第二章 土壤有机质.ppt

第二章土壤有机质 1 土壤有机质 土壤中所有含碳的有机物质 包括 动植物残体 微生物体及共分解合成的各种有机物质 2 有机质含量通常 5 矿物质比为 骨骼 有机质为 肌肉 附着在骨骼上 虽然数量少 但对土壤肥力作用非常大 3 对环境保护 全球碳平衡起重要作用 4 土壤有机物质包括 生命体 活微生物 非生命体我们这里主要介绍非生命体有机质及与之相关的生物过程 主要内容 第一节土壤有机质的来源 含量和组成第二节土壤有机质的矿化第三节土壤腐殖物质的形成和性质第四节土壤有机质的作用及管理 第一节土壤有机质的来源 含量和组成 一 土壤有机质的来源动 物植物残体 微生物体1 微生物体 原始土壤中土壤有机质的主要来源2 植物残体 主要有机质来源元素组成看C H O N占90 95 C大约占40 其它含有P K Ca Mg S Fe Mn B Zn Cu Mo Cl有机化合物包括碳水化合物 木质素 蛋白质 树脂 蜡质碳水化合物 单糖 纤维素 半纤维素易分解木质素 带环结构复杂化合物极难分解分解不彻底 存在于植物成熟组织 尤其本本组织中 蛋白质 含N6 由氨基酸连成 简单蛋白易分解 粗蛋白相对难分解 树脂 蜡质 比木质素简单 比碳水化合物复杂 3 动物残体数量少 其残体化学组成差异大脂肪 含N化合物较多 不含木质素 树脂等 第一节土壤有机质的来源 含量和组成 二 土壤有机质的含量1 土壤有机质含量差异较大 高可达20 30 以上 低小于0 5 2 有机质小于20 称矿质土壤 大于20 为有机质土壤 3 通常耕作土壤有机质含量小于5 未开垦土壤 植被生长好 有机质可达6 10 第一节土壤有机质的来源 含量和组成 三 土壤有机质的组成1 元素组成 C52 58 O34 39 H3 3 4 8 N3 7 4 1 其次P S2 土壤有机质有机化合物组成1 土壤腐殖质 除未分解和半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称 2 碳水化合物 增加土壤团聚体稳定性起重要作用 3 其它中 易分解有机质 为植物生长提供养分起重要作用 4 腐殖物质 土壤中在微生物及其酶作用下 新形成的一种暗色 含N 高分子芳香族化合物 为土壤有机质主体 稳定 难分解 土壤有机质 未分解 半分解动植物残体 微生物体 10 土壤腐殖质 90 非腐殖物质10 30 腐殖物质60 80 碳水化合物5 25 其它 氨基糖 蛋白质 氨基酸 脂肪 腊质 木质素 树脂 核酸 有机酸 约5 第一节土壤有机质的来源 含量和组成 三 土壤有机质的组成3 植物残体同土壤有机质的区别1 C N比下降 C分解释放CO2 N循环利用2 木质素 蛋白质含量增加 纤维素 半纤维素减少3 出现腐殖物质植物体中没有 第二节土壤有机质的矿化 一 土壤有机质的分解与合成循环 第二节土壤有机质的矿化 二 简单有机化合物矿化1 碳水化合物多糖水解单糖O2充足CO2 H2O 能量缺氧C6H12O6 C4H8O2 丁酸 2CO2 2H24H2 CO2 CH4 H2O2 含氮物质矿化蛋白质水解氨基酸脱氨基作用NH3氧化HNO2氧化HNO33 含P物质矿化核蛋白 核素 核酸 磷酸卵磷质 甘油磷酸脂 磷酸 第二节土壤有机质的矿化 二 简单有机化合物矿化4 含S物质矿化胱氨酸脱 HSH2SO2H2SO4缺O2H2S积累5 简单有机化合物分解难易顺序1 单糖 淀粉和简单蛋白质2 粗蛋白3 半纤维素4 纤纤维素5 脂肪 蜡质真菌作用下缓慢分解 可长时间保留土壤中6 木质素 真菌 放线菌作用下氧化脱水 后缓慢分解 分解不彻底 保留很多芳核结构 6 复杂有机化合物首先分解成简单有机化合物 再按上述过程分解 第一节土壤有机质的来源 含量和组成 三 植物残体的矿化分解植物残体包括 根 茎 叶 死亡组织有机化合物组成 可溶性有机化合物 糖 氨基酸 5 10 纤15 60 半纤10 30 蛋白质2 15 木质素5 30 组成差异对分解转化影响极大植物残体在土壤中分解可分两个阶段1 快分解阶段 主要是植物残体易分解组分 2 慢分解阶段 木质素 蜡质及第一阶段未矿化植物残体碳 这些植物残体难分解组分 4 植物残体进入土壤1年后2 3以CO2释放 1 3残留土壤中 土壤微生物生物量占3 8 多糖 有机酸等非腐殖物质占3 8 腐殖物质占10 30 第二节土壤有机质的矿化 四 土壤腐殖物质的分解转化稳定 分解极难1 分解转化分三个阶段1 物理化学作用或生物降解 芳核与其复合简单有机化合物分离 或整个复合体解体 2 简单化合物被矿化分解 酚类聚合物被氧化3 脂肪酸被分解 芳核重新参与腐殖物质形成2 难分解原因1 芳核为中心 复合其它有机物质 脂肪酸 蛋白质等 本身抵抗微生物分解能力很强 2 与粘土矿物形成有机无机复合体 增强其稳定性 3 年龄C14测定富里酸0 500年 胡敏酸1000 2500年 胡敏素 1000年 第二节土壤有机质的矿化 五 影响土壤有机质分解转化影响因素1 温度 2 土壤水分和通气状况3 土壤有机质组成1 植物残体的特性2 C N比3 