土壤有机质完整版本

第二章

土壤有机质土壤有机质是土壤固相的组成部分，一般占到土壤总重量的5%左右。土壤学中把耕层土壤有机质含量在20%(200g/kg)以上土壤叫有机质土，20%以下土壤叫矿质土壤。我国土壤耕层有机质大多数在5%以下，东北土壤较多，华北、西北大多在1%左右，个别漠境土壤不足0.5%。华中、华南水田土壤有机质含量在1.5~3.5%,旱地土壤含量也较少。尽管如此，土壤有机质对土壤性质影响却很大。是土壤肥力主要指标，在环境保护、农业可持续发展等方面都有很重要的作用和意义。概述土壤有机质0.5%5%0.5-2.0%7%一、土壤有机质来源及其组成和存在形态

二、土壤有机质的生物转化及其影响因素

三、土壤有机质各主要组分和性质

四、土壤有机质在土壤肥力上的作用

五、土壤有机质的管理第二章

土壤有机质1.来源于数目众多微生物

（1）微生物是最早出现在母质中的有机体。成为最早的土壤有机物质来源

（2）微生物数目繁多，生活代谢周期短。

（3）微生物的代谢产物是土壤有机质来源之一2.来源于各种动植物残体及其它们的代谢物

（1）树木、灌丛、草类、和其它植物残体。植物生长量成为土壤有机质含量的主要依据

（2）土壤动物:蚯蚓、蚂蚁、鼠类、昆虫等的残体及分泌物3.来源于施入的各种有机肥一、土壤有机质来源及其组成和存在形态（一）土壤有机质的来源（二）土壤有机物质组成特点及存在形态1.土壤有机质的物质组成依据有机物质的分解阶段和存在物理形态分为：

（1）未分解的动植物残体（原材料）

（2）半分解的有机质：成为暗褐色小片

（3）腐殖质：特殊性有机物质2.土壤有机质化学组成（1）碳水化合物：单糖、多糖、淀粉、纤维素、果胶物质等（2）木质素：比较稳定，是形成腐殖质中心核的原始材料（3）含氮化合物：蛋白质、多肽、氨基酸（4）脂溶性物质：如树脂、单宁、腊质等3.土壤有机质的元素组成

C(52~58%)、O(34~39%)、H(3.3~4.8%)、N(3.7~4.1)、P、K、Ca、Mg、Fe、Si、Zn、Cu、B、Mo、Mn等.其中：C、H、O、N的和占有机质90~95%4.土壤有机质组成基本特点（1）土壤有机质中木质素和蛋白质含量比植物组织中含量增加（2）纤维素和半纤维素含量减少（3）土壤中形成了腐殖质（二）土壤有机物质组成特点及存在形态二、土壤有机质的生物转化及其影响因素有机残体矿（质）化作用mineralization腐殖化作用humification各种动、植物有机残体进入土壤后，在水分、温度、土壤微生物等因素的作用下，发生极其复杂的变化过程（土壤有机质的转化过程），这些过程总的来说是向着两个方向进行：（一）土壤有机质的矿化作用1.矿化作用的概念：有机物质在微生物的作用下分解成无机营养元素的过程2.矿化作用的意义（1）为作物生长释放出了营养元素---有效化过程（2）为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。3.各种物质矿化作用（1）糖类有机物质矿化：多糖单糖CO2+H2O+heat(多）好气条件下有机酸——heat（少）半嫌气条件CH4、H2、H2S+heat（极少）嫌气水解酶作用

己糖>淀粉>半纤维素>纤维素；糖类物质的分解是土壤中生物活动的主要能源（生物热）。（4~5千卡热/g有机物）（一）土壤有机质的矿化作用（2）含氮物质的分解蛋白质多肽氨基酸氨NH3硝酸根NO3-蛋白酶肽酶氨化细菌硝化细菌水解作用（hydrolyzation)氨化作用(ammonification)硝化作用（nitrification)任何条件下好气条件下（一）土壤有机质的矿化作用（3）含磷和硫化合物的分解含磷和硫化合物的分解正磷酸盐H2PO4-、HPO4=、PO43－、正硫酸盐HSO4-、SO4=好气条件偏磷酸盐和次磷酸盐H3PO3、H3PO2

