任务三认识土壤有机质和土壤生物

任务三认识土壤有机质和土壤生物第一页，共二十五页，2022年，8月28日一、土壤有机质

广义：存在于土壤中的各种含碳的有机物的总称。它包括各种动植物残体，微生物体及其分解合成的有机物质。狭义：专指土壤中的腐殖质，但在测定过程中无法把未分解、半分解的动植物残体剔除掉，所以测定结果实际上还包括未分解、半分解的动植物残体在内。有机质的定义第二页，共二十五页，2022年，8月28日（一）土壤有机质的来源

1、死亡的动植物、微生物残体。2、施入的农家肥。3、工业及城市垃圾废水、废渣。原始土壤：微生物体是土壤OM的最早来源。自然土壤：是死亡的动、植物，微生物残体及植物的枯枝落叶，但基本来源是它上面生长的绿色植物。耕地土壤：可概括为两个方面：（1）栽培作物的残留物（2）施用的有机肥。其中后者其主导作用。第三页，共二十五页，2022年，8月28日（二）土壤OM的含量、组成及性质

1.含量：土壤有机质在自然土壤中差异很大，高的可超过20%，称为有机质土壤比如某些泥炭土，低于20%以下的土壤称为矿质土壤，矿质土壤占绝大多数，有些低的不足0.5％，主要为一些漠境或沙漠土壤。

土壤有机质对土壤肥力和植物生长起到良好的作用，在农业上常把保持土壤有机质平衡和逐步提高有机质含量作为土壤培肥的中心环节。

我国土壤除了某些草甸土、东北黑土和某些自然土壤外，有机质含量一般占土壤固相重量的5%以下，由南至北由西至东呈递增趋势，水田高于旱田，我省有机质含量较低，平均在1%左右，土壤培肥任务艰巨。第四页，共二十五页，2022年，8月28日A：元素组成：主要是C（52-58%）、H（3.3-4.8%）、O（34-39%）、N（3.7-4.1%）其次是P、S。2.组成B:化学组成1、非腐殖物质（非特异性物质）指土壤中动植物微生物残体和它们不同阶段的分解产物。包括：a、碳水化合物有单糖、多糖（淀粉纤维素木质素果胶质）等b、含氮化合物蛋白质、多肽、氨基酸等c、含磷化合物植素、核酸、磷脂等d、含硫化合物e、脂溶性物质和木质素2、腐殖质（特异性物质）是指有机生物残体经土壤微生物分解和再合成作用重新形成的一类特殊的高分子有机化合物。第五页，共二十五页，2022年，8月28日（三）土壤中有机质的转化

矿质化：有机质在微生物的作用下分解为简单化合物同时释放出矿质养分的过程。腐殖化：有机质在微生物的作用下合成为复杂稳定的腐殖质的过程。第六页，共二十五页，2022年，8月28日1、土壤有机质的矿质化过程矿化分两个阶段：①有机物质在微生物分泌出的体外酶的作用下将较复杂的有机物先分解成构成该物质的基础有机化合物。②微生物吸收第一阶段的降解产物，一部分作为建造自身的原料，一部分则被彻底转化为最终分解产物，如CO2、H2O并释放出无机盐（如NH4+、SO42－、HPO42－等）。

土壤有机质的分解程度常用矿化率来表示：土壤有机质的矿化率——土壤每年因矿质化作用所消耗的有机质数量占土壤有机质总量的百分数。一般农业土壤有机质矿化率在2—5%之间，自然土壤＜1%。可计算土壤有机质的消耗，例：一亩地表土重150000公斤，土壤有机质含量为1%，土壤有机质矿化率为3%，则矿化量为150000×1%×3%＝45公斤。第七页，共二十五页，2022年，8月28日（1）碳水化合物的分解多糖（淀粉、纤维素、半纤维素）首先在微生物分泌的水解酶的作用下水解为单糖。(C6H12O5)n+nH2OnC6H12O6单糖进一步分解为更简单的物质C6H12O6C2H5OH+2[O]CH3COOH+2O22C2H5OH+2CO2CH3COOH+H2O2CO2+2H2O通气良好的条件下，单糖迅速分解，最终产生CO2

和H2O，同时释放出大量热量。第八页，共二十五页，2022年，8月28日

嫌气条件下分解缓慢，并有大量的中间产物——有机酸的累积，最终产物除了CO2外，还有大量的还原性物质CH4等产生，同时释放出少量热量。C6H12O6CH3CH2CH2COOH+2CO2+H22CH3CH2CH2COOH+2H2O5CH4+2CO2（2）含N有机物的分解

土壤中含N的有机物比如蛋白质、核酸、氨基酸、酰胺等也比较容易分解转化，我们以土壤中主要的含N化合物——蛋白质为例来介绍含N有机物的分解。第九页，共二十五页，2022年，8月28日a：水解作用：蛋白质水解蛋白质消化蛋白质多缩氨基酸（多肽）氨基酸b：氨化作用：氨基酸氨化微生物氧化、还原、水解等NH3+有机酸

