第二章 土壤有机质.ppt

1、第二章 土壤有机质,土壤有机质（soil organic matter，SOM，O.M）是土壤固相的重要组成部分。不同土壤的有机质含量有很大的差别。 一般来说，土壤有机质的含量与矿质部分相比都不多，但对土壤的物理性质、化学性质、生 物学性质以及肥力状况都有重要的影响。,有机质的存在形态： 动植物残体 半分解的动植物残体 腐殖物质,第一节 土壤有机质的来源 含量及组成,一、土壤有机质的概念 土壤有机质的概念有广义和狭义之分。 广义的土壤有机质概念，指的是土壤中除矿质部分以外所有的有机部分，如各种动植物残体，各种微生物及其代谢产物，植物根系的分泌物，以及这些物料分解以后，形成的腐殖质。,狭义的土壤

2、有机质，主要指的是土壤中的腐殖质。从这个意义上说，有机质的定义是： 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。,这两个概念，有时不加区别地混用，有时含义不尽相同。 当人们说土壤有机质含量时，通常指的是前一种，即各种有机物的总量，但在分析有机质含量时，处理土样的过程中，往往要尽可能除去看得见的植物残体。,当人们提到有机质对土壤肥力的作用时，指 的是其中的腐殖质。 腐殖质一词的含义较窄，通常只有专业人员 才用，而有机质是个通俗的名词。,二、土壤有机质的来源 在成土过程中，最早出现在母质中的有机质是微生物及其残体。 随着成土过程的进行，动植物残体加入到土壤中去，成为

3、土壤有机质最广泛的来源，尤其是植物残体起到了决定性的作用。,各种植物的残体对土壤有机质含量的贡献是不一样的。森林植物主要以枯枝落叶的形式向土壤中补充有机质，枯死的根系很少，有机质多集中在表层010cm以内，每年加入有机质46吨/公顷。 , 草本植物则将根系和茎叶同时留给土壤，地上部为26吨/公顷，而地下部可达311吨/公顷。 一般草本植物 木本植物。,当人类有意识地干预土壤肥力的过程开始以后，动物的粪便成为土壤中有机质的重要来源。,随着社会的不断进步、变化，工业废水中的有机质加入了土壤，城市废弃物进入了土壤，草炭、风化煤制品也加盟进来。近年来，甚至有“洋垃圾”进口，其中也含有五花八门的有机成分

4、。,三、土壤有机质的含量 （一）土壤有机质的含量表示方法 有机质的含量通常用“%”来表示，近年来，有人开始用“g/kg” 表示。,三、土壤有机质的含量 （一）土壤有机质的含量表示方法 国外往往习惯用土壤有机C%表示。有机质平均含碳58%，有机C%乘以1.724，即为土壤有机质% 。,（二）土壤有机质含量的变化范围 有机质的含量在不同土壤中差异很大，高的可达30%以上，低的不足0.5%。 表层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土壤，含有机质20%以下的土壤，称为矿质土壤。,全国土壤有机质含量大致范围,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,珠江三角洲平原,2-1,（三）决定土壤有机质含量的因素

5、 进入土壤的有机物质数量 土壤有机质损失的数量,（四）影响土壤有机质含量的因素 1、植被 草本 木本；草甸 草原 阔叶 针叶；常绿 落叶 2、气候 潮湿、寒冷有利于积累；干燥炎热有利 于分解。,3、地形 地势低洼处，土壤有机质含量高。 4、母质 母质质地粘重，有利于有机质积累。,四、土壤有机质的组成 1、碳水化合物和有机酸 ( carbon hydrate and organic acids ) 葡萄糖、淀粉、酒石酸、柠檬酸、草酸、各种氨基酸，其中部分是植物根系分泌到土壤中的，有的是植物残体的分解产物。 其特点是，不稳定，不断加入，不断转化，分解消失。,2、纤维素和半纤维素 ( cellulo

6、se and hemicellulose ) 这是有机残余物中含量最多的一种，其化学成分相当复杂，分子式可用(C6H10O5)n表示，n的数目大约为510,000。 在浓酸、浓碱作用下, 会变成葡萄糖，在微生物作用下比较容易分解。,3、脂肪、蜡质和树脂 ( fat, wax and resin ) 不溶于水而溶于酒精及苯等有机溶剂中，性质比较稳定，不易遭受化学分解和生物分解。,4、 丹宁 ( tannin ) 主要是多元酚的衍生物，易溶于水，氧化后呈棕色。与蛋白质结合成不溶性的、不易分解的稳定化合物。,5、木质素 ( lignin ) 是化学构造上更复杂的一类高分子化合物，抵抗化学作用和微生物

