第二章土壤有机质 2

第二章土壤有机质【教学目标】

土壤有机质概述

2.土壤有机质的转化

3.土壤腐殖质的形成

4.土壤有机质对土壤肥力的影响

5.提高土壤有机质的原则和途径第二章

土壤有机质

第一节土壤有机质

一、

土壤有机质的来源及组成二、

土壤有机质的转化过程

三、影响土壤有机质转化的因素第二节土壤腐殖质

一、腐殖质的分离与组成

二、腐殖质在土壤中存在的形态三、

腐殖酸的性质

第三节土壤有机质的作用及其调节一、土壤有机质的作用二、土壤有机质的调节土壤有机质0.5%5%0.5-2.0%7%

第一节土壤有机质

一、土壤有机质的来源及组成

土壤有机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。

（一）

土壤有机质的来源及类型

1、来源动物、植物、微生物的残体和有机肥料是土壤有机质的来源。

据统计，各种动植物和微生物的残体，每年进入土壤表层的有机质总量，每公顷不过3.5t，每亩不足300kg。

2.类型：（1）新鲜的有机质，主要是土壤中未分解的生物遗体。（2）半分解的有机质，是新鲜有机质经微生物的分解作用.已破坏了最初结构，而变成了分散的暗黑色小块。（3）腐殖质有机质经过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，它与矿物质土粒紧密结合.不能用机械方法分离，在一般土壤中约占有机质总量的85一90％。（二）土壤有机质的组成及性质

1．糖类、有机酸、醛、醇、酮类以及相近的化合物。糖类是广泛分布于植物界中的一类化合物。如葡萄糖、蔗糖和淀粉等。酸类有葡萄糖酸、柠檬酸、草酸等；另外还有一些乙醛、乙醇和丙酮等。以上各类都可溶于水，这类有机质被微生物分解后产生CO2、H20；在空气不足的情况下，可能及CH4等还原性气体。

2、纤维素和半纤维素

半纤维素（C6H10O5）n在酸和碱的稀溶液处理下，易于水解，纤维素则在较强的酸和碱的处理下，才可以水解。它们均能被微生物所分解。

3、木质素

木质素是复杂的有机化合物，比较稳定，不容易被细菌和化学物质所分解，但在土壤中可被真菌、放线菌所分解。

4、脂肪、蜡质、树脂和单宁等.

不溶于水，而溶于醇、醚及苯中，都是十分复杂的化合物。除脂肪分解较快外，一般都很难彻底分解。

5．含氮化合物

土壤的含氮化合物95％以上是有机态的，无机态的含量不到5％，生物体中主要的含氮物质为蛋自质。蛋白质的元素组成除C、H、O、N外，还含有S、P和Fe等植物营养元素等。一般易被微生物所分解。

6．灰分物质

植物残留体燃烧后所留下的灰称为灰分物质。植物体中灰分的含量，一般平均占植物体干物质重量的5％，构成灰分的主要元素为Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Ae、Mn等，这些元素在生物的生活中有着重要的意义。

二、土壤有机质的转化过程

进入土壤的有机质在微生物的作用下，转化过程可包括两个方面，即有机质的矿质化和腐殖质化过程。

它是土壤所特有的（图2～1）。这两个过程是不可分割和互相联系的，随条件的改变而互相转化。矿化过程的中间产物又是形成腐殖质的基本材料，腐殖化过程的产物——腐殖质并不是永远不变的，它可以再经过矿化分解释放其养分。

（一）土壤有机质的矿质化过程

矿质化过程：进入土壤的复杂有机质，经过微生物的作用，分解成简单的无机化合物（C02、H20和NH3等），并释放出矿质营养的过程。

1、不含氮有机物质的转化

如在通气良好的条件下葡萄糖彻底分解，生成简单的CO2和H2O，并放出多量的能量。

C6H12O6＋9（O）—→3C2H204+3H2O

（草酸）

2C2H204+O2—→4C02+2H20

在通气不良的条件下，分解的不彻底，形成很多有机酸类的中间产物，并产生还原性物质，如CH4、H2等，放出少量的能量。

C6H1206—→C4H802＋2C02＋2H2

（丁酸）

4H2＋C02—→CH4＋2H20

2.含氮有机物质的转化

（1）水解过程。蛋白质在蛋白质水解酶的作用下，分解成简单的氨基酸一类的含氮物质。

蛋自质—→水解蛋白质—→消化蛋白质—→多缩氨酸（或多肽）—→氨基酸

（2）氨化过程。蛋白质水解生成的氨基酸，在多种微生物及其所分泌的酶的作用下，进一步分解成氨（在土中成为铵盐），这种氨从氨基酸中分离出来的作用，称为氨化作用。氨化作用在好气或嫌气条件下均可进行。

