土壤学3土壤的物质组成

第二章土壤的物质组成,气相：土壤空气,液相：土壤水分,固相,土壤,土壤物质组成,矿物质（95%）,有机质（5%）,生物体,土壤矿物质是土壤的主要物质组成成分，占到土壤固相部分总重量的95%左右，矿物质的大小、组成比例、矿物质的结构特征和土壤的矿物组成等对土壤一系列性质起着决定性作用。,第一节土壤矿物质,Silicon(Si)andoxygen(O)arethetwomostabundantelementsintheearthscrust-29percentand47percent,respectively.Thesetwoelements,alongwithlesseramountsofothers,combineindifferentwaystoformahugearrayofminerals.土壤矿物元素组成主要是：氧、硅、铝、铁，其它元素的量相对比较少。,土壤矿物质元素组成特点：1.土壤矿物质主要元素组成为O、Si、Al、Fe.O+Si=76%,O+Si+Fe+Al=88.7%；2.土壤矿物的化学组成在成土过程中因为元素的分散、富集特性以及生物聚集作用较地壳有所变化；3.在地壳中植物生长的必须营养元素含量很低，其中P+S0.1%N2mm）蚯蚓、蚂蚁、甲虫、马陆、蜈蚣等；中型：（体长0.2-2mm）螨类、弹尾虫；小型：（体长0.2mm）原生动物、线虫。,（3）微生物（1）微生物类群：细菌、放线菌和真菌。（2）微生物营养型：有机营养型（异养型）：腐生性和寄生性无机营养型（自养型）：化能自养性和光能自养性,（4）有机肥施用很重要,（二）土壤有机物质组成,1.物质组成依据有机物质的分解阶段和存在物理形态分为：1）未分解的动植物残体（原材料）2）半分解的有机质：成为暗褐色小片3）腐殖质：特殊性有机物质。,2.化学组成1）碳水化合物：单糖、多糖、淀粉、纤维素、果胶物质等2）木质素：比较稳定。是形成腐殖质中心核的原始材料3）含氮化合物：蛋白质、多肽、氨基酸4）脂溶性物质：如树脂、腊质、单宁等,一、土壤有机质的来源及组成,3.元素组成C(5258%)、O(3439%)、H(3.34.8%)、N(3.74.1)、P、K、Ca、Mg、Fe、Si、Zn、Cu、B、Mo、Mn等.其中：C、H、O、N的和占有机质9095%,4.土壤有机质组成基本特点1.土壤有机质中木质素和蛋白质含量比植物组织中含量增加2.纤维素和半纤维素含量减少3.土壤中形成了腐殖质,一、土壤有机质的来源及组成,植物组织与土壤有机质组成比较,一、土壤有机质的来源及组成,有机残体,矿化作用mineralization,腐殖化作用humification,二、有机质在土壤中的转化,（一）有机质的矿化作用,1.矿化作用：复杂的有机物质在土壤水分和空气的参与下，经过土壤生物的作用，逐级分解为简单的有机化合物，最终生成简单的无机物质CO2、H2O和无机盐类。2.矿化作用的意义1）为作物生长释放出了营养元素2）为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。,（一）有机质的矿化作用,3.矿化过程有机质的化学成分在很大程度上决定了其被分解的难易程度，糖、淀粉和蛋白质类很容易分解，纤维素、半纤维素和脂肪类分解较慢，木质素、单宁、树脂等更难分解；有机残体被分解的速率除了取决于化学成分外，还受通气状况和酸碱条件的影响。,（一）有机质的矿化作用,3.矿化过程1）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、H2、H2S+heat（极少）嫌气,水解酶作用,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,氨化作用,硝化作用,任何条件下,好气条件下,思考题：旱地和水地含氮化合物的转化结果会有何差异？,（一）有机质的矿化作用,3.矿化过程2）含氮有机物质矿化,含磷、硫化合物,正磷酸盐H2PO4-、HPO42-、PO43-、正硫酸盐HSO4-、SO42-好气条件,偏磷酸盐和次磷酸盐H3PO3、H3PO2、H3P正硫酸盐H2S(黑根、毒害）嫌气条件,（一）有机质的矿化作用,3.