7、分解的能力更强。,6、含氮化合物 ( nitrogenous substances ) 主要是蛋白质及其衍生物，蛋白质含氮平均为16%，含硫0.32.4%，含磷0.8%。 大部分蛋白质不溶于水，在碱液中形成胶体溶液。各种蛋白质均易被微生物分解成各种氨基酸。,7、土壤腐殖质 ( humus ) 主要包括胡敏酸类和富里酸类。一般土壤有机质中，腐殖质占8590%以上，而普通有机化合物只占1015%，尽管这一比例有时会更大一些，但腐殖质总是土壤有机质的主要部分。,第二节 土壤中有机物 料的分解,进入土壤中的各种有机物料，无论是动植物残体，还是施入的有机肥料，在土壤中，都要产生一系列的变化。 这些变化可

8、以归纳为两个方面，即分解作用和合成作用。,参与有机物料分解的因素有： 1、土壤动物的作用，使有机物料变得更细 碎，与微生物掺混更充分。 2、微生物及其分泌的酶的作用，这是有机 物料分解的主要因素。 3、各种人为活动，耕作、施肥、灌水和其 他栽培管理措施等。,这些因素之间相互配合，相互促进，分解的最后结果，是把各种复杂的有机化合物变成简单化合物，最后变成矿质养料。,土壤中的有机质，在微生物及其分泌的酶的作用下，分解为简单化合物，同时释放出矿质养料的过程叫作矿质化过程（mineralization）。,影响土壤微生物分解有机物料的环境条件 包括很多方面，如土壤的温度、湿度、通气状 况和pH等。,如

9、果环境良好，微生物活动旺盛，分解过 程快并且彻底，大部分的有机质都分解为CO2、 H2O，并释放出N、P、S 的矿质盐类和能量。,如果环境不适宜，通气不好，或土壤湿度过高，微生物活动受阻，分解作用既慢又不彻底，并且产生一些中间产物，如CH4、PH3、H2，释放的养料和能量少。,一、糖类的分解 包括单糖类、淀粉、纤维素和半纤维素。 通气良好： C6H12O6 + O2 CO2 +H2O + 能量 通气不良： C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + CO2 + H2 ,淀粉、纤维素及半纤维素，在淀粉分解酶 和纤维素分解酶的作用下，先形成单糖，然后 再进一步分解。,二、树脂、蜡质、丹宁的分解

10、 这些化合物很难分解，分解的速度慢 且不彻底。 , 三、脂肪的分解 在脂肪水解酶的作用下水解，再进一 步分解。,四、木质素的分解 不同种类植物的木质素，其化学组成和结构并不完全相同，但共同的特点是，都含有芳香核。 木质素是各类有机化合物中最难分解的，不仅自身不易分解，而且会影响蛋白质、多糖类的分解。 ,在好气条件下，它主要通过真菌和放线菌的作用，先氧化和脱水，再缓慢地降解。 在厌气条件下分解缓慢。,五、含氮化合物的分解 土壤中含氮物质主要是蛋白质和缩氨酸，属于容易分解的有机化合物，分解过程如下： 1、水解过程（hydrolysis, hydrolytic decomposition）： 蛋白质

11、分解蛋白质消化蛋白质多胺酸氨基酸。,2、氨化过程 ( ammonification ) 氨基酸在脱氨基酶作用下，释放出氨的过程叫氨化过程，或氨化作用。 这种作用可通过多种途径进行。,1）水解脱氨： RCH(NH2)COOH + H2O RCHOHCOOH+NH3 2）还原脱氨： RCH(NH2)COOH + H2 RC H2 COOH+NH3 3）氧化脱氨： RCH(NH2)COOH + O2 RCOOH+NH3 ,不论是在好气或厌气条件下，氨基酸都能进行氨化作用释放出氨，NH3与土壤中的H+形成NH4+，可被植物吸收利用。NH4+N 是土壤有效氮的形态之一。,3、硝化作用( nitrific

12、ation ) 氨在通气良好的条件下，被氧化成硝酸的过程，叫硝化作用。 NH3+ O2 HNO2 + H2O + 能量 2HNO2 + O2 2HNO3 + 能量,硝酸细菌,亚硝酸细菌,生成的硝酸与土壤中的盐基作用，形成硝酸盐。NO3-N是作物可利用氮素的另一种形态，是旱地中有效氮的主要存在方式。,有的蛋白质除含氮外，还含有S、P等植物营养元素。在通气良好的条件下，通过微生物的作用，可分别氧化成SO4=和H2PO4-、HPO4=，这两种形态是对植物有效的形态。 在厌气条件下，能形成一些有毒或有害的物质。,第三节 影响土壤中有机质 转化的因素 , 土壤中的有机物料在分解过程中，有一部 分彻底分解

