第二章 土壤有机质.ppt

第二章土壤有机质Soilorganicmatter,主要内容,第一节土壤有机质的来源、含量及组成第二节土壤有机质的分解和转化第三节土壤腐殖质的形成和性质第四节土壤有机质的作用及管理,土壤有机质(soilorganicmatter),它主要包括土壤中各种动物、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机化合物。,土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机化合物。,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,植物残体,由于各地区的气候条件、植被类型及耕作管理不同，进入土壤中的植物残体数量和化学组成有很大的差异。,植物残体性质是否存在差异？,包括各类植物的凋落物、死亡的植物体及根系。,热带雨林凋落物干物质量:16700Kg/公顷年荒漠植物群落凋落物干物质量:530Kg/公顷年,植物残体量：,我国森林土壤每年归还土壤的凋落物干物质量按气候植被带划分，依次为：热带雨林，亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶林，暧温带落叶阔叶林，温带针阔混交林，寒温带针叶林、荒漠。,森林植被下有机残体主要来自地上部凋落物；,草本植物的有机残体主要来自根系；,耕作土壤，植物残体主要来源根茬。,不同生态系统间植物残体来源形式：,作物根茬,植物凋落物,动物、微生物残体,动植物、微生物的排泄物和分泌物,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。,对土壤有机质的转化起着非常重要的作用。,死亡微生物,动物粪便,人为施入土壤中的各种有机物,人为施入土壤中的各种有机肥料（绿肥、堆肥、沤肥等），工农业和生活的废水、废渣等，还有各种微生物制品，有机农药等。,引发严重生态环境问题,例如：植物种类退化,注意：其中进入土壤的植物残体是最主要的来源。,二、土壤有机质的含量及组成,（1）土壤有机质含量的差异较大,漠境土和砂质土壤不足5g/kg,泥炭土可高达200g/kg以上,1、土壤有机质的含量,0.5%,7%,（2）有机质土壤和矿质土壤20%有机质土壤20%矿质土壤,（3）不同区域不同土壤有机质含量差异很大,50-100g/kg,暗棕壤,黑土,30-60g/kg,20g/kg左右,黑钙土,栗钙土,10g/kg左右,灰漠土,35g/kg,中国地带性土壤表层SOM含量,2、土壤有机质的组成,（1）化学元素组成,土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N，其次是P和S。,干物质COHN%525834393.34.83.74.1,其C/N比大约在1012之间。,普通有机化合物：碳水化合物（糖、醛、酸等）含氮化合物（氨基酸、蛋白质等）纤维素、半纤维素（在强酸或强碱下水解）木质素（难于分解转化，相对稳定存在）特殊有机化合物：腐殖物质（胡敏素、胡敏酸、富啡酸）等,（2）化合物组成,3、土壤有机质的存在形态,动、植物残体半分解的动、植物残体腐殖物质,新鲜的有机物，指那些刚进入土壤不久，仍保持原来生物体解剖学上特征的那些动、植物残体，基本上未受到微生物的分解作用。,（1）动、植物残体,经微生物的分解，已使进入土壤中的动、植物残体失去了原有的形态等特征。有机质已部分分解，并且相互缠结，多为暗褐色的碎屑和小块。包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。,（2）半分解的动、植物残体,（3）腐殖质,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。与土壤矿物质土粒紧密结合，是土壤有机质存在的主要形态类型。,非腐殖物质（non-humicsubstance)(2030%)腐殖物质（humicsubstance）(6080%),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。,腐殖质,第二节土壤有机质的分解和转化,有机残体,矿化作用mineralization,腐殖化作用humification,有机质的分解与合成示意图,矿化作用（mineralization）,土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。,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)。,我国土壤的年矿化率一般在1%3%。,一、简单有机化合物的分解和转化,糖类有机物质矿化,多糖,单糖,CO2+H2O+heat(多）好气条件下有机酸+heat（少）半嫌气条件CH4、H2S+heat（极少）嫌气,水解酶作用,己糖淀粉半纤维素纤维素,如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类。,含氮物质的矿化,蛋白质,多肽,氨基酸,氨NH3,硝酸根NO3-,蛋白酶,肽酶,氨化细菌,硝化细菌,水解作用（hydrolyzation),氨化作用（ammonification),硝化作用（nitrification),任何条件下,好气条件下,反硝化作用：反硝化细菌在嫌气条件下将硝酸盐还原过程。,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。,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。,脂肪、树脂、蜡质、单宁等,木质素,木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中被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。,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、酚类化合物,容易难,土壤中简单有机化合物分解的难易顺序,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、H2S等还原性气体。