矿化过程3）含磷、硫有机物质矿化,（一）有机质的矿化作用,3.矿化过程4）有机物质矿化的特点在好气条件下进行分解时，生成CO2、水和无机盐类，分解速度快而彻底，不产生有毒物质；在通气不良的情况下，易生成还原性有毒物质，如有机酸、醇、H2S、Fe2+等，且速度慢，分解不彻底。,5）矿化率（mineralizationrate)每年因矿化而消耗的有机物质量占土壤有机质总量的百分数。矿化率作为土壤矿化快慢的指标，一般土壤年矿化率为1%左右。,4.影响土壤有机质分解转化的因素土壤有机物质分解转化是在微生物的作用下进行的，属于生物化学反应。1）温度在035范围内，随着温度升高，有机物质分解速率增加。每上升10，土壤有机质分解速率升高23倍。温度高于45和低于0微生物的活性都会降低，有机物质分解速率变慢，高于50就是纯氧化反应。（南方土壤有机质含量为什么低于北方土壤？）,（一）有机质的矿化作用,2）水分（通气性）适度湿润且通气良好，土壤中的好气微生物活动旺盛，有机物质进行好气分解，分解速度快，分解完全，矿化率高，中间产物少，养料释放多，不会产生有毒物质。湿度过大，水分堵塞了土壤孔隙，使通气状况受阻，嫌气微生物活动旺盛，有机物质分解慢，不彻底，有中间产物累积，释放还原性气体，产生环境效应，也影响植物生长。水田不宜提倡秸秆还田，不能以牺牲环境为代价，换取增产。,（一）有机质的矿化作用,3）pH各类微生物最适条件：细菌中性；放线菌偏微碱性；真菌酸性（36）；土壤pH高于8.5和低于5.5，都不适宜微生物活动。绝大多数微生最适pH条件为中性。4）有机物的物理状态和组成新鲜程度、细碎程度，植物组织的C/N比,（一）有机质的矿化作用,C/N比(carbonnitrogenratio),C/N比：有机质中有机碳和有机氮的重量比土壤的C/N:8:115:1，中间值为10:112:1。植物的C/N比：豆科植物20:130:1，作物秸秆为80:1100:1微生物的C/N比：4:19:1C/N比意义：1.具有较高C/N的植物残体进入土壤会引起微生物与植物争氮现象；2.不同土壤有一个相对稳定的C/N比，土壤碳的保持决定于土壤氮的水平，有机体的含氮量越大，则有机碳累积的可能性也就越大，所以，C/N不仅与土壤氮的有效性有关，且也跟土壤有机质保持有关，在耕作土壤管理中，两方面都要考虑。,（二）有机质的腐殖化作用,1.腐殖化作用：进入土壤的生物有机质经过微生物的分解和再合成作用，最终形成另一新型的含氮高分子有机化合物腐殖质。腐殖化过程要比矿化过程复杂得多，因为它是在分解作用的基础上，再将有机碎片（简单的半分解产物和较复杂的难分解残留物）合成比生物有机质分子量更大、更复杂、更稳定的腐殖物质。,（二）有机质的腐殖化作用,2.基本过程（1）半分解阶段，有机材料的准备阶段，生物有机质在各种微生物的作用下，转化为较简单的有机化合物，它们是合成腐殖质的基本材料；（2）缩合阶段，在微生物及其分泌的酶的作用下，各种半分解的有机碎片发生缩合反应，合成腐殖质的基本单元，然后这些基本单元再进一步缩合为腐殖质高分子。,三、土壤腐殖质,土壤腐殖质,非腐殖物质,腐殖物质,（一）非腐殖物质1.碳水化合物：多糖、糖醛酸、氨基糖，主要来源于植物残体和根系分泌物，含量占有机质总量1527%，其中多糖是主体，含量约为有机质总量的922%2.含氮化合物：主要来源于生物残体中含氮化合物，其中主要形式为蛋白质、缩氨酸，易于分解成氨基酸，占的量不高。,（二）腐殖物质本身并不是一种单一的化合物，而是由多种类似物质组成的高分子物质体系，结构复杂，性质稳定、存留时间长、和无机矿物颗粒密切结合在一起，是土壤有机质主体成分，占有机质总量的5090%，基本上与盐基离子形成各种腐殖酸盐。中心为芳香核、连接了许多支链化合物的复杂结构,三、土壤腐殖质,（二）腐殖物质根据腐殖质在不同溶剂中的溶解度，可以得到胡敏素、胡敏酸和富啡酸等三种性质不同的腐殖物质；在提取的三类腐殖物质中，胡敏素与土壤矿物质紧密结合，已经失去了大部分化学活性，不能作为独立的腐殖物质存在，所以一般把土壤腐殖质概括地分为胡敏酸和富啡酸两大组；由于含有数量不等的羧基官能团，所以纯的腐殖质是带有一定酸性的，故常称为腐殖酸，但正常情况下，腐殖质都是以腐殖酸盐的形态存在。