13、，变为最简单的化合物，同时释放 出能量，其余的部分则通过腐殖化过程，转变 为腐殖酸。,加入土壤中的有机物料，经过微生物的分 解，在一定条件下，在数量上和质量上，大体 上可以达到相对稳定的状态，不再随时间的推 移而产生较大的变动，这种稳定状态是有机质 大体完成了腐殖化过程的标志。,有机碳的转化过程和强度，因土壤条件而异，在一定条件下，有机碳的分解和周转，有一定的 数量比例关系。 腐殖化系数（humification coefficient)： 单位重量的有机碳, 在土壤中分解一年后残 留的碳量。,各种有机物料的腐殖化系数是不同的， 旱地和水田中，同一有机物料的腐殖化系 数也不相同，不同的气候条件

14、和地形条件， 对腐殖化系数也有影响。,表2-2,一、土壤水分和通气状况 1、土壤水分适宜，通气状况良好 此时土壤中好气微生物活动十分活跃，有机质进行好气性分解，其特点是分解速度快，分解完全彻底，中间产物很少积累，释放的矿质养料多，呈氧化状态。, 这种土壤条件有利于植物营养，无毒害影 响，但不利于土壤有机质的保存和积累。 ,2、土壤水分过多，通气状况不良 好气性微生物活动受阻，而厌气微生物活动旺盛，有机质由厌气微生物分解。 , 分解速度慢，不彻底，并且产生一些中间 产物如CH4、H2S、H2等，还有一部分变成有 机酸，如乙酸、丙酸、丁酸。 这些中间产物对作物有毒害作用，释放的养料多是还原状态如P

15、H3、H2S。 , 这种条件有利于有机质的保存和积累，在低洼过湿的土壤中，常常有这种情况出现，并可相当稳定地存在。,3、土壤水分含量极低，通气性好 这种条件下，有机质分解缓慢，极端的例子是风干土，含水量只有百分之几，各种生物活动几乎停止，当然有机质的矿化也近于停止。 保存土样通常都是呈风干状态。,4、土壤水分含量低，通气性也不好 土壤压实后又干燥，即是这种条件，有机质转化也相当缓慢。,二、土壤温度 第一，对微生物的影响。土壤微生物最适宜的温度是2535，在此温度范围内，微生物活动剧烈，有机质分解快，高于或低于此温度范围，都受到影响。,第二，对土壤内有机质的纯化学反应的影 响。当温度增加时，土壤

16、内的化学反应速度加 快，当土壤温度增加到50，一般微生物的活 动受到抑制，主要进行纯化学反应。,土壤温度主要受气候条件的影响，我 省从北向南温度逐渐升高，因而同一土壤 类型的有机质含量从北向南降低。 另一个因素是地形，低洼地土温低， 有机质积累量大。,三、土壤的酸碱度 一般土壤微生物的最适pH范围，都在微酸性微碱性，pH过高或偏低，都不利于微生物的活动。,真菌适宜的pH范围在36之间，此时合成的腐殖质主要是酸性较强的富里酸，进一步增加土壤酸度(南方土壤)。,pH在7.58.5之间，适于细菌和放线菌活动，产生胡敏酸型的腐殖质，我国北方的土壤基本属于这种情况。,四、有机物料的物理状态 新鲜多汁的有

17、机物料比干枯少水的秸秆容易分解。 细碎的有机物料，由于增加了与土壤的接触面积，矿化速度比未粉碎的大块有机物料快。,五、有机物料的C/N比 ( C/N ratio ) C/N是有机物料中，总碳量与总氮量之比。 有机质内的C是微生物能量的源泉，也是构成细胞组织的主要成分，N素是构成细胞的要素之一，所以，C/N的大小，直接影响微生物的活动，从而影响到微生物对有机质的分解速度。,对微生物来说，每增加一定数量的体细 胞，即增加自身群体的生物量，必须按一定 的比例，从有机质中获得C和N。,如果有机质的C/N大，也就是N素不足，则微生物就要摄取土壤中的有效态N ，造成微生物与植物争夺有效N的现象。,所谓施入