氧化好气分解CH2NH2COOH＋O2HCOOH＋CO2＋NH3

还原嫌气分解CH2NH2COOH＋H2CH3COOH＋NH3

水解CH2NH2COOH＋H2OCH2(OH)COOH＋NH3第十页，共二十五页，2022年，8月28日c：硝化作用：在通气良好的条件下，通过亚硝化细菌和硝化细菌的作用将NH4+—N氧化为NO3-—N的过程。2NH3+3O2亚硝化细菌2HNO2+2H2O+158大卡2HNO2+O2硝化细菌2HNO3+42大卡（3）含磷有机物的分解核蛋白水解酶蛋白质核酸核酸酶核苷酸核苷酸酶核苷H3PO4卵磷脂

磷酸脂酶磷酸甘油水解甘油H3PO4卵磷脂

磷酸脂酶磷酸甘油水解甘油H3PO4第十一页，共二十五页，2022年，8月28日2、土壤中有机质的腐殖化过程

腐殖化过程是土壤OM在微生物的作用下，合成复杂稳定的腐殖质的过程，在其中主要是微生物主导的生物化学过程，当然也可能有一些纯化学过程。

关于腐殖化过程，目前还不是十分清楚，只是了解了它的一般轮廓，对于其中很多过程还有待于进一步研究,各国土壤学家提出了多种腐殖质形成假说，有植物物质形成说、化学聚合说、细胞自溶说、微生物合成说，以原苏联Kononove的化学聚合说较普遍获得公认，腐殖质的形成过程可分为两个阶段：第十二页，共二十五页，2022年，8月28日第一个阶段：产生构成腐殖质分子原始材料木质素降解产物中保留了原来的芳核结构单位.有些微生物分解有机质时会产生多元酚类化合物微生物分泌的酚氧化酶氧化多元醌类化合物蛋白质降解肽类、氨基酸、氨第二阶段：上述原始材料通过缩合等酶促反应和纯化学反应合成腐殖质单体分子。比如醌能与氨基酸缩合成腐殖质单体分子：第十三页，共二十五页，2022年，8月28日

进入土壤的有机物究竟有多少能够转化为腐殖质可用腐殖化系数来表示：单位质量的有机物料在土壤中分解一年后，残留下来的量占施入量的百分数。不同有机物料的腐解残留率是不同的，同一有机物料在不同土壤上的腐解残留率也不相同，耕地土壤一般为0.2~0.4之间。第十四页，共二十五页，2022年，8月28日3、腐殖质的分离、提取、组成和性质A：腐殖质的分离、提取a：腐殖质与土壤矿物质部分紧密结合在一起，形成复合体，不易分离。c：用一般的溶剂提取不完全，用剧烈的方法，有可能会引起有机分子的变性（包括：成分、性质、结构特征的改变）。b：腐殖质与非腐殖质很难用溶剂来区分，也不可能用通常的物理方法来分离。腐殖质的性质分离提取面临困难：第十五页，共二十五页，2022年，8月28日磨细过筛后的土样水浮选、手挑、静电吸附法或用比重为1.8-2.0的比重液未分解、半分解的动植物残体含腐殖质的土样稀NaOH浸提过滤黑色残余物（胡敏酸）溶液HCl或H2SO4酸化

过滤褐色沉淀黄色溶液（褐腐酸）富里酸（黄腐酸）腐殖质的性质分离提取一般方法：第十六页，共二十五页，2022年，8月28日

化学组成：腐殖质的化学组成中主要是C、H、O、N、P、S，还有少量的Ca、Mg、Fe、Si等灰分元素。

功能团组成：腐殖质组分中有许多的功能团，其中最主要的是含氧功能团，比如：羧基R—COOH、酚式羟基（—OH）、醇羟基（R—OH）、甲氧基—OCH3，醌基，正是由于这些功能团的存在，使腐殖质表现出多种活性，比如离子交换，对金属络合作用，氧化还原性及生理活性等。B、腐殖质的组成C：腐殖质在土壤中存在形态a：游离态的腐殖质，只占极少部分b：有的与盐基化合形成盐类，主要腐殖酸钙、镁盐c：有的与含水三氧化物，比如Al2O3·xH2O、Fe2O3·yH2O化合形成复杂的凝胶体。d：与粘粒结合形成胶质复合体。第十七页，共二十五页，2022年，8月28日

