上海交大周丕生土壤学第3章土壤有机质课件

土壤与植物营养学SoilScienceandPlantNutrition

7:10PM有机质的来源和组成土壤有机物质的分解和转化土壤腐殖物质的形成和性质土壤有机质的作用及管理4/8/2023土壤有机质的来源动、植物残体和微生物遗体是土壤有机质的基本来源我国不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大4/8/2023土壤有机质的含量及其组成有机质的含量在不同土壤中差异很大，高的可达200g·kg-1或300g·kg-1以上(如泥炭土、一些森林土壤等)，低的不足0.5g·kg-1(如一些漠境土和砂质土壤)。在土壤学中，一般把耕层含有机质200g·kg-1以上的土壤，称为有机质土壤，有机质在200g·kg-1以下的土壤，称为矿质土壤。4/8/202352~58%34~39%土壤有机质的主要元素组成植物残体的元素平均组成3.3~4.8%3.7~4.1%52~58%34~39%4/8/2023土壤有机质的组成元素组成

主要是C、O、H、N，分别占52％-58％、34％-39％、3.3％-4.8％、3.7％-4.1％，其次是P和S，C/N10左右。化合组成

主要是类木质素和蛋白质，其次是半纤维素、纤维素以及乙醚和乙醇可溶性化合物。多数水不溶性，但可溶于强碱。土壤有机质的组成4/8/2023土壤有机物质有机残体有机质动植物残体微生物遗体腐殖质部分分解的有机残体胡敏素腐殖物质非腐殖物质腐殖酸胡敏酸富啡酸D有机物质有机物质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。有机残体是指进入土壤中尚未分解的各类植物残体、动物和微生物遗体。有机质是指土壤中部分分解的有机残体以及在微生物的作用下降解、代谢、合成、聚合形成的新的有机化合物。土壤腐殖质(humus)是除未分解和半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。腐殖物质是经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。它是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，一般占土壤有机质的60％-80％。非腐殖物质是指经微生物改变的有机残体，微生物降解、代谢、合成的有机化合物。一般占土壤有机质的5％-25％，平均为10％。4/8/2023土壤有机物质有机残体有机质动植物残体微生物遗体腐殖质部分分解的有机残体胡敏素腐殖物质非腐殖物质腐殖酸胡敏酸富啡酸D有机物质4/8/2023土壤有机物质有机残体有机质动植物残体微生物遗体腐殖质部分分解的有机残体胡敏素腐殖物质非腐殖物质腐殖酸胡敏酸富啡酸有机物质4/8/2023土壤腐殖质(humus)是除未分解和半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。腐殖物质（Humicsubstances）是经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。它是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，一般占土壤有机质的60％-80％。非腐殖物质（Non-humicsubstances）是指经微生物改变的有机残体，微生物降解、代谢、合成的有机化合物。一般占土壤有机质的5％-25％，平均为10％。4/8/20233.2有机物质的分解和转化一、简单有机化合物的分解和转化