,注意,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%,二、植物残体的分解和转化,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。,植物残体在土壤中的分解和转化过程：,据统计，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。,易分解组分,植物残体碳,难分解组分,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%,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的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。,腐殖化系数：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。,腐殖化过程（humification）,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。,腐殖质的分解和转化经历三个阶段：,它是一类以芳香化合物或其聚合物为核心，复合了其他类型有机物质的有机复合体。它与土壤中黏土矿物紧密结合，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。,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黏土矿物之间的相互作用、团聚体内部的夹杂有关。,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,（一）土壤生物的组成与活性,（二）土壤特性,（三）植物残体的特性,土壤动物促进植物残体的破碎和运输真菌可促进木质素的分解细菌和放线菌可促进碳水化合物的分解,（一）土壤生物的组成与活性,（二）土壤特性,SOM分解转化主要是在微生物作用下完成的，影响微生物活性的因素都影响有机质的分解和转化。,南方土壤有机质含量为什么低于北方土壤？,0以下，微生物活性很低，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。,1、温度,2、水分和通气状况,好气：水少气多，氧气充足，好氧微生物活动旺盛，SOM矿化分解，释放养分；嫌气：水多气少，氧气不足，好氧微生物活动受抑制，氧化分解很慢；SOM腐殖化合成腐殖质。,水田不宜提倡秸秆还田，不能以牺牲环境为代价换取增产。,低洼、积水有利于有机质的积累！,（二）土壤特性,3、pH值,通过影响微生物的活性而影响有机质的分解，各种微生物都有其最适pH范围：,由于细菌数目最多，所以pH6.57.5较适宜！,多数细菌的最适pH为6.57.5真菌为36放线菌为略偏向碱性,在农业生产中，改良过酸或过碱土壤，对促进有机质的矿化有显著效果。,（二）土壤特性,4、质地,黏粒含量越高，质地愈黏重，SOM愈难分解，有机质含量也越高。,（二）土壤特性,5、其他影响因素,某些重金属的毒害作用都会限制有机质转化。,（三）植物残体的特性,1、物理状态,新鲜程度破碎程度紧实程度,新鲜多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎、疏松的有机质易于分解！,纤维素、木质素和蜡质含量高的植物残体难分解，含氮有机物多的植物残体分解容易。,2、植物残体的化学组成,（三）植物残体的特性,3、C/N,不仅影响有机残体分解速度，还影响土壤有效氮的供应，通常以25:1或30:1较为合适。,25:1时，微生物活动最旺盛，分解有机质速度较快，释放出大量素；25:1时，相对不足，会出现微生物与植物共同争夺土壤中的有效。,秸杆直接还田时，常加入适量的速效氮肥，为什么？,第三节土壤腐殖物质的形成和性质,土壤腐殖物质的形成土壤腐殖物质黏土矿物复合体土壤腐殖酸的分组土壤腐殖酸的性质,humus：一类以芳香化合物或其聚合物为核心，是土壤中一类性质稳定、组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物。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。,一、土壤腐殖物质的形成,土壤腐殖物质形成过程中的转化途径,还原糖形成途径,多元酚理论,SelmanWaksman木质素蛋白质理论,Humification,腐殖化作用,腐殖化作用,Humification,二、土壤腐殖物质黏土矿物复合体,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：主要与黏土矿物和阳离子紧密结合以有机无机复合体的方式在。通常52%98%的土壤有机质集中在黏粒部分。,土壤有机无机复合体主要键合机理：范德华力、阳离子键桥、氢键、静电吸附等。,土壤腐殖质-黏土矿物复合体示意图,三、土壤腐殖酸的分组,（1）0.1MNaOH溶液（2）0.1MNaOH+0.1M焦磷酸钠混合提取液,目前常用的提取剂：,四、土壤腐殖酸的性质,（一）物理性质,1、分子结构,腐殖酸在土壤中的功能与其分子形状和分子大小有着密切的关系。,（1）腐殖酸的分子量有较大的差异：几至几百万之间（2）腐殖质的分子结构目前还没有完全确定，只明确以芳香核为主体，附以各种功能团。,2、颜色,腐殖物质整体呈黑色；富啡酸的颜色较淡，呈黄色至棕红色；胡敏酸的颜色较深，为棕黑色至黑色。,腐殖酸的光密度与其分子量大小和分子的芳构化程度大体呈正相关。,（一）物理性质,（一）物理性质,3、溶解性,富啡酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱；富啡酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水；胡敏酸的一价盐（K+、Na+）溶于水，但二价盐（Mg2+）、三价盐（Al3+）几乎不溶于水；胡敏素水、酸、碱都不溶。,（一）物理性质,5、吸水性,腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位重量腐殖质的持水量是硅酸盐黏土矿物的45倍，最大吸收量可以超过其自身重量的500。,4、胶体特性,土壤腐殖酸呈非晶质特征，具有较大的比表面积，高达2000m2/g，远大于黏土矿物和金属氧化物的比表面积。