、H3P气体H2S

(黑根、毒害）

嫌气条件（一）土壤有机质的矿化作用4.矿化率（mineralizationrate)：

每年因矿化而消耗的有机物质量占土壤有机质总量的百分数。

矿化率作为土壤矿化快慢的指标。一般土壤年矿化率为1%左右。（一）土壤有机质的矿化作用（二）土壤有机质的腐殖化作用1.腐殖化概念

腐殖质：土壤腐殖质是土壤中一类性质稳定，成分、结构极其复杂的高分子化合物。

腐殖化：有机物质在分解转化过程中，又重新合成腐殖质的过程。

腐殖化过程也就是有机碳从一种有机碳形式转化为另一种有机碳形式，也叫有机碳的周转。它是一种极端复杂的生物过程。2.土壤腐殖化过程---腐殖质的形成过程（假说阶段）腐殖化过程是以微生物为主导的生物和生化过程，还有一些纯化学过程。

土壤腐殖化作用分为三个阶段：

第一阶段：植物残体分解产生简单的有机碳化合物；

第二阶段：通过微生物对这些有机化合物的代谢作用及反复的循环，增殖微生物细胞；

第三阶段：通过微生物合成的多酚和醌或来自植物的类木质素，聚合形成腐殖物质。

（二）土壤有机质的腐殖化作用腐殖物质形成有四条途径：

（二）土壤有机质的腐殖化作用途径1：糖－胺缩合学说途径2、途径3：多元酚理论途径4：木质素－蛋白质理论植物残体糖类木质素腐殖物质醌多酚氨基化合物木质素分解产物醌在微生物的作用下发生转化(1)(2)(3)(4)图2-1土壤腐殖物质形成过程中的转化途径3.腐殖化系数：给土壤加入单位有机物质后，所产生腐殖质的斤数（一般指一年以后）。腐殖化系数大小不仅取决于有机物质品种本身，也取决于各种环境条件：旱地土壤腐殖化系数一般在0.20~0.30，而水田则为0.25~0.40之间。（二）土壤有机质的腐殖化作用

土壤有机物质分解转化是在微生物的作用下进行的，属于生物化学反应。1.温度:在0～35℃范围内，随着温度升高，有机物质分解速率增加。每上升10℃，土壤有机质分解速率升高2～3倍。温度高于45℃和低于0℃微生物的活性都会降低，有机物质分解速率变慢。高于50℃就是纯氧化反应。

南方土壤有机质含量低于北方土壤原因：温度增加10℃，有机质分解速率增加2～3倍。（三）影响土壤有机质分解和转化的因素2.土壤水分（通气性）：微生物生命活动需要一定的湿度条件和通气条件。如果适度湿润且通气良好，土壤中的好气微生物活动旺盛，有机物质进行着好气分解，分解速度快、分解完全、矿化率高、中间产物少、养料释放多、不会产生有毒物质；如果湿度过大，水分堵塞了土壤孔隙，使通气状况受阻，嫌气微生物活动旺盛，有机物质分解慢、不彻底、有中间产物累积、释放还原性气体、产生环境效应、也影响植物生长。

水田不宜提倡秸秆还田，不用以牺牲环境为代价，换取增产。（三）影响土壤有机质分解和转化的因素3.植物残体的特性：主要是有机物的物理状态和组成，包括：新鲜程度、细碎程度、植物组织的C/NC/N比：有机质中有机碳和有机氮的重量比（动画）

土壤的C/N比:

8:1~15:1中间值为10:1~12:1。

植物的C/N比：豆科植物20:1~30:1。作物秸秆为80:1~100:1

微生物C/N比：5:1~10:1,平均为8:1C/N比意义：1.具有较高C/N的植物残体进入土壤会引起微生物与植物争氮现象。C/N比作为秸秆还田的重要技术参数需要考虑。2.不同土壤有一个相对稳定的C/N比。土壤碳的保持决定于土壤氮的水平。有机体的含氮量越大，则有机碳累积的可能性也就越大。所以，C/N不仅与土壤氮的有效性有关，而且也跟土壤有机质的保持有关。在耕作土壤管理中，两方面都需要考虑。（三）影响土壤有机质分解和转化的因素4.土壤特性：（1）土壤的pH条件各类微生物最适活动的pH条件：细菌—中性；放线菌—偏微碱性；真菌—酸性pH3～6；土壤pH高于8.5和低于5.5，都不适宜微生物活动。绝大多数微生物最适pH条件为中性。