↗RCHOHCOOH＋NH3RCHNH2COOH＋H2O（有机酸）

↘RCH2OH＋CO2＋NH3水解作用（醇）

RCHNH2COOH＋O2RCOOH＋CO2＋NH3

（有机酸）RCHNH2COOH＋H2RCH2COOH＋NH3

（有机酸）

（3）硝化过程氨或铵盐氧化为硝酸的过程。氨或铵盐的一部分被植物利用，另一部分在微生物的作用下，经过亚硝酸的中间阶段，进一步氧化为硝酸。

2NH3＋3O22HNO2＋2H20＋热

2HNO2＋O22HNO3＋热硝酸与土壤中的盐基结合成硝酸盐，也是植物和微生物可以直接利用的氮素养料。氧化作用还原作用亚硝酸细菌硝酸细菌

（4）反硝化过程硝酸盐还原为N20和N2的过程称为反硝化过程。其反应式如下，

2HNO32HNO2N2O或N2

硝酸盐的还原作用虽要经由亚硝酸盐阶段，但是亚硝酸盐在正常情况下不在土壤中累积，而直接变为一氧化二氮或氮气。

-2[O]-[O]3．含磷有机物质的转化土壤中的含磷有机化合物，在多种腐生性微生物的作用下，尤其是在磷细菌的作用下，经过水解而产生磷酸。核蛋白质—→核素—→核酸—→磷酸

卵磷脂—→甘油磷酸脂—→磷酸

在嫌气条件下，许多微生物能引起磷酸的还原，产生亚磷酸和次磷酸。在有机质丰富的情况下，进一步还原成磷化氢。

4．含硫有机物质的转化

土壤中含硫的有机物，经过微生物的作用产生硫化氢。硫化氢在嫌气环境中易积累，对植物和微生物会发生毒害，但在通气良好的条件下，硫化氢在硫细菌的作用下氧化成硫酸，并和土壤中的盐基作用形成硫酸盐，成为植物能吸收的硫素养料。

2H2S十O2—→2H2O十2S2S十H2O十3O2—→2H2SO4

在通气不良的情况下，即发生反硫化作用，使硫酸转变为H2S散失，并对植物产生毒害。因此，由上述可知，在农业生产上只要采取措施，改善土壤的通气性，就能消除各种还原有毒物质的产生。（二）土壤有机质的腐殖化过程

腐殖化过程：有机质经过微生物的改造后，形成另一类特殊的、较稳定的高分子的复杂有机化合物，使有机质及其养分保蓄起来的过程。

土壤有机质的腐殖化过程是一个相当复杂的过程，早在150年前就开始了研究，虽然取得了重大的成就，但至今尚未完全搞清楚，不少问题尚待进一步研究。

近代研究结果表明，有机质的分解主要靠水解酶，合成腐殖质则主要是氧化酶的作用。一般认为腐殖质的形成要经过两个阶段：

第一阶段是微生物将动植物残体转化为腐殖质的组成成分（结构单元），如芳香族化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸）等。(矿化过程)

第二阶段是在微生物的作用下，各组成成分合成（缩合作用）腐殖质。在这一阶段中

微生物分泌的酚氧化酶，将多元酚氧化为醌类，醌易于和其它组成分（含氮化合物）缩合成腐殖酸的单体分子。例如多元酚的氧化作用与氨基酸的结合：（腐质化过程）：

1．多元酚氧化为醌

2．醌和氨基酸缩合

三、影响土壤有机质转化的因素（一）有机残体的特性

特别重要的是有机物质组成中的碳氮比对其分解速度影响很大，有机残体的碳氮比（C／N）是指有机物中碳素总量和氮素总量之比。一般来说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。当有机残体的碳氮比在25﹕1左右时，微生物活动最旺盛，分解速度也最快.

如果被分解有机质的碳氮比＜25﹕1，对微生物的活动有利，有机质分解快，分解释放出的无机氮除被微生物吸收构成自己的身体外，还有多余的氮素存留在土壤中，可供作物吸收。如果碳氮比＞25﹕1，微生物就缺乏氮素营养，使微生物的发育受到限制，不仅有机质分解慢，而且有可能使微生物和植物争夺土壤中原有的有效氮素养分，使作物处于暂时缺氮的状态。

（一）土壤通气性土壤通气良好时，好气性微生物活跃，这时有机质进行着好气分解，其特点是速度快，分解较完全，中间产物累积少，有利于植物的吸收利用。但不利于土壤有机质的累积和保存。反之，在土壤通气不良时，嫌气性微生物活动旺盛，有机质分解的特点是速度慢.分解不完全，中间产物容易积累，还会产生甲烷和氢气等还原性气体.

