(土壤学教学课件)第二章-土壤有机质

(土壤学教学课件）第二章-土壤有机质本章重点土壤有机质组成土壤有机质转化的主要过程与影响条件土壤有机质的作用和调节泛指以各种形态存在于土壤中的各种含碳有机化合物。广义地讲：包括土壤中各种动、植物残体及微生物分解和合成的有机化合物。狭义地讲：主要是指有机质残体经微生物作用形成的一类特殊的、复杂的、性质比较稳定的高分子有机化合物，即土壤腐殖质（humicsubstance）。什么是土壤有机质？耕地有机质含量:一般<5%，范围0.5~20%。>20%称有机质土壤，<20%称矿质土壤南方一般1~3%，多数<2%，低于1%属低水平；华中、华南水田1.5~3.5%。东北，很多超过5%；华北、西北，大部分<1%。一、土壤有机质的

来源、形态及组成土壤有机质的来源原始土壤—微生物是土壤有机质的最早来源。自然植被条件下，土壤有机质主要来源于地面植物残落物、根系残体和根系分泌物，其次来源于生活在土内的动物和微生物。农业土壤的有机质主要来源于施入土壤的各种有机肥料以及植物遗留的根茬、还田的秸秆和翻压的绿肥等有机物质。土壤有机质的形态：1）新鲜有机物。如刚进入土壤中未被微生物分解的动、植物残体。2）半分解有机物。经微生物分解的动、植物残体，失去了原来的形态学特征，呈分散的暗黑色小块，包括有机质的分解产物和新合成的简单有机化合物。3）腐殖质。经微生物分解和再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质。土壤有机质的组成：1.五类有机化合物1）糖类、有机酸类、醛类、醇类、酮类以及相近的化合物2）半纤维素和纤维素3）木质素4）含氮化合物5）树脂、油脂、蜡质、丹宁等物质2.灰分元素：Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn、I、Zn、B、F土壤有机质与植物组织化合物组成的差别不同有机成分的分解状况有机成分好气产物嫌气产物抗分解性作用糖类CO2、H2OCH4H2

有机酸弱提供能量、营养和功能团蛋白质NO3-H2PO4-SO42-NH3

H2S半纤维素CO2、H2OCH4H2

有机酸纤维素CO2、H2OCH4H2

有机酸油脂、蜡质等CO2、H2O酚、醌提供结构单元木质素很少变化强二、土壤有机质的

分解和转化简单有机化合物的分解与转化矿质化过程（mineralization）:有机化合物在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解最终释放出二氧化碳、水和能量的过程。

R+2O2 CO2+H2O+能量腐殖化过程（humification）：各种有机化合物通过微生物的合成，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。腐殖质的形成途径1、矿化率：指每年因矿化作用而消耗掉的有机质量占土壤有机质总量的百分数。（1%-2%）2、腐殖化系数：指有机物料投入土壤后形成的腐殖质量（以投料一年后土壤有机质达稳定值时的有机质量）与原来施入的有机物料总量的比值。eg.某土壤有机质含量2%，其自然矿化率为3%，每亩耕层土壤重量为15万公斤。若要保持原来土壤有机质含量2%的水平，每亩需施紫云英多少公斤？（紫云英的腐殖化系数为0.25，其含水率为80%）解：每年被矿化消耗掉的有机质为：

150000×0.02×0.03=90公斤设紫云英需用量为X，则

X

×

(1-0.80)×0.25=90X

=1800（公斤）答：需施紫云英1800公斤腐殖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，新形成的黄色至棕色的非晶型高分子物质。它是土壤有机质的主体，占土壤有机质含量的60%-80%，也是土壤有机质中最难降解的部分。三、土壤腐殖质（一）土壤腐殖质的分组除去动植物残体的细土样腐殖酸稀NaOH富里酸Fulvicacids

胡敏酸Humicacids

胡敏素Humin稀HCl溶液沉淀溶液沉淀腐殖质Flaig的胡敏酸(HA)分子结构模型Stevenson的胡敏酸(HA)分子结构模型Schnitzer和Khan的富里酸(FA)分子结构模型土壤腐殖质存在形态：1游离状态的腐殖质2与矿物成分中的盐基化合成稳定的盐类，主要为腐殖酸钙和腐殖酸镁3与含水三氧化物形成复杂的凝胶体4与层状硅酸盐粘粒矿物结合成有机无机复合体有机无机复合体化学性质元素组成：

