土壤腐殖物质

第二章土壤有机质SoilOrganicMatter（SOM）,第一节土壤有机质的来源、含量及其组成第二节土壤有机质的分解和转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和管理,第一节土壤有机质的来源、含量及其组成一、土壤有机质的来源,Soilorganicmatterisderivedfromanumberofsources(Fig.),ofwhichthemostimportantisplantlitter.Thisconsistsofavarietyofplantdebrisincludingleaves,stems,flowers,twigs,bark,andthelargebranchesandtrunksoftrees.,Othersoilorganiccomponentsincludesoilorganicmatter,plantroots,rootexudates,soilorganismstogetherwiththeirfaecalremainsandmetabolites,andorganicsubstanceswashedintothesoilfromvegetation.,土壤有机质主要来源是各种植物残体(redidue:deadplantpart)，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异，从而导致土壤有机质的差异。Forestsoil（森林土壤)：枯枝落叶(lither)Steppesoil（草原土壤)：草、根系(grassandrootsystem)Cultivatedsoil（耕作土壤)：作物残茬(cropresidue)、施用的有机肥Forestsoil（森林土壤)：酸性有机质(acidorganicmater)Steppesoil（草原土壤)：中性有机质(neutralorganicmater),一、土壤有机质的来源,1.土壤有机质含量一般把耕层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土壤，在20%以下的土壤，称为矿质土壤(mineralsoil)。耕作土壤中，表层SOM的含量通常在5%以下。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,中国东部沿海地区北方土壤有机质含量高于南方土壤，中西部南方高于北方。东西来看。南方地区西部高于东部，北方地区东部高于西部。,二、土壤有机质的含量和组成,中国地带性土壤表层SOM含量,不同陆地生态系统土壤有机质含量,净初级生产力(MgC/hay),植物生物量(MgC/ha),SOM(MgC/ha),2.土壤有机质的组成,土壤有机质的主要元素组成Intermsofitschemicalcomposition,organicmatterconsistspredominantlyofcarbon,nitrogen,oxygenandhydrogenwhicharearrangedinavarietyofwaystoproduceawiderangeofcompounds,someofwhichhaveparticularlycomplexstructures.干物质COHN%525834393.34.83.74.1C/N大约为1015左右,Sugar,starches,糖类淀粉等Cellulose,Hemi-cellulose(半)纤维素Lignin木质素,proteinsandaminoacids含N化合物Resin树脂Tannin单宁Wax蜡质Fat脂肪Ashelement灰分元素,土壤有机质的化学组成carbohydrate,Themaingroupsoforganiccompoundsincludecarbohydrates,proteinsandaminoacids,ligninandhumus,thelatterrepresentingtheend-productoforganicmatterdecomposition.Theproportionsofthesecompoundsvaryaccordingtothetypeoforganicmatteranditsstageofdecomposition.成分纤维素半纤维素木质素蛋白质脂肪、树脂等%210023050283518,土壤腐殖质（humus）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。通常占土壤有机质的90%以上。,非腐殖物质(Non-humicsubstances)(2030%)腐殖物质(Humicsubstances)（6080%）经土壤微生物作用后，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。胡敏素(Humin)胡敏酸(Humicacid)富啡酸(Fulvicacid),第二节土壤有机质的分解和转化一、简单有机化合物的分解和转化Mineralization（矿质化)：指复杂的有机质在微生物的作用下，转化为简单的无机物的过程。土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总量的百分数称有机质的矿化率(mineralizationpercent)。矿化率一般在1%3%。