18、未腐熟的有机物“烧苗”，并非真的是土壤温度过高，而是微生物占用了大量的有效N，而使土壤速效N供应不足。 虽然， 这部分N最后还会释放出来，但已影响了作物的正常生长。,鲜嫩的植物遗体或豆科植物的C/N为2030 : 1，禾本科的秸秆可达80 : 1，其他有机物料为40 : 1左右。 微生物每消耗2530份的碳，需要1份氮。如果施入的有机物C/N高于2530 : 1，则有可能产生微生物与植物争氮的现象。,表 2-3 一些有机物料碳氮含量及C/N,为了加速植物残体分解，防止作物缺氮，在施用秸秆时，要施用一定量的速效氮肥，以避免或减轻烧苗现象。,需要注意的是，无论有机物料的C/N如何，在被翻入土壤后，

19、经过相当的时间，其C/N都会稳定于一定的数值，也就是在分解的过程中，损失掉相当一部分的碳，缩小了C/N。,第四节 土壤腐殖质 的形成 ,腐殖化过程 ( Humification ) 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有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。 土壤腐殖质的形成过程称为腐殖化过程。 ,腐殖化过程是一个非常复杂的过程，其中起主导作用的，是由微生物和酶推动的生物化学过程，也可能包含一些纯化学的过程。 腐殖化过程的详细情况现还不十分清楚，有待于进一步的研究。,一、形成原始材料 进入土壤的有机残体，通过微生物作用，有些成分被矿化

20、，彻底分解掉了。另一些成分，由于结构稳定，往往只是部分降解，而保留原来结构中的某些片断。,木质素的降解产物中，常常保留芳核结 构，连同某些取代基，如-OCH3、 -COOH、 -OH等，另一些有机物分解时，会遗留下多 元酚类，这些酚类又可以氧化成为醌类。 , 有机质中的含氮化合物，降解后产生 的各种肽类、氨基酸等含氮化合物，也是 土壤中腐殖质形成的原始材料。,二、微生物转化原始材料 对于第一步形成的原始材料，微生物会继续加以改造，例如利用纤维素，合成多元酚化合物，木质素在微生物的作用下，经过一系列的脱甲氧基和氧化过程，形成类木质素。,三、土壤腐殖质合成 在第一、第二阶段形成原始材料的基础上，在

21、微生物和各种酶的作用下，或经过某些纯化学的反应过程，就形成了腐殖酸单体分子。,土壤腐殖质的形成，可归纳为4条途径： 1、糖和氨基化合物经非酶的聚合作用，形成棕色的含氮聚合物，即腐殖质； 2、由微生物作用，从非木质素碳源合成醌类 物质，再与氨基化合物缩合；,3、由植物残体分解形成木质素醌类，再与氨基化合物缩合； 4、木质素与氨基化合物生成腐殖酸。,应该注意，在途径3中，首先形成富里酸，进一步形成胡敏酸和胡敏素。而在途径4中，是先形成胡敏酸，胡敏酸再破裂，形成胡敏素。,在解释腐殖质的形成过程时，尽管多酚理论（途径2和3）为大多数人所接受，然而4条途径都可能在土壤中存在，但各自所占比重不同。 途径4

22、在排水不良的土壤中可能比较重要，而多元酚途径在森林土壤中可能占主导地位。,即使是在同一种土壤中，腐殖质的形 成过程也可以有不同的机制。,图 2-2 有机质的分解与合成示意图,关于腐殖质形成，还有其他一些不同的观点： 1、由于多肽类和糖类对聚合物的连接很不 紧密，容易水解分离，有人认为应该看 作吸附，不 应该看作腐殖酸的成分。 ,2、有人认为，上述腐殖质形成的一系列反应， 很可能是在死亡不久的细胞内发生的，当 死亡细胞的壁膜分解或破裂后，就把这些 新形成的腐殖酸分子释放到土壤中去，并 和粘粒进行复合。,3、有人认为在纯化学反应中，粘土矿物 可能起重要的催化作用。 ,4、最近的大量研究表明，在一般

23、土壤中， 腐殖质不是从木质素和蛋白质形成的， 换句话说，腐殖质合成所需的醌型化合 物不一定来自木质素，其他来源也可以， 木质素只是其来源之一。,第五节 土壤腐殖质的性质 ,一、土壤腐殖质的分离提取 提取土壤中的腐殖质，要注意三个方面的问题： 1、要保证提取得完全。腐殖酸通常和土壤的矿物质部分结合得非常紧密，形成牢固的复合体，不易分离，因此有可能提取不充分。,土壤有机无机复合体示意图,2、腐殖酸与其他土壤有机成分很难截然分开， 在选取溶剂上应特别注意，尽量少掺入其它 部分。 ,3、在提取时，条件剧烈会导致腐殖质分子发 生变化。因此，要注意提取条件，不能过 于 激烈，又要提取得完全。,腐殖质分组方