（2）土壤质地条件

土壤有机质含量与土壤中粘粒的含量具有极显著的正相关关系。（三）影响土壤有机质分解和转化的因素三、土壤有机质各主要组分和性质（一）土壤有机质组成土壤有机质非腐殖物质腐殖物质1.非腐殖物质：有特定的物理化学性质、结构已知的有机化合物。

(1）碳水化合物：多糖、糖醛酸和氨基糖组成，主要来源于植物残体和根系分泌物，含量占有机质总量15～27%，其中多糖是主体，含量约为有机质总量的9～22%，多糖对土壤结构影响研究倍受关注。

（2）含氮化合物：主要来源于生物残体中含氮化合物，其中主要形式为蛋白质、缩氨酸，易于分解成氨基酸，占的量不高。（一）土壤有机质组成2.腐殖物质：有机物质在微生物作用下分解转化成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。腐殖物质是在土壤中形成的一类特殊的化合物，远不同于动植物体内的其它有机化合物，结构复杂、性质稳定、存留时间长、和无机矿物颗粒密切结合在一起，是土壤有机质主体成分，占有机质总量的50～90%，基本上与盐基离子形成各种腐殖酸盐。中心为芳香核、连接了许多支链化合物的复杂结构（一）土壤有机质组成（二）土壤腐殖质分离与提取以上是依据腐殖酸类物质溶解性进行分类与提取请注意三大类腐殖组分，尤其是胡敏酸（HA）和富啡酸（FA）土壤用稀碱（NaOH）去除了动植物残体细土样溶液（腐殖酸）Humicacids黑色残余物(胡敏素）humin酸化（HCl）黄色溶液（富啡酸）Fulvicacid，FA褐色沉淀(胡敏酸)

humicacid，HA用乙醇溶解溶解吉玛多美朗酸碱溶后加电解质

NaCL沉淀灰色腐殖酸溶液棕色腐殖酸水浮选、手挑、静电吸附或采用比重1.8或2.0重液浮选（轻组）一般将土壤腐殖物质划分为三个组，但这些组分只是操作上的划分，而不是特定化学组分的划分。

1.胡敏酸（褐腐酸、HA）：碱可溶，水和酸不溶，颜色和分子量中等；

2.富啡酸（黄腐酸、富里酸、FA）：水、酸、碱都可溶，颜色最浅、分子量最低；

3.胡敏素（黑腐素）：水、酸、碱都不溶，颜色最深、分子量最高，但其中一部分能被热碱所提取。（二）土壤腐殖质分离与提取（三）土壤腐殖酸的性质1.腐殖酸的组成（1）腐殖酸的元素组成腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。腐殖质含碳约55～60％，所以，一般以腐殖质分子的平均含碳量58%作为有机碳和腐殖质的换算系数（1.724=100/58）。腐殖质含氮约3～6％，平均为5.6％，其C/N=10:1～12:1，且在不同的腐殖酸中均为：胡敏素>胡敏酸>富啡酸。腐殖酸C（%）H（%）（O+S）（%）N

（%）分子量胡敏酸富啡酸50~6045~533.1~5.34.0~4.831~4040~502.8~5.91.6~4.3890~2550675~1450我国土壤腐殖酸的元素组成（南京土壤研究所）（2）腐殖酸的化学结构分子结构非常复杂，有许多模式，但相对统一的认识是中心为芳香核（疏水性基团），周围有许多支链化合物（有许多功能团）成为网状结构特征。功能基团包含有：羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。这些基团成为腐殖质分子活性最强的部分，如带电性、吸附性、亲水性等。种类羧基酚羟基醇羟基醌基酮基甲氧基总酸度HA15-5721-572-491-261-53-867FA55-1123-5726-953-2012-273-12103腐殖质的含氧官能团含量（mmolM＋）.kg-1芳构化程度：表示腐殖酸分子中芳香环结构所占的比例。表示腐殖质的缩合度（三）土壤腐殖酸的性质（3）腐殖酸的分子形状：