木质素多 腐殖物质为主 有机质分解慢 4 土壤质地 质地细有机质多5 PH 细菌 多适宜PH6 5 7 5 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 一 形成1 腐殖化作用 土壤中腐殖物质的形成过程 是生物 生物化学 纯化学的过程 腐殖化系数 单位质量有机物质碳在土壤中分解一年后残留有机碳量 2 形成过程可分三阶段 1 植物残体分解产生简单有机碳化合物 2 微生物对这些有机化合物的代谢作用及反复循环 在这过程中产生酚 醌 氨基酸 类木质素 糖等物质 3 这些有机化合物聚合成为腐殖物质 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 一 形成3 形成途径4个假说途径1 糖和氨基酸经非酶性聚合作用途径2 3 盛行多元酚理论途径4 SelmanWaksman的经典理论 木质素 蛋白质理论木质素脱甲氧基和氧化类木质素 氨基酸缩合胡敏酸裂解富里酸 途径4可能淹水条件下起作用 途径2 3可能森林下起作用 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 二 土壤腐殖物质 粘土矿物复合体 土壤中形态 游离态 碱土金属盐 有机 无机复合体 1 52 98 与粘粒形成复合体 2 范德华力 氢键 静电吸附 阳离子键桥作用A 范德华力 分子引力 作用弱B 阳离子键桥作用 Al3 Fe3 Ca2 等多价阳离子作用C 带相反电荷 可直接产生静电吸附D 氢键 H 与N O之间的作用 三 土壤腐殖物质分组1 胡敏素 在腐殖物质中 水 酸 碱都不溶 颜色最深 分子量最高的组分 2 胡敏酸 碱可溶 水 酸不溶 颜色和分子量中等组分 3 富里酸 水 酸 碱都可溶 颜色最浅 分子量最低组分 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 四 土壤腐殖酸的性质 一 物理性质1 分子量 不同土壤 同种土壤不同测定方法测定结果差异较大 大多在几百 几百万之间 胡敏酸大 富里酸小 我国 富675 1450 胡890 2550 2 可能为短棒形 颗粒小 内部很多交联 非晶质 表面积大 2000m2 g3 亲水胶体 吸水分强 吸水达500 4 颜色 整体黑色 富里酸浅 黄至棕红 胡敏酸深 棕黑至黑 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 四 土壤腐殖酸的性质 二 化学性质1 元素组成 CHONSP及CaMgKFeSi等灰分元素C55 60 平均58 N3 6 平均5 6 C N10 12 12 分子结构特征 分子结构模型提出很多 差异较大 总体来说1 由脂肪族和芳香族结构组成高分子化合物 2 胡敏酸中 芳香族比例比富大3 含有多种功能团1 含氧酸性功能团羧基 R C00H 酚羟基2 碱性功能团氨基 CH2 NH2 酰胺 RCOO NH R 3 中性功能团 羟 醚 酮 醛 脂键4 两性胶体 通常PH条件下 带负电荷CEC500 1200cmol kg 40 80cmol L5 可与金属离子形成螯合物 与无机胶体形成有机 无机复合胶体 第四节土壤有机质的作用及管理 一 有机质在土壤肥力上的作用 数量少 作用大 肥力指标 1 提供植物生长需要的养分 为土壤微生物 土壤动物活动提供养分和能量 有机质中N占80 P20 76 S占全S75 95 含CaMg及微量元素 矿化分解后释放出来 同时是微生物活动物质能量来源 2 改善土壤物理性质1 其粘结力比砂土强 比粘土弱 从而避免砂土松散结构状态 和避免粘土形成坚韧大块 2 促进团粒结构形成 使土壤透水性 蓄水性 通气性及根系生长环境有良好改善 3 改善土壤有效持水量 1份吸5份水4 改善土壤热量状况 颜色深 吸热多 第四节土壤有机质的作用及管理 一 有机质在土壤肥力上的作用3 调节土壤化学性质1 增强土壤保肥能力 比矿质胶体大20 30倍2 提高土壤中磷和微量元素的有效性 减轻Al3 毒害作用 3 提高土壤对酸碱缓冲能力 4 促进岩石矿物风化 养分释放 微酸性加之微生物活动 5 提高土壤酶活性 刺激微生物 动物活动 4 腐殖酸是一类生理活性物质 能加速种子发 增强根系活力 促进作物生长 第四节土壤有机质的作用及管理 二 有机质在生态环境上的作用1 降低土壤中重金属离子的浓度1 螯合作用 NH2 COOH OH 2 吸附作用 带负电荷 暂时3 还原作用 Cr6 Cr3 具有两面性 有时可增加重金属离子浓度 如H 小分子有机物 第四节土壤有机质的作用及管理 二 有机质在生态环境上的作用2 固定农药等有机污染物1 可与有机污染物结合 使之失去作用 2 作为还原剂改变其结构 使之失去作用 3 影响全球C平衡有机质生物分解产生CO26 8 1016g a燃烧释放CO26 1015g a增加土壤有机质或避免土壤有机质下降 可减轻温高效应 第四节土壤有机质的作用及管理 三 土壤有机质管理1 垦后土壤有机质下降0 20年 有机质含量迅速下降 20