,土壤中简单有机化合物分解的难易顺序单糖、淀粉和简单蛋白质粗蛋白质半纤维素纤维素脂肪、蜡质等木质素,容易难,好氧条件下的分解微生物活动旺盛，分解作用快，分解最终产物位CO2和H2O，释放出矿质盐类（NH4+、NO3-、HPO42-、H2PO4-、SO42-等）。嫌氧条件下的分解好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土壤中积累有机酸、乙醇等中间产物；极厌氧条件下会产生CH4、H2等还原性气体。,含氮化合物ProteinAminoacidNH4NO3-N素同化蛋白质氨基酸N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关。C/N25时，产生N素生物固定C/N25时，产生N素有效化。,简单碳水化合物CarbohydrateOrganicacidCO2H2O在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O的过程受到阻碍,产生有机酸的累积,从而造成植物根系萎缩、腐烂。,脂肪、树脂、蜡质、单宁等这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材料。木质素木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌作用下缓慢的转化，最终产物是CO2和H2O，但往往只有50%可形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始材料。,CO2的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生物活性的重要指标，,二、植物残体的分解和转化植物残体主要包括植物根、茎、叶的死亡组织。其中各类有机化合物的含量范围是：可溶性有机化合物纤维素半纤维素蛋白质木质素（糖分、氨基酸等）510%1560%1030%215%530%植物残体碳分为两个组分：易分解组分；难分解组分,植物残体在土壤中的分解和转化过程：第一阶段：可溶性有机化合物以及部分类似有机物进入土壤后的头几个月很快矿化。第二阶段：残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶段未被矿化的植物残体碳相对缓慢分解。有机残体进入土壤经1年降解后，有机质的2/3以CO2的形式释放而损失，残留在土壤中的不足1/3。土壤微生物生物量38%多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质38%腐殖物质1030%,三、土壤腐殖物质的分解和转化第一阶段：腐殖质经过物理化学作用和生物降解，使其芳香结构核心与其复合的简单有机物分离，或是整个复合体解体。第二阶段：释放的简单有机物质被分解（矿化）和转化，酚类聚合物被氧化。第三阶段：脂肪酸(fattyacid)被分解，被释放的芳香族化合物（如酚类）参与新腐殖质的形成。,腐殖物质在土壤中很稳定，抗微生物分解能力很强，主要与其本身的化学结构及其与金属离子和粘土矿物之间的相互作用、团聚体内部的夹杂有关。它是一类以芳香化合物或其聚合物为核心，符合了其他类型有机物质的有机复合体。它与土壤中粘土矿物紧密结合，以有机无机复合体方式存在。能存在与蒙脱石、蛭石等膨胀型矿物的层间，不与微生物接触。土壤腐殖质的年周转量为1.1%。,四、影响土壤有机质分解和转化的因素,SOM周转：有机物质进入土壤后由其一系列转化和矿化过程所构成的物质流通。Humification腐殖化过程：简单复杂Mineralization矿质化过程：复杂简单周转时间：当土壤有机质水平处于稳定状态时，土壤中有机质流通量达到土壤有机质含量所需要的时间。SOM平衡：进入土壤中的有机质等于从土壤中损失的有机质的状态。,（一）温度影响植物生长和微生物的分解。0以下，SOM分解速率很小；035范围内，每升高10，SOM最大分解速率提高23倍；2535下，微生物活动最旺盛，利于SOM矿化分解。,（二）土壤水分和通气状况好气：水少气多,氧气充足，微生物活动旺盛,SOM矿化分解,释放养分嫌气：水多气少,氧气不足，微生物活动受抑制,氧化分解很慢;SOM腐殖化合成腐殖质微生物活动最适湿度田间持水量的60-80%。wettinganddryingcycle(干湿交替)一方面增加土壤呼吸作用，破坏土壤结构体，利于SOM的矿质化分解；另一方面干燥时引起微生物死亡，又不利于SOM分解。,（三）植物残体的特性物理状态:多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎易于分解。有机物质C/N：大，不易分解；小，易于分解一般耕作土壤表层有机质的C/N比在8:1到10:1之间，平均在10:1到12:1之间。硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解Primingeffect(激发效应)：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解。激发效应可以是正、也可以是负。,（四）土壤特性pH:中性条件下利于SOM分解质地:质地愈粘重，腐殖化系数愈高，愈难分解化合成腐殖质,第三节土壤腐殖物质的形成和性质一、土壤腐殖物质形成Humification(腐殖化作用),humus：土壤腐殖质是土壤中一类性质稳定，成分、结构极其复杂的高分子化合物。