多数人认为是网状多孔结构.现代用电子显微镜观察发现，腐殖质为非晶质物质，分子结构非常松散。大致呈无规则线状，其结构受pH、溶液电解质浓度的影响极大。

pH2-3纤维、纤维束状

pH4-7网状、海绵状

pH8-9页状

pH>10粒状HA的3D优化结构模型

（三）土壤腐殖酸的性质

2.腐殖酸的理化性质（1）颜色：腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，但不同组分其颜色不同，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富啡酸颜色较浅，呈淡黄色。腐殖质颜色主要由缩合度的大小和发色团的比例不同而引起。A4/A6比值或(E4/E6):

腐殖质在波长为465nm和665nm（或400nm和600nm)处的吸光值的比，是腐殖化程度的指标。（三）土壤腐殖酸的性质（2）溶解性：腐殖质是一种弱酸，可溶于碱溶液而生成腐殖酸盐。富啡酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱；富啡酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水；胡敏酸的一价盐溶于水，但二价、三价盐几乎不溶于水。（3）吸水性：是一种亲水胶体，

最大吸水量可以超过500%（三）土壤腐殖酸的性质（4）带电性：属于两性胶体。在酸性情况下带负电荷，碱性情况下带正电荷。电荷来源主要是腐殖酸分子羟基解离和胺基质子化。带电量为500～1200cmol/kg，随pH升高而升高。（三）土壤腐殖酸的性质（5）络合性：络合物的稳定性随pH值的升高而增大。在pH4.8时能与Fe、Al、Ca等离子形成可溶性络合物，但在中性或碱性条件下会产生沉淀。（三）土壤腐殖酸的性质在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于3个月，植物残体形成的新的有机质的半分解期为4.7-9年，而胡敏酸的平均停留时间为780-3000年，富啡酸的平均停留为200-630年。（6）稳定性：土壤有机质平均停留期（MRT）：土壤有机质各组分年龄的加权平均值。（三）土壤腐殖酸的性质

（一）提供植物需要的养分土壤有机质含有大量而全面的植物养分。

1.碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础；

2.氮素营养：土壤有机质中的氮素占土壤全氮的90-98%；

3.磷素营养：土壤有机质中的磷素占土壤全磷的20-50%；

4.其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素；

5.腐殖酸的络合和螯合，防止了某些金属如Cu、Zn沉淀，提高了有效性；

6.有机酸促进了矿物风化、溶解释放其养分。

有机物质是多元素的长效肥四、土壤有机质的作用有机质在土壤肥力上的作用（二）改善土壤肥力特性1、物理性质：①促进良好结构体形成(胶结剂---胡敏酸、多糖）②降低土壤粘结性、粘着性、胀缩性和可塑性，改善土壤耕性；③降低土壤砂性，提高保蓄性；④促进土壤升温。机理如下：进入土壤的植物组织具有一定的热量腐殖质黑色有利于吸热增温导热性较大土壤有机无机复合体示意图2、化学性质（1）影响土壤的表面性质（2）影响土壤的电荷性质–可变电荷（3）影响土壤保肥性（4）影响土壤的络合性质（5）影响土壤缓冲性（弱酸和弱酸盐）3、生物性质（1）土壤微生物活动所需能量的重要来源（2）影响根系的生长（3）影响植物的抗旱性(增强了细胞渗透性和刺激根系下扎）（4）影响植物的物质合成与运输不良作用：有机物质分解的中间产物如各种有机酸的毒害问题应当注意（一）有机质对重金属污染的影响

腐殖酸是重金属离子的络合剂。（二）有机质对农药等有机污染物的固定作用褐腐酸可使残留在土壤中的某些农药如D.D.T、三氮杂苯等溶解度增大，加速淋出土体。减少对农作物危害，（三）土壤有机质对全球碳平衡的影响

从全球来看，土壤有机质水平的不断下降，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。（四）对环境不良影响还原气体的产生CH4、H2S等有机质在生态环境上的作用1.生态平衡原则

在各种环境条件下，土壤有机质