24、法,上图是一种最简单的划分方法，其中各个 组分都可以进一步分离。需要注意的是，腐殖 酸的主要组成是富里酸和胡敏酸，这两个名词 比黄腐酸和褐腐酸用得普遍，二者之和占腐殖 酸总量的60%左右，在一般土壤中，大部分以 金属盐的形态存在。,二、腐殖酸的化学成分 腐殖酸主要由C、H、O、N、P、S等元素组 成，另外，还含有Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Si 等灰分元素。 由于土壤类型不同，组成腐殖酸的种类不同， 即胡/富比例不同，其组成元素也有差别。,三、腐殖酸中的含氧功能团和电性 腐殖酸中有许多重要的功能团，如羧基、酚羟基、羰基、甲氧基，也可能有醌基和醇羟基。,腐殖酸所表现出的种种活性，如离子交换，对

25、金属离子的络合能力、氧化一还原性以及生理活性等，都和这些活性基团有关。而所有这些性质，都和腐殖酸的电性有关。,腐殖酸是两性胶体，在它们的表面，即带正电，也带负电，而以带负电为主。 电荷的来源，主要是分子表面的多种基团的解离或质子化。,由于这些基团的解离和质子化的程度随周围环境pH值的变化而变化，这些电荷的数量也随着土壤pH的变化而变化，所以叫可变电荷。,四、腐殖酸的主要性质 (一) 腐殖酸的分子结构特征 1、腐殖酸的分子量 不是一个确定的数值，总的特点是胡敏酸大于富里酸，不同土壤中测得的结果不同。,2、腐殖酸分子的形状 各个研究者报道也不相同，有人说是球形的，有的研究者认为是棒状的，有的认为两

26、种形状都有。还有人认为腐殖酸分子的形状与土壤条件有关。,土壤 pH值 腐殖质分子形状 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状,3、腐殖酸的分子结构 不紧密，整个分子表现出非晶质特征。,(二) 溶解度 胡敏酸不溶于水，但它的一价盐类可溶于水，而与二价以上阳离子的盐类，溶解度很低。富里酸有很大的水溶性，其溶液的酸性也较强，它的一价、二价盐类都能溶于水。 ,腐殖酸具有一定的络合能力，可与铁、铝、 铜、锌等金属离子形成络合物，一般认为主要是 由羧基和酚羟基起作用。络合物的稳定性一般随 H+浓度的升高而增大，随离子强度的增大而降低。,(三) 颜色 腐殖质的整体颜色呈黑色，

27、而不同的组分颜色并不相同，主要原因是各组分的分子量大小和发色基团组成比例不同。 一般来说，腐殖酸的分子量越大，芳构化程度越高，颜色越深。 ,在农业生产实践中，同一土壤类型，有机质含量越高，颜色越深，可在一定程度上，反应肥力水平。 土壤温度与土壤颜色有关。,(四) 吸水性 腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能 力，最大吸水量可以超过500%，从饱和大气中吸 收的水份重量可达自身重的一倍以上，这比一般 矿质胶体要大得多。 这对土壤的物理性质有较大影响。,（五）稳定性 腐殖质不同于一般的动植物有机残体，它的 化学稳定性很强，对微生物的分解有很强的抵抗 力，分解周转的时间较长。,在温带条件下，一般植物

28、残体的半分解期少于三个月，前一年残留的作物根茬，一般经过一个夏季，基本腐解完毕，而胡敏酸的平均存留时间可达数千年，富里酸也可达数百年，腐殖质的这个性质非常宝贵。,第六节 有机质在土壤肥力 中的作用,一、提供作物所需养分 1、直接的作用 有机质通过矿化作用，释放出各种养料供植物生长，其中主要的是N、P、S，也包括其他一些营养元素，几乎包括了作物所需的所有元素。,2、间接的作用 土壤有机质分解时，产生多种有机酸，腐殖酸本身也是有机酸，它们一方面增加了土壤中矿质部分的溶解，提供土壤养分，另一方面，还通过络合作用，增加养分的有效性。,二、为土壤动物和微生物提供能源 土壤中有大量的小动物和微生物，这些小动 物和微生物对土壤的物理性质、化学性质和生物 化学性质有重要的影响，对土壤肥力及其演变有 重要作用。,三、增强土壤的保肥性能 腐殖质是有机胶体，带有正负两种电荷，可 吸附阴阳离子，使得这些养