C（55~60％，平均58％）

HON（3~6％，平均5.6％）

S

少量Ca、Mg、Fe、Si等

C/N比为10~12：1（二）土壤腐殖质的性质功能团丰富：芳香族和脂肪族化合物上的羧基（-COOH）和酚羟基（-OH）；中性功能团有：醇羟基（-CH2OH）、醚基（-CH2-O-CH2-）、酮基、醛基和酯基；碱性功能团有：胺、酰胺基。 分子结构与分子量：腐殖酸是非晶体物质，分子结构十分松散，大致呈无规则线团状。胡敏酸平均分子量在5000-100000之间，富里酸平均分子量在3000-6000之间。表面带电荷：腐殖质是一种两性胶体。既可带负电，也可带正电荷。通常以带负电荷为主。腐殖质的负电荷数量随pH的升高而增加。吸水性及溶解度腐殖质是亲水性胶体，吸水能力强，吸水量可超过自身质量的500%（粘粒—15-20%）。具有较强的膨胀性和收缩性。粘结性、粘着性和可塑性低于粘土矿物。胡敏酸与一价离子形成盐类可溶于水，而与二价阳离子形成的盐类，溶解度较低；富里酸与一价、二价盐类均溶于水，三价盐类在中性以上的碱性环境中溶解度较低。稳定性化学稳定性高，抗分解能力强，分解周期长。颜色浅深聚合度低高C含量45%62%O含量48%30%腐殖质各组分性质的比较腐殖质分子质量功能团溶解度带电量酸性阳离子交换量胡敏酸5000-100000大酚羟基多一价盐可溶负电荷多弱大富里酸3000-6000小羧基多一、二、三价盐类均可溶少强小不同腐殖酸性质的比较HA/FA比值越大，说明胡敏酸的含量越高，腐殖酸的结构愈复杂。我国北方大多数土壤，以胡敏酸为主，HA/FA>1南方土壤中，富里酸占优势，HA/FA<1四、影响土壤有机质转化的因素微生物是土壤有机质分解和周转的驱动力，凡是影响微生物活动及其生理作用的因素均会影响有机质的分解和转化。1.有机质本身的物质组成糖和蛋白质含量高的有机质如豆科绿肥矿化速率快，而木质素、脂、蜡等含量高的有机质如禾本科稻草、玉米等矿化速度较慢。矿化速度：可溶性有机物>蛋白质>纤维素>木质素矿化速度与有机质本身的C/N比有关，矿化速度与其含氮量成正比，与含碳量成反比。微生物组成自身的细胞需要吸收1份氮和5份碳，同时还需要20份碳作为生命活动的能源，即微生物在生命活动过程中，需要有机质的碳氮比约为25：1。C/P=200:1—300:1C/S=200:1—400:1小于上述值时，对微生物的活动有利，有机质分解快，分解释放出的无机态氮、磷和硫被微生物吸收构成自身外，还有多余的养分残留在土壤中，供植物吸收。34有机质分解过程中的C/N和土壤氮素盈亏变化的关系

/35由于一般谷类作物茎秆的C/N＞50，甚至更高，所以在实施秸秆还田时，应注意配施速效性化学氮肥。而豆科绿肥如紫云英、苜蓿等，由于它们的C/N一般都＜20，一旦分解，就能收到供氮的效果。2土壤条件1）土壤通气状况2）土壤水分和温度状况土壤含水量为田间持水量的60-80%为宜土壤微生物活动的土温以25-35℃为宜3）土壤酸碱反应土壤pH一般在6-8之间比较合适，土壤过酸（pH<4.5）或过碱（pH>8.5），微生物活动受到抑制。大多数细菌在pH6.5-7.5之间活性最强真菌适宜于酸性环境（pH3-6）放线菌一般适合于在中性或微碱性条件下生存五、土壤有机质的作用有机质在土壤肥力上的作用提供植物需要的养分有机N：＞80%有机P：20－76%有机硫：75－95%金属离子:K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn—有机质在分解和合成过程中，产生的多种有机酸和腐殖酸对土壤矿物有一定的溶解作用，可以促进矿物风化，有利于养分的有效化。改善土壤物理性状腐殖质可通过功能团、氢键、范德华力等机制以胶膜形式包被在矿质土粒外表，促进土壤团粒结构的形成。土壤腐殖质的粘结力比粘粒小，比砂粒大。当腐殖质覆盖在粘粒表面，减少了粘粒间的直接接触，降低其粘结力，大大降低了土壤的粘性。有机质的胶结作用可形成较大的团聚体，使得土壤的耕性及通透性等得以改善。当腐殖质覆盖在砂粒表面，增强了砂粒间的粘结力，提高了砂土的团聚性，降低了砂粒的分散性。腐殖质的吸水率为500-600%，砂土增加有机质后，可减缓砂土通透性过强的缺点，增强保蓄水分的能力。增强土壤的保肥性和缓冲性属于胶体物质，具有巨大比表面和表面能，同时带有大量负电荷，所以能提高土壤的吸附性能，增强其保肥能力。腐殖酸是一种弱酸，腐殖酸和腐殖酸盐类可组成缓冲体系。提高土壤生物和酶活性，促进养分转化土壤有机质是土壤微生物生命活动所需养分和能量的来源。土壤微生物的生物量与有机质含量呈极显著的正相关。有机质可通过刺激微生物和动物的活动增加土壤酶的活性。-刺激根系的生长很稀的浓度的腐殖质物质（胡敏酸）能增强植物的呼吸作用，增加细胞膜的透性，促进植物对营养物质的吸收。-提高土壤温度的作用有机质为暗色物质，一般是棕色到黑褐色，吸热能力强，可改善土壤热状况。有机质在生态环境上的作用与重金属离子的作用

