第二章 土壤有机质PPT课件

.,1,第二章土壤有机质,.,2,土壤有机质（soilorganicmatter，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。,.,3,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,.,4,第一节土壤有机质的来源含量及组成,.,5,一、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。,.,6,狭义的土壤有机质，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。,.,7,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。,.,8,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。,.,9,二、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。,.,10,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。,.,11,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。,.,12,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。,.,13,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。,.,14,三、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。,.,15,三、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%。,.,16,（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。,.,17,全国土壤有机质含量大致范围,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,.,18,珠江三角洲平原,2-1,.,19,（三）决定土壤有机质含量的因素进入土壤的有机物质数量土壤有机质损失的数量,.,20,（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。,.,21,3、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。,.,22,四、土壤有机质的组成1、碳水化合物和有机酸(carbonhydrateandorganicacids)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。,.,23,2、纤维素和半纤维素(celluloseandhemicellulose)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。,.,24,3、脂肪、蜡质和树脂(fat,waxandresin)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。,.,25,4、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。,.,26,5、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分解的能力更强。,.,27,6、含氮化合物(nitrogenoussubstances)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。,.,28,7、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。,.,29,第二节土壤中有机物料的分解,.,30,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。这些变化可以归纳为两个方面，即分解作用和合成作用。,.,31,参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。,.,32,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。,.,33,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）。,.,34,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。,.,35,如果环境良好，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。,.,36,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。,.,37,一、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+O2CO2+H2O+能量通气不良：C6H12O6CH3CH2CH2COOH+CO2+H2,.,38,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。,.,39,二、树脂、蜡质、丹宁的分解这些化合物很难分解，分解的速度慢且不彻底。,.,40,三、脂肪的分解在脂肪水解酶的作用下水解，再进一步分解。,.,41,四、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。,.,42,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。,.,43,五、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,hydrolyticdecomposition）：蛋白质分解蛋白质消化蛋白质多胺酸氨基酸。,.,44,2、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。,.,45,1）水解脱氨：RCH(NH2)COOH+H2ORCHOHCOOH+NH32）还原脱氨：RCH(NH2)COOH+H2RCH2COOH+NH33）氧化脱氨：RCH(NH2)COOH+O2RCOOH+NH3,.,46,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。,.,47,3、硝化作用(nitrification)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+O2HNO2+H2O+能量2HNO2+O22HNO3+能量,硝酸细菌,亚硝酸细菌,.,48,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。,.,49,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。,.,50,第三节影响土壤中有机质转化的因素,.,51,土壤中的有机物料在分解过程中，有一部分彻底分解，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。,.,52,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。,.,53,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（humificationcoefficient)：单位重量的有机碳,在土壤中分解一年后残留的碳量。,.,54,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，不同的气候条件和地形条件，对腐殖化系数也有影响。,.,55,表2-2,.,56,一、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。,.,57,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。,.,58,2、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。,.,59,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PH3、H2S。,.,60,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。,.,61,3、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。,.,62,4、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。,.,63,二、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。,.,64,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。,.,65,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。,.,66,三、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。,.,67,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)。,.,68,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。,.,69,四、有机物料的物理状态新鲜多汁的有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。,.,70,五、有机物料的C/N比(C/Nratio)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。,.,71,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。,.,72,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。,.,73,所谓施入未腐熟的有机物“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。,.,74,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。,.,75,表2-3一些有机物料碳氮含量及C/N,.,76,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。,.,77,需要注意的是，无论有机物料的C/N如何，在被翻入土壤后，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。,.,78,第四节土壤腐殖质的形成,.,79,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。,.,80,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。,.,81,一、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，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。,.,82,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。,.,83,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。,.,84,二、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。,.,85,三、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。,.,86,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；,.,87,3、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。,.,88,.,89,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。,.,90,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。,.,91,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。,.,92,图2-2有机质的分解与合成示意图,.,93,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。,.,94,2、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。,.,95,3、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。,.,96,4、最近的大量研究表明，在一般土壤中，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。,.,97,第五节土壤腐殖质的性质,.,98,一、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。,.,99,土壤有机无机复合体示意图,.,100,2、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。,.,101,3、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。,.,102,腐殖质分组方法,.,103,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。,.,104,二、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。,.,105,三、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。,.,106,腐殖酸所表现出的种种活性，如离子交换，对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。,.,107,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。,.,108,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。,.,109,四、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。,.,110,2、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。,.,111,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,.,112,3、腐殖酸的分子结构不紧密，整个分子表现出非晶质特征。,.,113,(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。,.,114,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。,.,115,(三)颜色腐殖质的整体颜色呈黑色，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。,.,116,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。,.,117,(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。,.,118,（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。,.,119,在温带条件下，一般植物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。,.,120,第六节有机质在土壤肥力中的作用,.,121,一、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。,.,122,2、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。,.,123,二、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。,.,124,三、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