,三、土壤腐殖质,以上是依据腐殖酸类物质溶解性进行分类与提取,土壤,用稀碱（NaOH）,去除了动植物残体的细土样,溶液（腐殖酸）,黑色残余物（胡敏素）,酸化（HCl）,黄色溶液富啡酸,褐色沉淀胡敏酸,水浮选、手挑、静电吸附或采用比重1.8或2.0重液浮选,三、土壤腐殖质,（三）土壤腐殖质性质1.元素组成腐殖酸主要由C、H、O、N、S、P等元素组成，盐基成分有Na、Ca、Mg、Fe等，C一般占55%60%，N约占3%6%，C/N=10:112:1，胡敏酸大于富啡酸,我国土壤腐殖酸的元素组成（南京土壤研究所）,三、土壤腐殖质,2.化学结构分子结构非常复杂，中心为芳香核（疏水性基团），周围有许多支链化合物（有许多功能团），成为网状结构特征，功能基团包含有：羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等，这些基团成为腐殖质分子活性最强的部分，如带电性、吸附性、亲水性等。,腐殖质的含氧官能团含量（mmolM）.kg-1,三、土壤腐殖质,土壤有机无机复合体示意图,3.理化性质1）颜色：腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富啡酸颜色较浅，呈淡黄色；2）溶解性：腐殖质是一种弱酸，可溶于碱溶液而生成腐殖酸盐；富啡酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱；3）吸水性：是一种亲水胶体，最大吸水量可以超过500%；4）带电性：属于两性胶体，在酸性情况下带负电荷，碱性情况下带正电荷；5）络合性：土壤腐殖质含有多种功能基，这些功能基对重金属离子有较强络合和富集能力。,三、土壤腐殖质,3.理化性质6）稳定性腐殖质是生物有机质被微生物改造后形成的稳定产物，是一种低能态的高分子聚合物，其中可供大多数微生物利用的能量已经很少，所以腐殖质与普通生物有机质相比是抗微生物分解的，一般生物残体的存留期不足一年（分解最快的则仅能存留数天），最长也不过是十几年，而腐殖质的存留期则长达几百年至几千年，因此，腐殖质可以在土壤中长期积累。,三、土壤腐殖质,（一）有机质在土壤肥力上的作用,1.提供植物需要的养分1）碳素营养：土壤每年释放的CO2达1.351011吨，相当于陆地植物的需要量；2）氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的90-98%；3）磷素营养：土壤有机质中的磷素占全磷的20-50%；4）其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素；5）腐殖酸的络合和螯合，防止了某些金属如Cu、Zn沉淀，提高了有效性；6）有机酸促进了矿物风化、溶解释放其养分。,四、土壤有机质的作用及管理,四、土壤有机质的作用及管理,2.改善土壤肥力特性有机质通过影响土壤物理、化学和生物学特性而改善土壤肥力特性。1）改善土壤物理性质协调水、气、热状况有机质本身是一种疏松多孔的物质，可以使土壤疏松，增强通气透水性；腐殖质（尤其是胡敏酸）促使土壤形成良好的团粒结构和空隙系统，从而大大改善了土壤的砂黏性和通气透水性及保水性；腐殖质颜色较深，易吸收太阳辐射而增温，这对北方土壤尤为重要。,四、土壤有机质的作用及管理,2）改善土壤化学性质增强保肥性和缓冲性能腐殖质胶体具有强大的阳离子吸附和交换能力，对于离子态养分的保持、供应和协调起着十分重要的作用；由于腐殖质是两性胶体，且具有较大的阳离子交换量，对酸碱的缓冲能力很强，可以大大加强土壤的酸碱缓冲性；3）改善土壤的生物学性质促进土壤动物和微生物活动有机质是许多土壤动物的食源，也是土壤微生物大量繁殖所需能量和营养的来源，所以新鲜的有机质可以大大促进土壤的生物活性，而这又反过来影响土壤有机质和养分的转化。,（二）有机质在生态环境上的作用,四、土壤有机质的作用及管理,1.有机质对重金属污染的影响腐殖酸是重金属离子的络合剂，可吸附重金属离子与之形成难溶性盐，降低其危害性。2.