二、有机残体的分解和转化

三、土壤腐殖质的分解和转化

四、影响土壤有机物质分解和转化的因素因素4/8/2023有机物质的分解和转化简单有机化合物的分解和转化有机残体的分解和转化土壤腐殖质的分解和转化影响土壤有机物质分解和转化的因素因素4/8/2023在碳水化合物中，糖和淀粉容易降解，终端产物是二氧化碳和水，而纤维素和半纤维素不容易降解。蛋白质比较容易降解，降解产物除二氧化碳和水以外，还有甘氨酸(CH2NH2COOH)、半光氨酸(CH2HSCHNH2COOH)等氨基酸，这些含氮和硫的化合物进一步降解最后还产生NH4+、NO3-、S042-等简单无机子，木质素是一类复杂的酚类聚合物，比碳水化合物要稳定得多，容易在土壤中积累。4/8/2023①单糖、淀粉和简单蛋白质②粗蛋白质③半纤维素④纤维素⑤脂肪、蜡质等⑥木质素有机化合物的分解从易到难的排列次序为4/8/2023在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用进行得较快，最后大部分有机物质变成CO2和H20，而N、P、S等则以NH4+、NO3-、HP042-、H2P04-、S042-等矿质盐类释放出来。但在嫌气条件下，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，这样有机质消失得较慢而在土壤中大量积累，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。在极嫌气的情况下，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。4/8/2023有机物质腐殖化过程矿质化过程微生物酶作用氧化反应分解简单的无机物质更复杂的有机物微生物作用生化、化学反应合成腐殖质H2O、NH3CO2、矿物质土壤有机物质的分解和转化4/8/2023温度影响到植物的生长和有机质的微生物降解。一般说来，在0C以下，土壤有机质的分解速率很小。在0-35℃温度范围内，提高温度能促进有机物质的分解，加速土壤微生物的生物周转。温度每升高10C，土壤有机质的最大分解速率提高2~3倍。一般土壤微生物活动的最适宜温度范围约为25-35C，超出这个范围，微生物的活动就受到明显的抑制。影响土壤有机物质分解和转化的因素（一）温度凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的分解和转化。土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的。土壤中微生物的活动需要适宜的土壤含水量，但过多的水分导致进入土壤的氧气减少，从而改变土壤有机物质的分解过程和产物。当土壤处于嫌气状态时，大多数分解有机质的好氧微生物停止活动，从而导致未分解有机质的积累。植物残体分解的最适水势在-0.03～-0.1MPa之间，当水势降到-0.3MPa以下，细菌呼吸作用迅速降低，而真菌一直到-4--5MPa时可能还有活性。（二）土壤水分土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响。干湿交替作用使土壤呼吸强度在很短时间内大幅度地提高，并使其在几天内保持稳定的土壤呼吸强度，从而增加土壤有机质的矿化作用。（三）通气状况

新鲜多汁的有机物质比干枯秸秆易于分解，有机物质的细碎程度影响其与外界因素的接触面，而影响其矿化速率。有机物质组成的碳氮比(C/N)对其分解速度影响很大。植物体的C/N变异很大，豆科植物和幼叶的C/N在10：1到30:1，而一些植物锯屑的C/N可高达600:1。这与植物种类、生长时期、土壤养分状况等有关用。（四）植物残体的特性

土壤有机质的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关，粘质和粉砂质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。大多数细菌活动的最适pH在pH6.5-7.5，放线菌的最适pH略偏碱性，真菌则最适于pH3~6,pH<5.5或过高>8.5对一般的微生物都不大适宜。（五）土壤特性4/8/2023水分状况通气状况干好差湿中润矿质化腐殖化均慢矿质化腐殖化均慢矿质化腐殖化较快矿质化为主速度快腐殖化为主速度较慢矿质化为主速度较慢有机酸CH4H2SH2腐殖化为主速度快易形成中间产物和还原物质形成腐殖质最适宜条件4/8/2023常见有机物质的C、N含量及其C/N比有机物质C/g·kg-1

N/g·kg-1

C/N云杉锯屑5000.8600∶1硬木锯屑4601.0460∶1小麦秸杆3805.076∶1黑麦草（开花期）4001136∶1黑麦草（营养期）4001527∶1成熟苜蓿干草4001625∶1嫩苜蓿干草4003013∶1毛叶苕子4003511∶1表土层有机质5805111∶1心土层有机质（平均）460519∶1城市污泥310457∶1细菌5001005∶14/8/2023植物种类碳氮比禾本科75:112.5:1豆科25:1一般植物碳多氮少碳少氮多碳氮比适宜25C--1N50C–2N1N--25C1N–25C4/8/2023多次缩合（聚合）形成腐殖质纤维素碳水化合物蛋白质木质素单宁氨基酸肽类（降解和再合成产物）酚类化合物（代谢产物）酚类化合物（降解产物）

缩合微生物利用微生物分解形成土壤腐殖物质的基本途径有机残体4/8/2023土壤腐殖物质不溶部分

(胡敏素)

溶解部分(腐殖酸)稀NaOH或NH3·H2O沉淀部分(褐色)(胡敏酸)溶解部分(黄色)(富啡酸)HCl或H2SO4土壤腐殖物质的分组4/8/2023腐殖酸不同组分的性质差异比较项目内容胡敏酸（HA）富啡酸（FA）颜色及对溶剂的关系水和酸碱颜色不溶于水和酸溶于碱遇酸呈褐色或黑色絮凝状溶于水和酸溶于碱黄色或淡棕色溶液元素组成C、NO、SC、O>90%C:54～60%,N:3.1～5.1%31～36％比FA多10%C、少10%OC:44～53%N:2.5～4.3%40～47％比HA多10%O、少10%C含氧功能团cmol/kgR-COOHOHR-OH360390260860300610分子结构分子量大,结构较复杂芳香核结构比较大芳构化程度高分子量小,结构较简单脂肪族侧链比较大芳构化程度低

