土壤肥料学：土壤有机质

土壤的物质组成土壤有机质土壤有机质一、土壤有机质的来源与转化二、土壤腐殖质三、土壤有机质的作用与管理土壤有机质本节重点土壤有机质的分解和转化土壤有机质的作用和管理一、土壤有机质的来源与转化1、概念：土壤有机质（soilorganicmatter）土壤有机质指土壤中的各种动植物残体，在土壤微生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。一、土壤有机质的来源与转化2、土壤有机质的来源微生物动物来源植物来源工农业的副产品土壤有机质主要来源是各种植物残体(residue:deadplantpart)，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异，从而导致土壤有机质的差异。

Forestsoil（森林土壤)：枯枝落叶(lither)

Steppesoil（草原土壤)：草、根系(grassandrootsystem)

Cultivatedsoil（耕作土壤)：作物残茬(cropresidue)、

施用的有机肥

Forestsoil（森林土壤)：酸性有机质(acidorganicmater)

Steppesoil（草原土壤)：中性有机质(neutralorganicmater)一、土壤有机质的来源与转化3、有机质的含量

耕作土壤中，表层有机质的含量通常在5%以下不同土壤中差异很大，高的可达20%或30%以上（如泥炭土、一些森林土壤等），低的不足0.5%（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20%以上的土壤，称为有机质土壤，含有机质在20%以下的土壤，称为矿质土壤。。

一、土壤有机质的来源与转化土壤有机质0.5%5%0.5-2.0%7%一、土壤有机质的来源与转化3、有机质的含量分级有机质含量（%）肥力水平<0.5低0.5~1.0较低1.0~1.2中等1.2~1.5较高>1.5高一、土壤有机质的来源与转化4、有机质组成元素组成

土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N，分别占52-58%、34-39%、3.3-4.8%和3.7-4.1%，其次是P和S，C/N比大约在10~12之间。一、土壤有机质的来源与转化4、有机质存在状态（1）动、植物残体（2）半分解的动、植物残体（3）腐殖物质一、土壤有机质的来源与转化4、有机质组成一、土壤有机质的来源与转化4、有机质组成化合物组成可分为：

腐殖物质（HumicSubstance）

非腐殖物质（Non-HumicSubstance）60~80%20~40%一、土壤有机质的来源与转化4、有机质组成非腐殖物质（Non-HumicSubstance）

糖类、有机酸、和一些含氮的氨基酸、氨基糖等。易被微生物分解，具有一定物理化学性质。一、土壤有机质的来源与转化4、有机质组成腐殖物质（HumicSubstance）

非腐殖物质经微生物作用酚类和醌类含氮化合物碳水化合物复杂多聚体（性质稳定、暗棕色）一、土壤有机质的来源与转化4、影响土壤有机质含量的因素植被气候地形母质生产措施草本>木本草甸>草原阔叶>针叶潮湿、寒冷有利于积累干燥、炎热有利于分解低洼处高海拔高处，有机质含量高质地粘，有利于有机质的积累少耕、免耕有利于有机质的积累一、土壤有机质的来源与转化一、土壤有机质的来源与转化决定有机质含量的因素进入土壤的有机物质数量土壤有机质的损失量土壤有机碳的平衡一、土壤有机质的来源与转化5、土壤有机质的分解与转化5、土壤有机质的分解与转化（一）矿质化过程(mineralization)***：土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合物的过程。其最终产物为CO2、H2O，而N、P、S则以矿质盐类释放出来，同时放出热量的过程

。矿化率***：每年因矿化作用而消耗掉的有机质数量占土壤有机质总量的百分数。矿化率一般在1%～3%。1）不含氮的简单有机化合物的分解和转化多糖(C6H10O5)n分解过程多糖单糖CO2+H2O+热量H2+CH4+CO2+有机酸好氧厌氧水解（一）矿质化过程(mineralization)简单有机化合物的分解从易到难的排列次序为：（一）矿质化过程(mineralization)强2）含氮有机物质的分解和转化（一）矿质化过程(mineralization)含氮有机物：蛋白质、腐殖质、生物碱、络合态氨基酸和氨基糖等水解:蛋白质→多肽→氨基酸氨化:氨基酸→氨硝化:氨→硝态氮反硝化:硝态氮→NO2、NO、N2通气良好通气不良（一）矿质化过程(mineralization)常见的有机物料的养分含量（二）腐殖化过程(Humification)***

土壤有机质的分解与转化

各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。腐殖化系数***：有机物料投入土壤一年后形成的腐殖质的量与原来有机物料总量的比值

Humification腐殖化作用土壤有机质腐殖化的两个阶段（二）腐殖化过程(Humification)