各种功能团对金属离子的亲和力：烯醇基>胺基>偶氮化合物>环氮>羧基>酰基>羰基螯合物：两个以上的功能团与金属离子形成的环状络合物。腐殖质与金属离子络合的稳定常数：Fe3+>Al3+>Cu2+>Ni2+>Co2+>Pb2+>Ca2+>Zn2+>Mn2+>Mg2+腐殖酸的氧化还原作用:胡敏酸可作为还原剂将有毒的Cr6+还原为Cr3+，胡敏酸上的羧基能与形成稳定的复合体，从而限制动植物对其的吸收。有机质对有机污染物的固定腐殖质分子中既有极性亲水基团，也有非极性疏水基团。对农药等有机污染物有很强的亲和力，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。全球碳平衡土壤有机质是地球上非常重要的碳库：

全球土壤有机质总C量： 14

15×1017g陆地生物总C量： 5.6×1017g

土壤有机质分解释放到大气的总C量:68×1015g/年燃料焚烧释放到大气的总C量： 6×1015g/年

/society/201012/452fb600-06f2-4726-a0b9-acc2680529bd.shtml?_from_ralated吸收二氧化碳新举措向大海中播撒硫酸铁有奇效新一期英国《自然》杂志刊登报告说，一项新研究显示，向海中播撒硫酸铁以促进藻类生长有助于吸收空气中的二氧化碳。研究人员在总面积１６７平方公里的海域内播撒了数吨硫酸铁，并持续一个多月观察藻类生长情况。结果发现，在播撒硫酸铁后，海水中的藻类迅速生长，并通过光合作用吸收贴近海面的二氧化碳。据估算，向海中每“投放”一个铁原子，可使藻类从空气中吸收约１．３万个碳原子。本次研究还测量了当地藻类死亡后在海水中的分布情况。结果显示，其中至少有一半的死亡藻类沉入了超过１０００米深的地方，研究人员认为这些下沉藻类中的很大一部分沉到了海底，这样它们吸收的碳原子很可能“深锁”海底，从而切实产生减少空气中二氧化碳的效果。不过，研究人员也提醒说，如果在海洋中大规模播撒铁元素，引发藻类大范围爆发性生长，对生态系统会造成何种影响目前很难预料，还需通过更多研究来探索。因此，现阶段还不能推广这种二氧化碳吸收法。土壤中生物碳固定二氧化碳达数十万年土壤中的生物碳尽管看上去仅仅是尘土而已，但是专家们认为生物碳可能可以扮演起气候拯救者的重要角色。正如这张照片中，一位美国西弗吉尼亚州的农民手里所拿着的生物碳。根据国际生物碳倡议项目的数据，当被重新释放回土壤环境后，这些由加热农业废料制成的多孔的生物碳物质可以固定二氧化碳长达数十万年之久。相比之下，树木的固碳作用却是有限的，因为当树木死亡后这些二氧化碳就会重新进入大气当中。美国企业协会的瑟斯托姆将生物碳列入了他所谓“值得进行探索”的列表之中。而气候研究学会的麦克克莱肯同样如此，他指出生物碳将有利于改善土壤性质。腐殖质的土壤效应性质特征土壤效应颜色很多土壤黑色是由腐殖质引起的能吸热，提高土温保水能保持20倍于它自身重量的水防止干裂，增加砂土保湿与粘土矿物结合调控土壤颗粒形成团粒结构稳定结构，增进透水透气螯合作用与Cu2+、

Mn2+、Zn2+等多种离子形成稳定复合物为植物提供微量营养元素水溶性腐殖质与粘粒和阳离子结合成不溶复合物减少有机质因淋溶而流失缓冲作用在微酸、中性和碱性范围内起缓冲作用有助于土壤酸碱稳定阳离子交换分离出的腐殖质组分总酸度为300-1400mg/kg很多土壤中增加阳离子交换量20-70%矿化作用腐殖质矿化产CO2、NH4+、NO3-、PO42-