腐殖质分子的结构非常复杂，属于高分子聚合物。一般认为含有芳核结构，芳核上有多种取代基，并连接着多肽和脂肪族侧链，此外还可能连接着氨基酸和糖，有时还存在着含N的杂环结构。D：腐殖质分子的结构特征分子量：腐殖质的分子量在不同的土壤上有很大的差异，不同的组分也有很大差异，即使同一样品因测定方法不同也有很大差异，根据不同方法测定的平均值。胡敏酸的分子量要比富里酸大HA＞FA。形状：有关腐殖质分子的形状，研究结果也不尽一致，过去认为是网状多孔结构，近年来通过电子显微镜拍照和通过粘性特征的推断，有人认为腐殖酸分子是球形的，有人认为是棒状的，也有人认为二者都有。E：腐殖质分子的性质第十八页，共二十五页，2022年，8月28日

腐殖质是两性胶体，既带负电荷又带正电荷，通常以带负电荷为主，电性来源主要是分子表面羧基、酚羟基的解离以及胺基的质子化。带电性OH腐殖质分子结构核心COOHNH2解离或质子化腐殖质分子结构核心COO－NH3＋O－由于羧基、酚羟基的解离，胺基的质子化的程度，都会随周围pH值的变化而变化，所以腐殖质所带电荷属可变电荷。颜色：整体呈黑色，不同腐殖酸颜色有差别，与分子量和发色基团组成比例有关，胡敏酸颜色深富里酸颜色黄第十九页，共二十五页，2022年，8月28日溶解度

胡敏酸微溶于水，其一价盐溶于水，多价盐不容于水富里酸溶于水，其一、二三价盐均溶于水。络合能力能与铁、铝、铜锌等高价金属离子形成络合物，其中羧基与酚羟基是主要参与络合金属离子的功能团，络合物的稳定程度随pH升高而增大。吸水性

是亲水胶体，吸水能力强，最大吸水量超过本身重量的5倍，干腐殖质从饱和大气中吸水可达本身重量的1倍。稳定性

其化学稳定性强，抗微生物分解能力强，因此分解周期长，在温带植物残体的半分解期为3个月，而新形成的土壤有机物质的半分解期为4.7-9年，胡敏酸在土壤中平均停留时间780-3000年，富里酸为200-630年。第二十页，共二十五页，2022年，8月28日（四）影响土壤有机质转化的因素

1、土壤的湿度和通气状况：适当的湿度而且通气良好的土壤：好气性微生物活动旺盛，有机质进行好气分解，分解速度快，而且比较完全，矿化率高，释放出矿质养分多，而且呈氧化态，有利于植物对养分的吸收，但是中间产物累积少，不利于土壤OM的累积和保存。土壤湿度大通气不良的土壤：嫌气性微生物活动旺盛，有机质进行嫌气分解，分解慢，而且不完全，矿化率低，释放出矿质养分少，而且呈还原态，不利于植物对养分的吸收利用，同时在还原条件下会产生一些有机酸（比如乙酸、丙酸、丁酸）和一些还原性气体H2S、H2等对作物生长有毒害作用，但是在嫌气条件下中间产物累积多，有利于土壤OM的累积和保存。第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日2、温度0—35℃：增高温度能促进OM分解25—35℃：适宜土壤中大多数微生物活动≥45℃：微生物的活动就会受到抑制≥50℃：有机物可能会发生纯化学的氧化分解而导致挥发。3、土壤酸碱反应细菌最适宜酸碱度：PH6.5—7.5的中性环境放线菌最适宜的酸碱度可能要偏碱一些真菌最适宜酸碱度PH3—6的酸性条件下活动。pH＜5.5或pH＞8：大多数的微生物都不太适宜。4、有机物本身的物理状态和组成a：物理状态：新鲜、多汁>干枯老化磨细、粉碎>未磨细粉碎b：化学组成：单糖、淀粉、水溶性蛋白质>半纤维素、果胶>

纤维素、木质素、脂肪、腊质第二十二页，共二十五页，2022年，8月28日c：有机物的C/N比：指有机物中C总量与N总量的比。N是组成微生物体细胞的要素，有机质中的C既是微生物生命活动的能源，又是构成体细胞的要素，所以微生物对C和N这两种元素的需要有一定的比例，才能满足微生物的生命活动和构成体细胞的需要。不同的微生物在不同的条件下对C/N的要求不一样，一般认为微生物每分解25—30份的C，大约需要1份的N，也就是说微生物对C/N的要求是25—30/1。有机物的C/N＞25—30/1：有机物中的N素供应不足，微生物就可能从土壤中吸收有效N用于构成微生物体细胞，从而产生微生物与植物竞争土壤有效N的现象，也有可能抑制微生物的繁殖和生长，从而使有机物的分解受到抑制。有机物的C/N＜25—30/1：有机物中的N素供应充足，微生物的繁殖和生长要快得多，有利于矿质化作用的进行。实际上大多数有机残体的C/N远远大于25—30/1，比如禾本科作物的秸秆，其C/N80—100：1远远大于25—30/1，为了促进它的分解，并防止植物缺N，应该补施一定的化学N肥。第二十三页，共二十五页，2022年，8月28日（五）有机质在土壤肥力