但在嫌气条件下，有机质的矿化率低，故有利于有机质的积累和保存。

(三)

温度

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0℃以下，土壤有机质的分解速率很小。在0℃～35℃范围内，有机质的分解随温度升高而加快。温度每升高10℃，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大约为25～35℃，超出这个范围，微生物活性就会明显受到抑制。

（四）土壤特性

土壤有机质含量与其粘粒含量有极显著的正相关，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值也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。各种微生物都有最适宜活动的PH范围，真菌适宜于酸性环境（pH3～6）下活动，大多数细菌活动的最适PH值在中性范围（PH6.5～7.5），放线菌适合于微碱性条件。因此改良过酸过碱的土壤，对促进有机质的矿化有显著效果。

第二节土壤腐殖质一、腐殖质的分离与组成

腐殖质是一类组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物，难溶于水。因此要研究土壤腐殖酸（腐殖质主要成分）的性质，首先必须用适当的溶剂把它从土壤中分离提取出来。一般采用的方法，是先把土壤中未分解或部分分解的动植物残体分离掉，然后用不同的溶剂来浸提土壤把腐殖酸划分为三组分;黄腐酸（富里酸）、褐腐酸（胡敏酸）与黑腐素（胡敏素）。具体步骤如下:

腐殖酸的主要组成是褐腐酸和黄腐酸，通常占腐殖酸总量的60％左右。在一般土壤中（强酸性土壤除外），这些腐殖酸大部分以金属盐的形态存在。在一般土壤中（强酸性土壤除外），这些腐殖酸大部分以金属盐的形态存在。二、腐殖质在土壤中存在的形态

土壤中腐殖质存在的形态大致有四种：

1．游离状态的腐殖质，在一般土壤中占极少部分，常见于红壤中。

2．与矿物成分中的强盐基化合成稳定的盐类，主要为腐殖酸钙和镁，常见于黑土中。

3．与含水三氧化物如A1203.xH20、

Fe203.yH20化合成复杂的凝胶体。

4．与粘粒结合成有机无机复合体

在上述四种形态中，以第四种最为重要，因为它常占土壤腐殖质中的大部分。关于土壤腐殖质与粘粒结合的问题，据现有资料认为有两种可能：

第一、由于钙离子的关系而结合着。这样的结合在农业上特别重要，因为它和水稳性团粒的形成有关。

第二、由于铁、锰、铝（特别是铁）离子的关系而结合着。这种结合有高度的坚韧性，有时甚至可以把腐殖质和砂粒结合起来，但不一定具备水稳性，所以对团粒的形成以及肥力的提高上，关系就比较次要。土壤有机无机复合体示意图

三.腐质酸的性质

（一）

腐殖酸的元素组成

腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成，此外还含少量的钙、镁、铁、硅等灰分元素。各种土壤中腐殖酸的元素组成是不完全相同的。就腐殖质整体来说，含碳约55～60％（习惯上以58％为其平均数，所以在计算土壤腐殖质含量时，常以土壤的有机碳百分数含量乘以100／58，即1.724作为其腐殖质含量）。含氮约3～6％，平均为5.6％.其C／N比值平均为10﹕1～12﹕1

就不同的腐殖酸相比较，褐腐酸的碳、氮含量一般高于黄腐酸，而氧和硫的含量则低于黄腐酸。

（二）腐殖酸的分子结构和分子量

共同点是都属于大分子聚合物，以芳香族核为主体，附以各种功能团。其中主要的功能团为酚羟基、羧基、甲氧基，并有含氮的环状化合物等。腐殖酸的分子量一般褐腐酸的分子量大于黄腐酸。据报道，我国黑土和砖红壤的褐腐酸平均分子量为2500和2000，黄腐酸为680～1450。关于腐殖酸分子的形状,过去认为成网状多孔结构,近来通过电子显微镜拍照或通过粘性特征的推断有的认为是球形的，有的认为是棒状的，也有报道说两种形状都有,因此就整体来说结构并不紧密。

