土壤的基本组成有机质.ppt

环境土壤学 第一章土壤的组成 形成和分类 土壤的组成 土壤是由固相 液相和气相三相物质组成的疏松层固相物质的体积约占50 其中包括38 的矿物质和12 的有机质 液相物质的体积约占15 35 其中主要是土壤水和溶与水中的物质 气相物质的体积约占15 35 其个包括氧 二氧化碳 氮及其它气体 土壤液相与气相共同存在了固相物质之间 形成一个整体 土壤包括土壤矿物质 有机质 土壤空气和土壤水分 土壤有机质的概念土壤有机质的构成和来源土壤有机物的组成土壤有机质的分解和转化土壤有机质的腐殖化作用影响土壤有机质的分解和转化的因素土壤有机质在生态环境中的作用土壤有机质的管理与调节 土壤有机质 土壤有机质 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 微生物及其分解和合成的各种有机物质 广义的土壤有机质指一定含水量的原状土 未经风干磨碎 在一定压力下通过一定筛孔后 2厘米 测定土壤有机质含量狭义的土壤有机质 腐殖质 指土壤经人为或机械挑出异源有机物质 生命体形式和非生命体形式中未腐烂或半腐烂的动植物残体后 风干磨碎 通过一定的筛孔 2mm 测定的土壤有机物质总量 一般将其分为非腐殖物质和腐殖物质 腐殖物质又分为胡敏酸 HA 富里酸 FA 和胡敏素 Hu 1土壤有机质概念 中国某些自然土壤中有机质含量 土壤有机质含量 新鲜的有机物质 指那些刚进入土壤 仍保持原来生物体解剖学特征的那些动 植物残体 基本上未受到微生物的分解半腐解的有机物质 指多少受到微生物分解的动植物残休 己失去解剖学特征 多为暗褐色碎屑或小块腐殖质 经过微生物改造而成的有机物 是一类特殊的有机化合物 通常已与矿质土粒牢固结合 性质比较稳定 2土壤有机质构成 基础土壤学 熊顺贵 中国农业科技出版社 1996 植物残体 包括各类植物的凋落物 死亡的植物体及根系 这是自然状态下土壤有机质的主要来源 动物 微生物残体 包括土壤动物和非土壤动物的残体 及各种微生物的残体 这部分来源相对较少 但对原始土壤来说 微生物是土壤有机质的最早来源 动物 植物 微生物的排泄物和分泌物 土壤有机质的这部分来源虽然量很少 但对土壤有机质的转化起着非常重要的作用 人为施入 土壤中的各种有机肥料 绿肥 堆肥 沤肥等 工农业和生活废水 废渣等 还有各种微生物制品 有机农药等 土壤有机质来源 碳水化合物 碳水化合物主要有淀粉 纤维素 半纤维素等多糖类物质含氮化合物 动 植物残体中主要的含氮化合物是蛋白质 少量比较简单的可溶性氨基酸 植物残体中的叶绿素等其它 包括树脂 脂肪 蜡质 木质素 灰分等 3土壤有机质组成 碳水化合物构成了土壤有机质的5 25 土壤碳水化合物主要源于植物残体 少量源于微生物和动物残骸土壤碳水化合物的种类主要有单糖 二糖 低聚糖 多糖 氨基糖 糖醇 糖酸 甲基化糖土壤碳水化合物的作用 为微生物提供碳源和能源 影响土壤的生物学和生物化学性质 碳水化合物 土壤表层中 90 的氮素为有机态 1米深土层中的有机氮为100 3000g m2 N 土壤有机氮包括结合态氨基酸 游离氨基酸 氨基糖和未知态有机氮 土壤中可识别的含氮化合物是氨基酸 氨基糖和核苷类物质 含氮物质 简单有机化合物的分解和转化植物残体的分解和转化土壤腐殖物质的分解和转化影响土壤有机质分解和转化的因素 4土壤有机质的分解和转化 动植物残体在土壤中有两种去向 一方面是被微生物分解成筒单的有机化合物 井且有一部分被彻底分解成为简单矿物质和CO2 NO2 N2 NH3 CH4 H2O等 这个过程称矿质化过程 另一方面是分解的中间产物再经过微生物作用 合成高分子有机化合物 腐殖质 这个过程称为腐殖质化过程 这两个过程是相互对立又相互紧密联系的 为士壤形成过程中最重要的过程 摘自南京大学 土壤学基础与土壤地理学 单糖在好气条件下 有好气性微生物分解 最终产物为水和二氧化碳 放出的热量多 称氧化作用 其反应如下 C6H12O6 6O26CO2 6H20 热量如果在通气不良的条件下 则在嫌气性微生物作用下缓慢分解 并形成一些还原性气体 