阳离子交换量CECcmol/kg300~500离子养分保蓄力大700离子养分保蓄力小对电解质的絮凝作用腐殖酸盐类的溶解性稳定性小，分散性弱一价可溶、二价不溶稳定性大，分散性强一、二价均可溶稳定性700～3000年,大200～600,小750

酸度小1160

酸度大4/8/2023腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位重量腐殖物质的持水量是硅酸盐粘土矿物的4-5倍，最大吸水量可以超过其本身重量的500％4/8/20233.4土壤有机质的作用及管理一、有机质在土壤肥力上的作用二、有机质在生态环境上的作用三、土壤有机质的管理4/8/2023土壤有机质的作用及管理有机质在土壤肥力上的作用有机质在生态环境上的作用土壤有机质的管理4/8/2023一方面它含有植物生长所需要的各种营养元素，是土壤微生物生命活动的能源，对土壤物理、化学和生物学性质都有深刻的影响土壤有机质对重金属、农药等各种有机、无机污染物的行为都有显著的影响，而且土壤有机质对全球碳平衡起着重要作用，被认为是影响全球“温室效应”的主要因素有机质是土壤的重要组成部分在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面都有着很重要作用和意义4/8/2023有机质在土壤肥力上的作用有机质在土壤肥力上的作用是多方面的，它的含量是土壤肥力的一项重要的指标1、提供植物需要的养分

土壤有机质是植物所需的氮、磷、硫、微量元素等养分的主要来源。4/8/2023物理性质土壤团聚体的形成过程和稳定性、通气透水性、土壤有效水、耕性等化学性质土壤吸附性保肥供肥性土壤酸碱性氧化还原性养分有效性生物性质土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源。酶活性、生理活性2、改善土壤肥力特性影响土壤物理、化学和生物学性质而改善土壤肥力特性4/8/2023二、有机质在生态环境上的作用重金属离子的存在形态也受腐殖物质的络合作用和氧化还原作用的影响。腐殖酸对无机矿物也有一定溶解作用1、有机质与重金属离子的作用

土壤腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属离子有较强络合和富集能力。土壤有机质与重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有极其重要的影响。各种功能基对金属离子的亲和力为:

O->-NH2>一N=N>N>COO->-O->-C=O

烯醇基胺基偶氮化合物环氮羧基醚基羰基2、有机质对农药等有机污染物固定作用土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的亲和力，对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。4/8/2023有机质在生态环境上的作用重金属离子的存在形态也受腐殖物质的络合作用和氧化还原作用的影响。腐殖酸对无机矿物也有一定溶解作用1、有机质与重金属离子的作用

土壤腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属离子有较强络合和富集能力。土壤有机质与重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有极其重要的影响。各种功能基对金属离子的亲和力为:

O->-NH2>一N=N>N>COO->-O->-C=O

烯醇基胺基偶氮化合物环氮羧基醚基羰基2、有机质对农药等有机污染物固定作用土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的亲和力，对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。4/8/20233.土壤有机质对全球碳平衡的影响土壤有机质也是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。据估计全球土壤有机质的总碳量在141017~151017g，大约是陆地生物总碳量5.61017g的2.5~3倍。而每年因土壤有机物质的生物而分解释放到大气的总碳量为681015g，全球每年因焚烧燃料释放到大气的碳远低得多，仅为61015g，是土壤呼吸作用释放碳的8％~9％。可见土壤有机质的损失对地球自然环境具有重大影响。从全球来看，土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响将不亚于人类活动向大气排放的影响。4/8/2023土壤有机质的管理“腐殖化系数”作为有机物质转化为土壤有机质的换算系数，它是单位重量的有机碳在土壤中分解一年后的残留碳量。我国不同地区耕地土壤中有机物质的腐殖化系数，由于水热条件和土壤性质不同，同类有机物质在不同地区的腐殖化系数依次为：东北地区>华北、江南地区>华南地区；同一地区不同有机物质的腐殖化系数依次为作物根>厩肥>作物秸秆>绿肥。旱改水后，土壤