（三）腐殖酸的电性

由于腐殖酸的组分中有多种含氧功能团的存在。

腐殖酸是两性胶体，在它表面既带负电又带正电，通常以带负电为主。电性的来源主要是分子表面的羧基和酚羟基的解离以及胺基的质子化，例如：

腐殖质分子

COOH

腐殖质分子

COO_

OH

解离和质子化

O+2H

结构的核心

NH2

结构的核心

NH3

COOH

COO-图2—2腐殖质的电荷来源

由于羧基、酚羟基的解离和胺基质子化的程度是随周围H+浓度而变化的，所以这些电荷的数量也随着土壤的pH而变异，属可变电荷。

（四）腐殖酸的溶解度和凝聚

褐腐酸不溶于水，它与钾、钠、铵等形成的一价盐类，可溶于水，而与钙、镁、铁、铝等高价离子形成的盐类，溶解度大大降低；黄腐酸有相当大的水溶性，其溶液的酸性较强，它和一价及两价金属离子所形成的盐类都能溶于水腐殖酸可与铁、铝、铜、锌等高价金属离子形成络合物，一般认为羧基、酚羟基是参与络合的主要基团。新形成的腐殖质胶粒在水中是分散的溶胶状态，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。在凝聚过程中可使土粒胶结起来，形成结构体。

（五）吸水性

腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，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500%。从饱和大气中吸收的水气量约可达到其本身重量的一倍以上，这比一般的矿质胶体要大的多。

（六）稳定性

腐殖酸的化学稳定性很强，抗微生物分解的能力较强，分解周转时间长。一般腐殖酸的年矿化速率平均在1％～2％左右。但新旧程度不同的腐殖酸分解的速度有很大的差异。在温带条件下，一般植物残体的半分解期少于三个月，而新形成的腐殖质的半分解期为4.7～9年，褐腐酸的平均停留时间为780～3000年，黄腐酸为200～630年。

三、我国主要土壤的腐殖质特征

土壤中的腐殖质含量，因气候、生物、地形、耕作等因素的影响而差异很大。温度和雨量一方面影响作物的生长，同时也影响到有机质的分解速度和累积量。例如在森林下，真菌活动旺盛，黄腐酸多；而草类植物下，细菌活动旺盛时褐腐酸多。由黄土母质在较干旱条件下发育的土壤所含腐殖质以褐腐酸为主，且多与Ca2+相结合；按碳计算，全部褐腐酸约占腐殖质的38一56％；淋溶黑钙土的腐殖质中褐腐酸仅占30％左右，有相当数量与R203相结合；红壤的腐殖质中褐腐酸含量仅6一7％，且多属游离状态。

褐腐酸与黄腐酸的比值（HA／FA）是土壤腐殖质的组成和性质的指标之一，可作为土壤肥力和熟化程度的标志。由黑土带往南，经棕壤、黄棕壤到红壤、砖红壤带，HA／FA逐渐减小。无论在任何土带，森林植被下的土壤与同一土带内草本植被下的土壤相比，前者的HA／FA常较小；

石灰性母质发育的土壤与非石灰性母质发育的土壤相比，前者的HA／FA常较大。长期种植水稻的土壤，腐殖质的组成上HA／FA常显著地较毗邻的旱地土壤或自然植被下的土壤为大。

第四节

土壤有机质的作用及其调节

一、土壤有机质的作用

（一）提供作物需要的各种养分

土壤有机质不仅是一种稳定而长效的氮源物质，而且它几乎含有作物和微生物所需要的各种营养元素。大量资料表明，我国主要土壤表土中大约80％以上的氮、20～76％的磷以有机态存在，在大多数非石灰性土壤中，有机态硫占全硫的75％～95％以上。

另外，据估计土壤有机质的分解以及微生物和根系呼吸作用所产生的CO2，每年可达1.35×1011吨，大致相当于陆地植物的需要量，可见土壤有机质的矿化分解是大气中CO2的重要来源，也是植物碳素营养的重要来源。此外，土壤有机质在分解过程中，还可产生多种有机酸（包括腐殖酸本身），这对土壤矿质部分有一定溶解能力，促进风化，有利于某些养分的有效化，另一方面还能络合一些多价金属离子，使之在土壤溶液中不致沉淀而增加了有效性。

（二）增强土壤的保水保肥能力和缓冲性

腐殖质疏松多孔，又是亲水胶体，能吸持大量水分。据测定，腐殖质的吸水率为500～600％，而粘粒的吸水率为50～60％，腐殖质的吸水率比粘粒大10倍左右，能大大提高土壤的保水能力。此外腐殖质改善了土壤渗透性，可减少水分的蒸发等，为作物提供更多的有效水。