第一阶段：产生构成腐殖质主要成分的原始材料第二阶段：合成阶段。（生物、化学、物理）阶段1：有机物料分解产生原材料OHOHOO……土壤有机质腐殖化的两个阶段多元酚、醌类化合物、以及由木质素降解产生的芳核结构单元（二）腐殖化过程(Humification)

阶段2：重新合成OO+2RCH(NH2)COOH→OHOH－NH－R－COOH－NH－R－COOH含多种功能团：羟基(COOH),酚羟基(OH),醇羟基(OH),甲氧基(OCH3),氨基(NH2),酮基(C=O)……土壤有机质腐殖化的两个阶段（二）腐殖化过程(Humification)

土壤腐殖质的形成途径还原糖形成途径多元酚理论SelmanWaksman

木质素—蛋白质理论5、土壤有机质的分解与转化（三）影响土壤有机质转化的因素：土壤微生物1）有机残体的物理状态与化学组成（C:N）

物理状态：新鲜程度破碎程度紧实程度5、土壤有机质的分解与转化（三）影响土壤有机质转化的因素：土壤微生物1）有机残体的物理状态与化学组成（C:N）化学组成（C:N）***有机物质组成的碳氮比(C:N)对其分解速度的影响很大。一般以25或者30:1较为合适。

C:N>25时与植物竞争土壤NC:N<25时释放矿质态N细菌每分解25份碳需要1份氮来获取分解时所需要的能量能组成本身的细胞物质几种主要作物组织中的碳氮比5、土壤有机质的分解与转化（三）影响土壤有机质转化的因素

2）土壤特性质地：粘粒含量越高，有机质含量也越高酸碱度：中性、钙质丰富较好，pH6.5~7.5水分：最适湿度：土壤持水量的50%-80%，低洼、积水

有利于有机质的积累通气性：通气不良易于有机质的累积温度：最适宜的温度大约为25~35度二、土壤腐殖质的组成与性质1、概述组成结构极为复杂的高分子聚合物各种腐殖酸及其与金属离子相结合的盐类，与矿物

质结合形成的有机无机复合体二、土壤腐殖质的组成与性质2、可分离出不同组分胡敏素：黑色，不溶富里酸（FA）：酸性强，促进养分有效化胡敏酸（HA）：分子量大，改善土壤结构腐殖质土样所占比例很小2、可分离出不同组分二、土壤腐殖质的组成与性质3、元素组成少量的Ca、Mg、Fe、Si习惯用含碳量为58%元素（%）CHNO+SHA50-603.1-5.33.0-5.631-41FA45-534.0-4.82.5-4.340-48二、土壤腐殖质的组成与性质5、分子结构及化学特征分子量几千~几万许多取代基，多种官能团

Fulvicacid

富里酸分子量500~5000Humicacid

胡敏酸分子量3000~1000000Geometricallyoptimized3-Dstructureofhumicacid(C308H335O90N5,738atoms)

胡敏酸3D结构Humin

胡敏素区分富里酸和胡敏酸的指标功能团——富里酸含更多的羧基和酚羟基，酸度高于胡敏酸元素含量——富里酸O含量明显高于胡敏酸，C含量明显低于胡敏酸；O/C为最好的指标——土壤中胡敏酸的O/C约为0.5，富里酸的O/C约为0.7；E4/E6——波长465nm~665nm的紫外吸收值。胡敏酸E4/E6一般小于5.0，富里酸E4/E6一般在6.0-8.5之间。二、土壤腐殖质的组成与性质6、腐殖质的性质（1）吸水性及溶解度：吸收能力强，较强的膨胀性和收缩性（2）稳定性：化学稳定性高，抗分解能力强，分解周期长（3）带电性：通常以带负电荷为主，电性来源于分子表面羧基和酚羟基的解离和胺基的质子化，对阳离子有很高的吸附力二、土壤腐殖质的组成与性质7、我国土壤腐殖质特征随生物气候条件而变化，其组成、性质具有明显的地带性变异在我国，由东向西，土壤腐殖质含量逐渐减少北方大多数土壤，HA/FA﹥1，以胡敏酸为主南方土壤，HA/FA﹤1，富里酸占优势