humification：进入土壤中的有机质转化形成腐殖质的过程，是一系列极端复杂过程的总称，主要是由微生物为主导的生物和生物化学过程，也有一些纯化学的过程。,Humificationcoefficient腐殖化系数进入土壤的有机物经过一年的腐殖化过程后所残留的碳占原总碳量的比率，或单位重量的有机碳在土壤中分解一年后残留的碳量。,第1阶段：植物残体分解产生简单的有机碳水化合物微生物水解酶（水解合成）有机残体有机物第2阶段：通过微生物对这些有机化合物的代谢作用及反复的循环，增殖微生物细胞。第3阶段：通过微生物合成的多酚和醌或来自植物的类木质素，聚合形成腐殖物质微生物酚氧化酶，pH4.5-6.5（氧化缩合）多元酚醌腐殖质分子带侧链（胡敏酸）,H2O,CO2,H2S,NH3(矿化、氧化、分解)芳香物含氮物糖类（合成、代谢）,肽,O2,缩合,糖,土壤腐殖物质形成过程,土壤腐殖质的形成途径,还原糖形成途径,多元酚理论,SelmanWaksman木质素蛋白质理论,Humification,腐植化作用,Humification,腐植化作用,二、土壤腐殖物质-粘土矿物复合体soilorganic-mineralcomplex土壤有机无机复合体土壤腐殖物质按存在状态分为：游离态腐殖物质：很少结合态腐殖物质：主要与粘土矿物和阳离子紧密结合存在，占52%98%。主要键合机理：范德华力、氢键、静电吸附、阳离子键桥等,土壤腐殖质-粘土矿物复合机理,三、土壤腐植酸的分组,四、土壤腐殖酸的性质（一）物理性质,分子量很大。分子量大小与单体和聚合度有关；形状球形结构，疏松多孔，似海棉；颜色分子量愈大，颜色愈深HA分子量大，褐色；FA分子量小，呈淡黄色,溶解性：FA、HA都溶解于碱，HA不溶于酸，而FA溶解于酸。吸收性：亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的500%。,元素组成C、H、O、N、P、S为主含C量为5560%，平均58%，100/581.724C:N:P:S100:10:1:1120:10:1:1,（二）化学性质,Humic,Fulvic,Carbonprovidingtheframe-workfororganicstructures.,功能团含有COOH、OH及酚羟基等多种功能团，功能团的解离导致腐殖酸带电：如：RCOOHRCOOHROHROH,（三）分子结构特征分子结构极其复杂的有机高分子化合物。单体中有芳核结构物质，芳核上有多种取代基。,Fulvicacid富啡酸分子量5005000,Humicacid胡敏酸分子量30001000000,Humin胡敏素,区分富啡酸和胡敏酸的指标,功能团富啡酸含更多的羧基和酚羟基，酸度高于胡敏酸；元素含量富啡酸O含量明显高于胡敏酸，C含量明显低于胡敏酸；因此O/C为最好的指标土壤中胡敏酸的O/C约为0.5，富啡酸的O/C约为0.7；E4/E6波长465nm处/波长665nm处的紫外吸收值。胡敏酸E4/E6一般小于5.0，富里酸E4/E6一般在6.0-8.5之间。,第四节土壤有机质的作用与管理,一、有机质在土壤肥力上的作用（一）提供植物需要的养分养分较完全植物生长所需养分N：8097%，平均95%；P：2076%；S：3894%为有机态，由有机质提供。提高养分有效性SOM矿质化过程中产生的有机酸，腐殖化过程中产生的腐殖酸，一方面促进土壤矿质养分溶解释放养分；另一方面可以络合金属离子，减少金属离子对P的固定，提高P的有效性。,（二）改善土壤肥力特性提高土壤保肥性土壤腐殖质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，吸附能力大于矿质胶体，从而大大提高土壤保肥性。胶体对阳离子吸附能力比较（cmol(+)/kg）胶体类型有机胶体高岭石蒙脱石吸附力150450（平均350）31580120提高土壤缓冲性腐殖质含有多种功能团，遇OH时电离出H与之作用生成水对碱緩冲；遇H时则由于带负电荷而吸附H对酸緩冲；腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起緩冲作用。,促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质粘结力(bindingforce)：砂有机胶体粘粒有机质能改变砂粒的分散无结构状态，又能改善粘粒的粘重大块结构，促进土壤良好结构的形成，从而改善土壤的通透性等物理性质。提高土壤生物活性和酶活性SOM是土壤微生物活动所需氧分和能量的主要来源；SOM通过刺激生物活动而增加土壤酶活性，直接影响土壤养分转化的生物化学过程；腐殖酸是一类生理活性物质。,二、有机质在生态环境上的作用（一）有机质与重金属离子的作用络合重金属离子，减轻重金属污染。有机质功能团对金属离子的亲和力：ONH2N=NNCOOOC=O烯醇基胺基偶氮化合物环氮羧基醚基羰基,土壤有机质与重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有重要影响。,金属富啡酸复合体稳定常数：Fe3+Al3+Cu2+Ni2+Co2+Pb2+Ca2+Zn2+Mn2+Mg2+,腐殖物质金属离子复合体的稳定常数反映了金属离子与有机配位体之间的亲和力，对重金属环境行为的了解有重要价值。,稳定常数常受pH值得影响，稳定常数在较高pH时稍大。主要是因为羧基等功能基在较高pH条件下有较高的解离度。在低pH