腐殖质因带有正负两种电荷，故可吸附阴、阳离子；又因其所带电性以负电荷为主，所以它具有较强的吸附阳离子的能力，这些离子一旦被吸附后，就可避免随水流失，而且通过离子交换，可供作物吸收，仍不失其有效性。

腐殖质保存阳离子养分的能力，要比矿质胶体大许多倍至几十倍。一般每百克腐殖质的吸收量为150～400毫克当量。因此，保肥力很弱的砂土中增施有机肥料后，还可提高其保肥能力。

腐殖质是一种含有许多酸性功能团的弱酸，其盐类具有两性胶体的作用，因此有很强的缓冲酸碱变化的能力。所以土壤腐殖质含量提高后，可提高土壤缓冲酸碱变化性能。

（三）改善土壤的物理性质

腐殖质是一种胶体，粘结力和粘着力都大于砂粒，施于砂土后能增加砂土的粘性，可促进团粒结构的形成。另一方面，由于它松软、絮状、多孔，粘结力又比粘粒小11倍，粘着力比粘粒小一半，所以粘粒被它包被后，易形成散碎的团粒，使土壤变得比较松软而不再结成硬块。由于腐殖质是一种暗褐色的物质，从而提高了土壤的吸热性。同时腐殖质热容量比空气、矿物质大，而比水小。因此在同样日照条件下，腐殖质含量高的土壤土温相对较高，且变幅不大，利于保温和春播作物的早发速长。

（四）促进土壤微生物的活动首先土壤微生物生命活动所需的能量物质和营养物质均直接和间接来自土壤有机质，并且腐殖质能调节土壤的酸碱反应，促进土壤结构等物理性质的改善，使之有利于微生物的活动。

（五）促进植物的生理活性

（1）腐殖酸盐的稀溶液能改变植物体内糖类代谢，促进还原糖的积累，提高细胞渗透压，从而增强了作物的抗旱能力。腐殖酸钠还是某些抗旱剂的主要成分。

（2）能提高酶系统的活性，加速种子发芽和养分吸收，从而增加生长速度。

（3）能加强作物的呼吸作用，增加细胞膜的透性，从而提高其对养分的吸收能力，并加速细胞分裂，增强根系的发育。

（六）减少农药和重金属的污染腐殖质有助于消除土壤中的农药残毒和重金属污染。特别是褐腐酸能使残留在土壤中的某些农药如DDT、三氮杂苯等的溶解度增大，加速其淋出土体，减少污染和毒害。例如DDT在0.5％褐腐酸钠的水溶液中的溶解度比在水中至少大20倍，这就使DDT容易从土壤中排出去，又如腐殖酸能和某些金属离子络合，由于络合物的水溶性，而使有毒的金属离子有可能随水排出土体，减少对作物的危害和对土壤的污染。

二、增加土壤有机质的途径

1．种植绿肥作物

种绿肥产量高，有机质含量高，（一般为10～20％），养分丰富（一般平均含NO5％，P2O50.1％，K2O0.5％），分解较快，形成腐殖质也较迅速，可不断的更新土壤腐殖质。实行绿肥或牧草与作物轮作比单作和连作可显著提高有机质的含量。据全国绿肥试验网在16个省（区）的定位试验结果表明，无论南方或北方，旱地或水田，连续5年翻压绿肥，土壤有机质均有明显提高，其增加量平均为1～2g/kg土。

2．增施有机肥料

我国农民素有施用有机肥的习惯，而且施用的种类和数量都很多。如：粪肥、厩肥、堆肥、青草、幼嫩枝叶、饼肥、蚕沙、鱼肥等等，其中粪肥和厩肥是普遍使用的主要有机肥。这就应该在大力发展畜牧业的同时、鼓励农民积极发展有机肥。

3．秸秆还田

目前秸秆还田的方式有：

一是传统式的：将收获的作物秸秆与厩肥混合，堆腐沤制后还田；

二是当作物子实部分收获后，将作物秸秆就地粉碎后翻压还田；

三是留高茬收获，再将耕茬翻压入耕层；四是覆盖还田，子实收获后，将秸秆粉碎或整秆覆盖到地表，既有保墒增温作用，又可增加土壤有机质。五是将秸秆作饲料，经牲畜过腹还田。目前对秸秆直接还田还是堆、沤制后再还田的问题是有争议的。一般认为直接还田有节省劳力、节省成本的优点，还可避免堆、沤过程中水溶性有机物及氮素的损失，所以目前在生产实践中多采用直接还田的办法。

4、调节土壤有机质的分解速率

（1）调节土壤水气热状况，控制有机质的转化。土壤水气热状况影响到有机质转化的方向与速度。在