HA/FA，说明腐殖质的形成条件和分子的复杂程度

HA/FA比值越大，腐殖酸的结构越复杂；反之，越简单三、土壤有机质的作用1.土壤肥力方面(1)提高土壤的持水性，减少水土流失

腐殖质具有巨大的比表面积和亲水基团(2)提供植物需要的养分养分较完全植物生长所需养分N：80～97%，平均95%；P：20～76%；S：38～94%为有机态，由有机质提供。提高养分有效性SOM矿质化过程中产生的有机酸，腐殖化过程中产生的腐殖酸，一方面促进土壤矿质养分溶解释放养分；另一方面可以络合金属离子，减少金属离子对P的固定，提高P的有效性。1.土壤肥力方面三、土壤有机质的作用(3)改善土壤物理性质粘结力(bindingforce)：砂＜有机胶体＜粘粒有机质能改变砂粒的分散无结构状态，又能改善粘粒的粘重大块结构，促进土壤良好结构的形成，从而改善土壤的通透性等物理性质。1.土壤肥力方面三、土壤有机质的作用(4)提高土壤保肥性土壤腐殖质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，吸附能力大于矿质胶体，从而大大提高土壤保肥性。

胶体对阳离子吸附能力比较（cmol(+)/kg）胶体类型有机胶体高岭石蒙脱石吸附力150～450（平均350）3～1580～1201.土壤肥力方面三、土壤有机质的作用(4)提高土壤保肥性腐殖质含有多种功能团，遇OH－时电离出H＋与之作用生成水对碱緩冲；遇H＋时则由于带负电荷而吸附H＋对酸緩冲；腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起緩冲作用。1.土壤肥力方面三、土壤有机质的作用(5)提高土壤生物和酶的活性SOM是土壤微生物活动所需氧分和能量的主要来源；SOM通过刺激生物活动而增加土壤酶活性，直接影响土壤养分转化的生物化学过程；腐殖酸是一类生理活性物质。1.土壤肥力方面三、土壤有机质的作用(1)对重金属的影响

络合重金属离子，减轻重金属污染。

有机质功能团对金属离子的亲和力：

—O—>—NH2>—N=N>N>COO—>—O—>—C=O

烯醇基氨基偶氮化合物环氮羧基酰基羰基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重要影响。2.生态环境方面三、土壤有机质的作用

金属—富里酸复合体稳定常数：Fe3+

>Al3+

>Cu2+

>Ni2+

>Co2+

>Pb2+

>Ca2+

>Zn2+

>Mn2+

>Mg2+

腐殖物质—金属离子复合体的稳定常数反映金属离子与有机配位体之间的亲和力，对重金属环境行为的了解有重要价值。稳定常数常受pH值得影响，稳定常数在较高pH时稍大。主要是因为羧基等功能基在较高pH条件下有较高的解离度。在低pH时，由于H+与金属离子一起竞争配位体的吸附位，腐殖酸络合的金属离子较少。重金属离子的存在形态受腐殖酸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有一定的溶解作用实际上是其对金属离子的络合、吸附和还原作用的综合结果。

胡敏酸作为还原剂可将有毒的Cr6+还原为Cr3+，Cr3+能与胡敏酸上的羧基形成稳定的复合体，从而限制了动植物对它的吸收。

(2)对农药等有机污染物的固定SOM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影响。SOM对农药的固定与腐殖质功能基的数量、类型和空间排列密切相关，也与农药本身的性质有关。极性有机污染物可以通过离子交换和质子化、氢键、范德华力、配位体交换、阳离子桥和水桥等不同机理与SOM结合；非极性有机污染物可以通过分隔机理与之结合。2.生态环境方面三、土壤有机质的作用空气中CO2浓度变化(3)对全球碳循环的影响

2.生态环境方面三、土壤有机质的作用(3)对全球碳循环的影响

土壤有机质是全球C平衡的重要C库。

全球土壤有机质总碳量：

14×1017~15×1017g

陆地生物总碳量：

~5.6×1017g

全球每年土壤有机质生物分解释放到大气中的总碳量：68×1015g

全球每年因焚烧燃料释放到大气中的总碳量：

6×1015g

土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响不亚于人类活动向大气排放的影响。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3.42×108年四、土壤有机质的管理四、土壤有机质的管理土壤有机质管理的目标保持有机质平衡和维持有机质在适当水平平衡：矿化←→腐殖质化有机质管理的措施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、河泥、塘泥、有机、无机肥料配合施用2、种植绿肥

田菁紫云英紫花苜蓿等

休闲绿肥、套作绿肥养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合有机质管理的措施3、秸秆还田有机质管理的措施4、合理的耕作制度

免耕、少耕

什么叫有机农业？/

欧洲把有机农业描述为，一种通过使用有机肥料和适当的耕作和养殖措施，以达到提高土壤的长效肥力的系统。有机农业生产中仍然可以使用有限的矿物物质，但不允许使用化学肥料。通过自然的方法而不是通过化学物质控制杂草和病虫害。

“有机农业”是指遵照有机农业生产指标，