有机酸 产生的热量少 称发酵作用 其反应为 C6H12O6有机酸 甲烷 氢气 热量 碳水化合物的分解 南京大学等 1980 土壤学基础与土壤地理学 细菌氧化单糖类物质的主要途径 土壤有机质中的多糖如纤维素 半纤维素 淀粉等糖类 在微生物分泌的糖类水解酶的作用下 首先水解为单糖 C6H10O5 n nH2O nC6H12O6单糖重复单糖的有氧和无氧分解步骤 多糖的分解 含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态 包括蛋白质 氨基酸 腐殖质等蛋白质在土壤中的转化作用主要有氨化作用 硝化作用和反硝化作用蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下 分解成氨基酸的作用称水解作用 蛋白质氨基酸氨化作用 氨基酸经过微生物的作用 放出氨的过程 含氮有机质的分解 几种氨化作用 氨态氮被微生物氧化成亚硝酸 并进一步氧化成硝酸的过程 称硝化作用 这一作用可分为两个阶段 第一阶段 氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸 第二阶段 亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸 其反应如下 2NH3 3O22HNO2 2H2O 热量2HNO2 O22HNO3 热量 硝化作用 细菌在无氧或微氧条件下以NO3 或NO2 作为呼吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过程 称反硝化作用 其反应如下 反硝化细菌 C6H12O6 24KNO3 24KHCO3 6CO2 12N2 18H2O 反硝化作用 土壤 生物和大气之间的N素循环 南京大学等 1980 土壤学基础与土壤地理学 土壤中含磷有机物主要有核蛋白 卵磷脂 核酸 核素等 它们在有机磷细菌的作用下进行分解 含磷有机物的分解 产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分 但在酸性或石灰性土壤中易与Fe Al Ca Mg等生成难溶性的磷酸盐 降低其有效性 在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢 其反应如下 H3PO4H3PO3H3PO2PH3 土壤磷化物的转化 植物残体中的硫 主要存在于蛋白质中 能分解含硫有机物的土壤微生物很多 一般能分解含氮有机物的氨化细菌 都能分解有机硫化物 产生硫化氢 其反应如下 蛋白质硫氨基酸H2S还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程 称硫化作用 其反应如下 2H2S O22H2O 2S2S 3O2 2H2O2H2SO4硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用 形成硫酸盐 硫酸盐是植物可吸收的养分 含硫有机物的分解 自然界中S的转化 土壤腐殖质的形成 是一个复杂的过程 大致可分为两个阶段第一阶段 有机残体在微生物分解作用下 其中一部分彻底矿化 最终生成CO2 H2O NH3 H2S等无机化合物 另一部分转化为较简单的有机化合物 多元酚 和含氮化合物 氨基酸 肽等 提供了形成腐殖质的材料第二阶段 合成阶段 上述土壤腐殖质的组成部分 在微生物的作用下经缩合形成腐殖质的基本单元 先是多元酚在微生物的作用下氧化为醌 然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质 5土壤有机质的腐殖化作用 基础土壤学 腐殖质的形成过程 基础土壤学 土壤腐殖质由腐殖物质和非腐殖物质组成 通常占土壤有机质的90 以上 非腐殖物质为有特定物理化学性质 结构已知的有机化合物 其中一些是经过微生物改变的植物有机化合物 而另一些则是微生物合成的有机化合物 主要有包括碳水化合物 含氮物质等 非腐殖物质约占土壤腐殖质的20 30 