03 第三章 土壤有机质.ppt

第三章土壤有机质 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 土壤有机质的生态功能 土壤有机质的环境功能 土壤有机质含量的调节 主要内容 重点 教学目标与要求 教学方式与手段 课时安排与进度 了解土壤生物的种类及其特性 了解土壤有机质的概念及其来源 掌握土壤有机质的矿质化和腐殖化过程 理解土壤有机质在肥力上的作用 并了解土壤有机质在CO2固定方面的重要角色 自学 幻灯演示 提问解答 举例分析 课时数 2学时 1 土壤生物2 土壤有机质的来源 含量与组成3 土壤有机质的转化4 土壤有机质的作用 土壤生物与土壤有机质 soilorganicmatter 概念 土壤生物 soilorganisms 土壤有机质是土壤中的各种动植物残体 在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物 概念 土壤有机质 soilorganicmatter 土壤有机质是土壤中的各种动植物残体 在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物 土壤有机质 0 5 5 0 5 2 0 7 第一节土壤生物 快速阅读教材第3章 土壤生物 p77 93 回答下列问题 1 土壤生物包括 和等 2 在pH 4 0时能很好发育的土壤微生物是 能在风化母岩生长并积累有机质的是 a 细菌b 真菌c 藻类d 放线菌3 何谓根际效应 4 当C N介于之间时 利于土壤有机物的分解和转化 一 土壤有机质的来源与组成 植物残体 动物 微生物残体 动物 植物 微生物的排泄物和分泌物 人为施入土壤中的各种有机肥料 第二节土壤有机质 1土壤有机质的来源 2 土壤有机质的含量 不同类型土壤中含量差异很大 可小于1 或者大于20 根据耕作层中有机质含量 可将土壤分为 有机质土壤 20 矿质土壤 20 土壤有机质的来源和组成 2 有机质的组成 化学元素组成土壤有机质的基本元素组成是C H O N C N比大约在10 12之间 2 有机质的组成 2 化合物组成可分为 腐殖物质 HumicSubstance 非腐殖物质 Non HumicSubstance 土壤有机质的来源和组成 碳水化合物 木质素 含氮化合物 树脂 蜡质 脂肪 单宁 灰分物质 占有机质总量的15 27 包括糖类 纤维素 半纤维素 果胶质 甲壳质等 木质部的主要组成部分 是一种芳香族的聚合物 主要是蛋白质 2 有机质的组成 3 存在形态 动 植物残体半分解的动 植物残体腐植物质 二 土壤有机质的转化 1矿质化过程 土壤有机质在微生物作用下 分解为简单的无机化合物二氧化碳 水 氨和矿质养分 磷 硫 钾 钙 镁等简单化合物或离子 同时释放出能量的过程 化学的转化过程动物的转化过程和微生物的转化过程 土壤有机质的转化 定义 分为 1 化学的转化过程 水的淋溶作用 降水可将土壤有机质中可溶性的物质洗出 这些物质包括简单的糖 有机酸及其盐类 氨基酸 蛋白质及无机盐等 酶的作用 酶在土壤有机质转化过程中起着巨大作用 几乎大部分的生物转化过程都是在酶的作用下完成的 土壤有机质的转化 2 动物的转化过程 从原生动物到脊椎动物 大多数以植物及植物残体为食 在森林土壤中 生活着大量的各类动物 如温带针阔混交林下每公顷蚯蚓可达258万条等 可见活动物对有机质的转化起着极为重要的作用 机械的转化 土壤有机质的转化 经过动物吞食的有机物 植物残体 未被动物吸收部分 经过肠道 以排泄物或粪便的形式排到体外 已经经过动物体内分解或半分解 动物将植物或残体碎解 或将植物残体进行机械的搬进及与土粒混合 均可促进有机物被微生物分解 化学的转化 3 微生物的转化过程 是土壤有机质转化最重要的最积极的过程 有多种酶参与了催化 不含氮的有机物的转化 含氮有机物的转化 含磷有机物的转化 含硫有机物的转化 土壤有机质的转化 1 不含氮的有机物的转化 主要是碳水化合物 如糖类 纤维类 半纤维类 脂肪和木质素等 好气条件下 生成简单的有机酸 醇 酮类 最后完全分解成CO2和水 同时释放热量 通气不良条件下 形成有机酸类中间产物 最后产生甲烷 氢气等还原性物质 土壤有机质的转化 2 含氮有机物的转化 土壤中含氮有机物可分为两种类型 一是蛋白质类型 如各种类型的蛋白质 二是非蛋白质型 如几丁质 尿素和叶绿素等 土壤中含氮的有机物在土壤微生物作用下 最终分解为无机态氮 NH4 N和NO3 N 水解过程 蛋白质 多肽 氨基酸 氨化过程 氨基酸分解产生NH3 硝化过程 反硝化过程 NH3氧化生成硝酸 硝态氮还原成气态氨的过程 土壤有机质的转化 3 含磷有机物的转化 土壤中表层有26 50 是以有机磷状态存在 主要有核蛋白 核酸 磷脂 核素等 这些物质在多种腐生性微生物作用下 分解的最终产物为正磷酸及其盐类 可供植物吸收利用 但在嫌气条件下 很多嫌气性土壤微生物能引起磷酸还原作用 产生亚磷酸 并进一步还原成磷化氢 