是土壤有机胶体的主要组成部分。,（二）化学性质,1、元素组成,腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。,习惯上以58%为其平均值，故计算土壤有机质的含量时，一般以1.724（100/58）为折算系数。,我国主要土壤腐殖酸元素组成（南京土壤研究所）,（二）化学性质,2、含氧官能团,羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。,我国主要土壤表土中腐殖物质的含氧功能基cmol（）/kg,腐殖物质的总酸度通常是指羧基和酚羟基的总和。,（二）化学性质,3、腐殖酸的阳离子交换量和络合性,络合物的稳定性随pH值的升高而增大。,在pH4.8时能与Fe、Al、Ca等离子形成可溶性络合物，但在中性或碱性条件下会产生沉淀。,总酸度数值的大小与腐殖物质的活性有关，一般较高的总酸度意味着有较高的阳离子交换量和络合容量。,（二）化学性质,4、腐殖酸的电性,功能团的解离导致腐殖酸带电，一般带负电。,如：RCOOHRCOOH,腐殖酸是一种两性胶体。即可以带负电荷，也可以带正电荷。而通常以带负电荷为主。,腐殖质的负电荷数量随pH值的升高而升高。,ROHROH,（三）腐殖酸的分子结构特征,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,（三）腐殖酸的分子结构特征,Humicacid胡敏酸分子量30001000000,Humin胡敏素,（三）腐殖酸的分子结构特征,第四节土壤有机质的作用及管理,有机质在土壤肥力上的作用有机质在生态环境上的作用土壤有机质的管理,一、有机质在土壤肥力上的作用,（一）提供植物需要的养分,（二）改善土壤肥力特性,（三）生物性质,（一）提供植物需要的养分,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。,养分较完全,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,胶体类型有机胶体高岭石蒙脱石吸附力15045031580120,土壤腐殖物质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，具有较强的吸附能力，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,1、提高土壤保肥性,（二）改善土壤肥力特性,2、提高土壤的缓冲性,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缓冲；遇H时则由于带负电荷而吸附H对酸缓冲。腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起缓冲作用。,（二）改善土壤肥力特性,3、改善土壤的物理性质,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。,（三）生物性质,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；,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，它能加速种子发芽，增强根系活力，促进作物生长。,二、有机质在生态环境上的作用,（一）有机质对重金属污染的影响,（二）有机质对农药等有机污染物的固定作用,（三）有机质对全球碳平衡的影响,（一）有机质对重金属污染的影响,络合重金属离子，减轻重金属污染。,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。,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,金属富啡酸复合体稳定常数的排列次序为：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时，由于H+与金属离子一起竞争配位体的吸附位，腐殖酸络合的金属离子较少。,（一）有机质对重金属污染的影响,重金属离子的存在形态受腐殖酸物质的络合作用和氧化还原作用影响。,实际上是其对金属离子的络合、吸附和还原作用的综合结果。,胡敏酸作为还原剂可将有毒的Cr6+还原为Cr3+，Cr3+能与胡敏酸上的羧基形成稳定的复合体，从而限制了动植物对它的吸收。腐殖物质能将V5+还原为V4+,Hg2+还原为Hg，Fe3+还原为Fe2+,U6+还原为U4+。,（一）有机质对重金属污染的影响,腐殖酸对无机矿物有一定的溶解作用,（二）有机质对农药等有机污染物的固定作用,SOM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影响。,SOM对农药的固定与腐殖质功能基的数量、类型和空间排列密切相关，也与农药本身的性质有关。,极性有机污染物可以通过离子交换和质子化、氢键、范德华力、配位体交换、阳离子桥和水桥等不同机理与SOM结合；非极性有机污染物可以通过分隔机理与之结合。,（二）有机质对农药等有机污染物的固定作用,可溶性腐殖质能增加农药从土壤向地下水的迁移。富啡酸有较低的分子量和较高的酸度，比胡敏酸更可溶，能更有效地迁移农药和其它有机物质。,总之，农药等有机污染物与土壤有机质结合后，可以降低或消除其毒性。,腐殖物质还能作为还原剂而改变农药的结构。,（三）有机质对全球碳平衡的影响,土壤有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。,大气中CO2浓度的变化,（三）有机质对全球碳平衡的影响,全球土壤有机质总碳量：14151017g陆地生物总碳量：5.61017g全球每年土壤有机质生物分解释放到大气中的总碳量：681015g全球每年因焚烧燃料释放到大气中的总碳量：61015g,土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响不亚于人类活动向大气排放的影响。,三、土壤有机质的管理,自然土壤中，土壤有机质的含量反映了植物枯枝落叶、根系等有机质的加入量与有机质分解而产生损失量之间的动态平衡。,相当的生物量被作为收获物而取走；由于人为的耕作措施使土壤结构疏松，通透性能提高加速土壤有机质矿质