其中碳水化合物占5 25 腐殖物质是经过土壤微生物作用后 由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的 新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物 是土壤有机质的主体 也是土壤有机质中最难降解的组分 一般占有机质的60 80 腐殖质的种类 土壤有机质分组 黄昌勇土壤学 基础土壤学 熊顺贵土壤胡敏酸 富里酸是土壤腐殖物质的最重要组分 胡敏素是被粘粒固定 一般条件下不能被碱提取的胡敏酸或富里酸 李学垣土壤化学 土壤有机质分组 温度 一般在0 35摄氏度 温度每升高10摄氏度 土壤有机质的最大分解速率提高2 3倍 土壤水分和通气状况 最适水势在 0 03 0 1MPa之间 干湿交替作用好气嫌气细菌的作用植物残体的特性 新鲜的易分解 C N土壤特征 粘粒含量 正相关 pH 6影响土壤有机质分解和转化的因素 植物组织与土壤有机质的组分比较 一些有机质的C N含量及C N 适宜土壤微生物活动的pH值 有机质与重金属离子的作用 各种功能基对金属离子的亲和力 NH2 胺基 N N 偶氮化合物 N 环氮 COO 羧基 O 醚基 C O 羰基 有机质对农药等有机污染物的固定作用 土壤有机质对农药的固定与腐殖物质功能基的数量 类型和空间排列密切相关 也与农药本身的性质有关 土壤有机质对全球C平衡的影响 据估计 全球土壤有机质的总C量在14 1017 15 1017g 大约是陆地生物总C量的2 5 3倍 7有机质在生态环境上的作用 共同性质 胡敏酸和富里酸同属于高分子有机化合物 是两性胶体 具胶体特性 主要组成元素有 C H O N 还有P S等 不同性质 胡敏酸是土壤中溶于稀碱的棕褐色的天然有机高分子化合物 胡敏酸分子量大 平均可大于25 000 它的官能团的氢离子可以被解离出来与溶液中的阳离子进行交换 因胡敏酸的官能团多 所以它具有较强的交换能力 富里酸是土壤中溶于稀碱也溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物 富里酸的分子量较胡敏酸小 3000 6000 其元素组成和分子结构虽与胡敏酸相似 但含C H量比胡敏酸少 而H O的含量比胡敏酸多 这说明富里酸缩合程度较胡敏酸低 酸性较强 胡敏酸和富里酸的共同和不同性质 土壤有机质 特别是腐殖质 对土壤肥力的影响是多方面的 主要可归纳如下几点 植物养分的重要来源土壤有机质含有大量而全面的植物养分 特别是氮素 土壤中的氮素95 以上是有机态的 经微生物分解后 转化为植物可直接吸收利用的速效氮 提高士壤的蓄水保肥和缓冲能力腐殖质本身疏松多孔 具有很强的蓄水能力 土壤中的粘粒吸水力一般为50 60 而腐殖质可高达400 600 8土壤有机质的作用和调节 改善 影响土壤的物理性质多糖和腐殖物质在土壤团聚体的形成过程和稳定性方面起重要作用 腐殖质颜色深 能吸收大量的太阳辐射热 同时有机质分解时也能释放热 所以有机质在一定条件下能提高土壤温度 改善 影响土壤的化学性质腐殖物质带有正负两种电荷 吸附一些K NH4 Ca2 Mg2 等离子 提供与根系离子交换 酸性土壤中 有机质通过与单体铝的复合 降低土壤交换铝的含量 从而减轻铝的毒害 有机质能够降低P的固定而增加土壤中P的有效性 提高利用率 腐殖质 酸 是一种多酸性功能团的弱酸 有利于提高土壤对酸碱度变化的缓冲性能 促进微生物的生命活动土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分 同时又能调节土壤水 气热及酸碱状况 促进植物的生长发育胡敏酸具有芳香族的多元酚官能团 可以加强植物的呼吸过程 提高细胞膜的透性 促进养分进入植物体 还能促进新陈代谢 细胞分裂 加速根系和地上部分的生长 其他方面的作用腐殖质中含维生素 抗生素和激素 可增强植物抗病免疫能力 胡敏酸还有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染 另外 腐殖质还