土壤有机质的转化 4 含硫有机物的转化 土壤中含硫的有机化合物如含硫蛋白质 胱氨酸等 经微生物的腐解作用产生硫化氢 通气良好的条件下 进一步氧化成硫酸 和土壤中的盐基离子生成硫酸盐 土壤有机质的转化 有机残体 降解 CO2 2 3以上 残留土壤部分 土壤微生物量 多糖类 有机酸类等非腐殖质物质 腐殖质 3 8 10 30 3 8 土壤有机质的转化 2腐殖化过程 土壤有机质在微生物作用下 把有机质分解产生的简单有机化合物及中间产物转化成更复杂的 稳定的 特殊的高分子有机化合物 腐殖质的过程 分两个阶段1产生构成腐殖质基本组成的原始材料 简单有机物 2合成阶段多元酚 氧化 醌 氨基酸或肽 酶 腐殖质 定义 土壤有机质的转化 形成机理 30年代 木质素和微生物原生质中的蛋白质相互作用形成木质素 蛋白质复合体 60年代 木质素不能参与腐殖质的形成 而是通过降解产生酚 醌型化合物 再与氨基酸缩合而成 80年代及以后 细胞自溶假说 死亡细胞释放自溶酶 使细胞成分 糖 氨基酸 酚和其他芳香族化合物 形成自由基而迅速缩合成腐殖质 微生物合成学说 微生物利用植物物质作碳源和能源 在细胞内合成各种腐殖质的高分子化合物 微生物死亡后再释放到土壤中 在细胞外降解为腐殖质 3影响土壤有机质转化的因素 有机质是土壤中最活跃的物质组成 一方面 外来有机物质不断地输入土壤 并经微生物的分解和转化形成新的腐殖质 另一方面 土壤原有有机质不断地被分解和矿化 离开土壤 进入土壤的有机物质与有机碳从土壤中损失之间的平衡决定了土壤有机质的含量 凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的分解和转化 土壤有机质的转化 1 温度 微生物活动响应于温度变化 0 无分解 0 35 分解随温度而加强 每升温10 分解速率提高2 3倍 25 35 最适分解温度 土壤有机质的转化 土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的 土壤中微生物的活动需要适宜的土壤含水量 但过多的水分导致进入土壤的氧气减少 从而改变土壤有机物质的分解过程和产物 土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响 2 土壤水分与通气状况 土壤有机质的转化 新鲜多汁的有机物质比干枯秸秆易于分解有机物质的细碎程度有机物质组成的碳氮比 C N 对微生物来说 同化1份氮到体内 必须相应需要约24份的碳 3 植物残体的特性 土壤有机质的转化 土壤质地在局部范围内影响土壤有机质的含量土壤有机质的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关 腐殖质与粘粒胶体结合形成的粘粒一腐殖质复合体 可防止有机质遭受分解 免受微生物的破坏 土壤pH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其最适宜于活动的pH范围 pH过低 8 5 对一般的微生物都不大适宜 4 土壤特性 土壤有机质的转化 三土壤腐殖物质 1土壤腐殖质的分组 土壤腐殖质 土壤腐殖质组分及其分离过程图式 胡敏素 胡敏酸 富里酸 失去水溶性和碱溶性 不溶于酸 溶于酸 腐殖酸占腐殖酸总量的60 左右 土壤腐殖质 2土壤腐殖质的存在状态 游离态腐殖质 结合态腐殖质 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 与含水三氧化物如Al2O3 XH2O Fe2O3 yH2O化合成凝胶体 与土壤黏粒结合成有机无机复合体 土壤腐殖质 52 98 土壤有机无机复合体示意图 3土壤腐殖酸的性质 1 颜色 整体呈黑色或黑褐色 富里酸呈淡黄色 胡敏酸为褐色 2 溶解性 富里酸溶于水 酸 碱 胡敏酸不溶于水和酸 但溶于碱 土壤腐殖质 3 元素组成 C H N O P S 其次Fe Ca Mg Si C H O S N 胡敏酸50 622 8 6 631 402 0 6 0富里酸45 485 643 481 5 总体来说 一般腐殖质平均含碳为58 氮5 6 其C N比为10 1 12 1 土壤腐殖质 我国主要土壤表土中腐殖物质的元素组成 无灰干基 土壤腐殖质 分子量 4 分子结构特性 腐殖质分子中心是一个稠环或类似稠环的芳香核 可借共价键 离子键或氢键 与下述分子中的数种结合 1 多糖 2 多肽 3 酚类醌 4 金属离子 5 有机酚类 是一种高分子聚合物 球形或棒状 非晶质 比表面积大 H n 10000F n 100 n 1000 分子外形 分子结构 土壤腐殖质 5 电性 腐殖质是两性胶体 但以负电荷为主 负电荷来源于COOH C O OCH3OH其中羧基是最重要的功能基团 腐殖质的总酸度通常是指羧基和酚羟基的总和 总酸度以胡敏素 胡敏酸和富里酸的次序增加 土壤腐殖质 6 吸水性 腐殖质是一种亲水胶体 有强大的吸水能力 最大吸水度最大吸水度达500 在湿度饱和的空气中 其湿度为200 