页，共63页。土壤有机质（碳）的转化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。第29页，共63页。第二节土壤腐殖质一、腐殖质的分离与组成二、土壤腐殖质在土壤中存在形态二、土壤腐殖质的性质四、我国主要土壤腐殖质的特征第30页，共63页。土壤腐殖质本身不是一种单一的化合物，而是由多种化合物形成的聚缩物，其主体为腐殖酸及其盐，占腐殖质的8590，称为腐殖物质。其余为微生物代谢所产生的较简单的化合物，因与腐殖酸紧密结合难以分离，故与腐殖酸合称为腐殖质。 第31页，共63页。 根据腐殖质在不同溶剂中的溶解度和颜色

13、可分离出胡敏素、胡敏酸和富啡酸3种性质不同的腐殖质。NaOH或NH4OH 稀溶液处理 不溶解的腐殖质 胡敏素 （黑腐素）溶解的暗褐色溶液 HCl或 H2SO4处理 褐色沉淀 胡敏酸 （褐腐酸） 黄色溶液 富啡酸（黄腐酸） 土壤一、腐殖质的分离与组成第32页，共63页。土壤腐殖质的分离、提取与组分 土壤(去除有机残体) 用0.1MNaOH提取,过滤 黑色溶液 胡敏素黑色残渣 用HCl调节到pH2溶液-富里酸 沉淀-胡敏酸第33页，共63页。分子结构和分子量 -腐植酸的核心组成份是芳香族化合物，此外还有氨基酸、多肽及碳水化合物。-富里酸含羧基比胡敏酸多，所以酸性较强。 -富里酸的分子比胡敏酸小，结

14、构较简单。胡敏酸分子量大，平均可大于2500，富里酸的分子量较胡敏酸小（6801450）。 第34页，共63页。Flaig的胡敏酸模型第35页，共63页。Stevenson的胡敏酸模型第36页，共63页。Schulten的胡敏酸低(3)聚物分子的优化3D结构模型第37页，共63页。Schulten的胡敏酸低(10)聚物分子的优化3D结构模型第38页，共63页。Schnitzer和Khan的富里酸模型第39页，共63页。二、土壤腐殖质在土壤中存在形态（）游离态的腐殖质，在一般土壤中占极少部分。（）与矿物中强盐基化合成稳定的盐类，主要为腐殖酸钙镁等。 （）与含水三氧化物化合成复杂的凝胶体。 （）与

15、粘粒结合成有机无机复合体。第40页，共63页。粘粒结合成有机无机复合体。用密度为1.8-2.0的重液提取土壤，分为重组（70%-95%）和轻组（5%-30%）。复合体为重组。重组又分为松结合态（10%）；稳结合态(2030%)和紧结合态(60-70%).第41页，共63页。三、腐殖质的性质1腐殖质不是一种纯的化合物，而是代表一类有着特殊化学和生物性，构造复杂的高分子有机化合物。2腐殖质的元素成分，主要是C、H、O、N、P、S、Ca等。腐殖质含碳量约为5660，平均为58。含氮量约为36(平均为5.6)，其碳/氮比例大致为1012/1，灰分占0.6。3腐殖质是一种黑色或棕色的有机胶体。它的化学构

16、造式虽然还没有确定，但它们有若干共同点是可以肯定的，即分子巨大，以芳香族核为主体，附以各种功能团，并有含氮的环状化合物。其中主要的功能团为羟基（一OH）、羧基（一COOH）、甲氧基（一OCH3）等。第42页，共63页。4.腐殖质带电性：腐殖质带有电荷，并且是两性胶体，在通常情况下，它所带的电荷是负的。腐殖质的负电荷属于可变电荷，CEC在200-500cmol/kg之间，比无机胶体大。第43页，共63页。、溶解性和凝聚性 -胡敏酸不溶解于水，但其钾、钠、铵盐可以溶于水。-富里酸的水溶性比胡敏酸高的多。腐殖质是带负电荷的有机胶体，根据电荷同性相斥的原理，所以新形成的腐殖质胶粒在水中呈分散的镕胶液，