强大的吸水性使土壤具有较强的持水供水能力 土壤腐殖质 7 稳定性 抵抗微生物分解能力很强 分解周转所需时间短的10年 长的几百年 刚形成的腐殖质半衰期4 7 9年 其稳定性与团粒结构的稳定性有关 不同土壤的腐殖质其稳定性差异很大 一般自然土壤大于耕地土壤 土壤腐殖质 4腐殖质的变异性 HA FA值 表示胡敏酸与富里酸含量的比值 是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一 HA FA的比值为何可以作为衡量土壤腐殖质的品质 从胡敏酸和富里酸的化学性质上来考虑 胡敏酸及其盐类在环境条件发生变化时 其化学性质不变 成为不溶于水的 较稳定的黑色物质 富里酸在水中溶解度很大 其水溶液呈酸性反应 它的一切盐类都溶与水 易造成养分流失 土壤腐殖质 四 土壤有机质的作用 1 在土壤肥力上的作用 1 提供植物需要的养分 碳素营养 碳素循环是地球生态平衡的基础 土壤每年释放的CO2达1 35 1011吨 相当于陆地植物的需要量 氮素营养 土壤有机质中的氮素占全氮的92 98 磷素营养 土壤有机质中的磷素占全磷的20 50 其他营养 K Na Ca Mg S Fe Si等营养元素 有机质的作用和调节 2 促进植物生长发育 胡敏酸可以加强植物呼吸过程 提高细胞膜的渗透性 促进养分迅速进入植物体 胡敏酸钠盐对植物根系生长具有促进作用 土壤有机质中还含有维生素B1 B2 吡醇酸和烟碱酸 激素 异生长素 吲哚乙酸 抗生素 链霉素 青霉素 等对植物的生长起促进作用 并能增强植物抗性 有机质的作用和调节 3 改善土壤的物理性质 腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂 形成团粒状结构 从而增加土壤的疏松性 改善土壤的通气性和透水性 改良土壤结构 促进团粒结构的形成 增加土壤的疏松性 改善土壤的通气性和透水性 土壤腐殖质是亲水胶体 具有巨大的比表面积和亲水基团 能提高土壤的有效持水量 腐殖质为棕色至褐色或黑色物质 增加了土壤吸热的能力 提高土壤温度 有机质的作用和调节 4 促进微生物和动物的活动 土壤有机质是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源 土壤动物中有的 如蚯蚓等 也以有机质为食物和能量来源 有机质的作用和调节 5 提高土壤的保肥性和缓冲性 土壤腐殖质有着巨大的比表面和表面能 具有较强的吸附能力 腐殖质胶体以带负电荷为主 从而可吸附土壤溶液中的交换性阳离子 因此 土壤有机质具有巨大的保肥能力 腐殖酸本身是一种弱酸 腐殖酸和其盐类可构成缓冲体系 因此 使土壤具有较强的缓冲性能 有机质的作用和调节 6 有机质具有活化磷的作用 土壤中的磷一般不以速效态存在 常以迟效态和缓效态存在 因此土壤中磷的有效性低 土壤有机质具有与难溶性的磷反应的特性 可增加磷的溶解度 从而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率 注意 有机质在分解时 也能产生一些不利于植物生长或甚至有害的中间物质 特别是在嫌气条件下 这种情况更易发生 有机质的作用和调节 2 在生态环境上的作用 1 有机质可降低或延缓重金属污染 可以通过静电吸附和络合 螯合 还原作用来实现 如胡敏酸将Cr6 还原为Cr3 然后形成稳定的复合体 2 有机质对农药等有机污染物具有固定作用 3 有机质对全球碳平衡的影响 土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的亲和力 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 土壤有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库 有机质的作用和调节 五 土壤有机质的调节 为什么要对土壤有机质含量进行调节 有机质的矿化作用过于强烈 分解释放大量的无机养分不能及时被植物吸收利用 会随水流失 同时也会导致腐殖化形成的腐殖质也发生分解 更多地流失养分 土壤肥力下降 有机质的矿化作用过于缓慢 而腐殖化过程强烈 则可供植物生长的速效性养分不足 使植物营养不足 相反却形成大量的腐殖质 进而造成有机物堆积形成大量的泥炭 虽有大量的养分 但不能释放为植物所吸收利用 有机质的作用和调节 土壤有机质含量并非可以无限提高 在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值 一般在增加有机质的前提下 使土壤既有较强的矿质化过程 又有较强的腐殖化过程 只有这样 才能满足植物在连续生产中对土壤肥力的要求 有机质的作用和调节 1 合理耕作制度 退化或熟化 可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平 2 施用有机肥 绿肥 粪肥 厩肥 堆肥 沤肥 饼肥 蚕沙 鱼肥 河泥 塘泥等 有