17、但增加电解质浓度或高价离子，则电性中和而相互凝聚，形成凝胶。腐殖质在凝聚过程中可使土粒胶结在一起，形成结构体。另外，腐殖质是一种亲水胶体，可以通过于燥冰冻脱水变性，形成凝胶。腐殖质这种变性是不可逆的，所以能成水稳性团粒结构。第44页，共63页。6.吸水性：腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位质量腐殖质的持水量是硅酸盐粘土矿物的45倍，最大吸水量可以超过500%。最大吸湿水量可达本身一倍以上。7.稳定性 ：。腐殖质不同于土壤中动植物残体的有机组分，它的化学稳定性强，对微生物分解的抵抗能力大，分解周转的时间长，在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于三个月，植物残体新形成的土壤OM半分解

18、周期为49年，而胡敏酸的平均停留时间为7803000年，富里酸为200630年。年矿化率平均1% 3%之间第45页，共63页。四、我国主要土壤腐殖质的特征黄土母质在干旱条件下发育的土壤所含的腐殖酸以褐腐酸为主，且多与Ca2+结合。按C量计算，全部褐腐酸约占腐殖质的38%-56%。淋溶黑土腐殖质中，褐腐酸仅占30%左右，且有相当数量与P2O5结合，红壤中褐腐酸的含量仅6%-7%，且多呈游离态存在。HA/FA是土壤腐殖质的组成和性质的指标之一，可作为土壤肥力与熟化程度的标志 。HA/FA比的大小变化规律？南北变化、森林植被与草原植被、石灰性土壤、水田与旱地第46页，共63页。第四节 土壤有机质的作

19、用和调节 一、土壤有机质的作用（一）植物养分的重要来源; (二）提高士壤的蓄水保肥和缓冲能力; （三）改善土壤的物理性质; （四）促进微生物的生命活动; （五）促进植物的生长发育; 第47页，共63页。（一）植物养分的重要来源土壤有机质含有大量而全面的植物养分，、和微量元素等，特别是氮素，土壤中的氮素95以上是有机态的，经微生物分解后，转化为植物可直接吸收利用的速效氮。有机质分解释放出各种大量或微量元素，各种元素的比例更符合植物的需要。第48页，共63页。（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。可

20、以大大提高土壤的保水能力； -腐殖质的CEC是粘粒的2-3倍，可以明显提高土壤吸附阳离子的能力第49页，共63页。提高土壤保水、保肥能力 -腐殖质有极强的吸水能力，可以大大提高土壤的保水能力； -腐殖质的CEC是粘粒的2-3倍，可以明显提高土壤吸附阳离子的能力。 -通过基团上H+离子的解离或吸附，可以缓冲土壤酸碱性的变化。-有机质分解产生有机酸，有机酸通过络合作用和溶解作用而提高土壤养分的有效性。第50页，共63页。（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

21、定条件下能提高土壤温度。腐殖质的粘结力大于砂粒，小于粘粒，因此可以改善砂土或粘土的粘结性及耕性。 -促进团粒结构的形成，从而改善通透性； -加深土色，提高土壤吸热能力，增温。第51页，共63页。（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 胡敏酸具有芳香族的多元酚官能团，可以加强植物的呼吸过程，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

22、染。另外，腐殖质还有利于盐、碱土的改良。 第52页，共63页。有机质在生态环境上的作用1.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。2.有机物质对农药污染的影响3.土壤有机质对全球碳平衡的影响第53页，共63页。第54页，共63页。二、 土壤有机质的平衡及管理一、土壤有机质的平衡 土壤有机质的平衡取决于有机质的添加量和有机质的矿化分解消耗量。 第55页，共63页。激发作用*（ Priming effect)：由于加入新鲜有机物质使土壤有机质矿化速率加快（正激发）或变慢（负激发）的效应称之激发作用，也叫起爆效应。激发效应可以是正、也可以是负。激发比率：加入新鲜有机物质后土壤有机物质矿

23、化量与加入前的矿化量之比。激发比率 1，正激发，不仅没有提高土壤有机含量，反而减少了；激发比率1,负激发，可以增腐殖质含量激发比率受一系列因素影响问题：给土壤使入有机肥，就一定能提高土壤腐殖质含量吗？第56页，共63页。1、有机质的年矿化量（Y） =表土有机质总量*矿化率 有机质的矿化率：每年因矿化作用而消耗的土壤有机质占土壤有机质总量的百分率。第57页，共63页。单位重量有机碳在土壤中分解一年后残留碳的分数，称为腐殖化系数。 腐殖化系数：通常将每克有机物（干重）施入土壤后，所能分解转化成腐殖质的克数（干重），称之为腐殖化系数。通常为0.2-0.4之间，同一物质的腐殖化系数，因不同的生物、气候条件、