有机物质对农药污染的影响新鲜有机质加强了土壤微生物活动，对消除农药残毒有积极作用，腐殖质也能吸收某些农药，降低其毒性。3.土壤有机质对全球碳平衡的影响非常重要的碳库，土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响将不亚于人类活动向大气排放的影响。4.对环境不良影响还原气体的产生CH4、H2S等,（三）土壤有机质的管理,四、土壤有机质的作用及管理,1.提高土壤有机质含量的原则1）生态平衡原则在各种环境条件下，土壤有机质矿化和腐殖化处于相对平衡状态，故土壤有机质含量一般是相对稳定的；在特定的气候带、特定植被条件下，土壤有机质积累到一定数量时，将保持较稳定的数值，不可能上升到惊人的水平；有机质含量下降要比提高快。(东北黑土开垦后退化)2）经济原则超量使用有机肥或其它大量的有机物质是不现实的、更是不经济的，必须按照经济原则培肥土壤。（有机无机并重）,土壤有机质的动态平衡,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。,（三）土壤有机质的管理,四、土壤有机质的作用及管理,2.提高土壤有机质含量的措施1）施用有机肥主要的有机肥源包括：绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥等2）种植绿肥田菁、紫云英、紫花苜蓿等休闲绿肥粮肥间套养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,3）秸秆还田要注意秸秆的C/N比、破碎度、埋压深度以及土壤墒情、播种期远近、化肥施用量等4）土壤调控技术措施调解土壤湿度和通气性温度：中耕松土（锄头下边有肥）土壤pH土壤C/N比,四、土壤有机质的作用及管理,土壤生物是栖居在土壤（还包括枯枝落叶和枯草层）中生物体的总称，是土壤有机成分中有生命活力的那一部分，包括土壤动物、微生物和高等植物根系；它们一方面依赖于土壤而生存，另一方面又对土壤的形成、发育、性质和肥力状况产生深刻的影响，是土壤物质（尤其是有机物质）转化的主要动力和肥力发展的主导因素；同时，土壤生物（动物和微生物）对植物也产生多方面的直接影响。,第三节土壤生物,一、土壤动物,土壤动物是指在土壤中度过全部或部分生活史的动物，对于在土壤中只度过部分生活史的动物，只有它在土壤中生活的那段时间才能算土壤动物；富含有机质的土壤为许多动物提供了良好的生活环境和充足的食物资源，因此，土壤动物种类繁多，数量庞大。,一、土壤动物,一、土壤动物,1.土壤脊椎动物,土壤脊椎动物是生活在土壤中的大型高等动物，包括土壤中的哺乳动物（如鼠类、兔类等）、两栖类（蛙类）、爬行类（蜥蜴、蛇）等，它们都是食植物型或食动物型的；哺乳动物多具掘土习性，对于疏松和混合上、下层土壤有一定作用，它们的洞穴通道则有利于土壤透气和水分渗入，这对林地类绿地土壤有一定积极意义，但对草地类绿地整体景观可能有破坏性，尤其是哺乳类，多以植物的根、地下茎、嫩芽、种子为食，对绿地景观的破坏性更大。,一、土壤动物,2.土壤节肢动物,主要包括依赖土壤而生活的某些昆虫或其幼虫、螨类、弹尾类、蚁类、蜘蛛类、蜈蚣类等，在土壤中数量很大；它们主要以死的植物残体为食源，是植物残体的初期分解者，对有机质转化起着重要作用，但某些种类也能危害植物；节肢动物在土壤中活动，对土壤物质的混合、疏松起着积极作用，它们的穴道也增加了土壤孔隙度和通气透水性。,一、土壤动物,3.土壤环节动物,土壤环节动物在土壤中最重要的是蚯蚓类；蚯蚓对土壤有机质的转化和肥力提高起着重要作用，它们不停地将大量的植物残体和矿质土壤一起吞食，通过消化道排出泥土质的球形粪便，促进了有机质的分解、腐殖化合土壤有机-无机复合体的形成，也促进了土壤团粒结构的形成。,一、土壤动物,3.土壤环节动物,蚯蚓在土壤中的数量可以很大，每公顷肥沃土壤中可达几十万至上百条；因此，蚯蚓具有强大的翻动、混合和吞食改造土壤的能力，是十分活跃的成土因素；在评定土壤肥力时，蚯蚓的数量可作为一项指标，大量的蚯蚓存在往往是肥沃土壤的标志，在绿地土壤改良中，施加新鲜有机质和放养蚯蚓也不失为一种可行、有效的方法。,一、土壤动物,4.土壤线虫,线虫个体比蚯蚓小得多，大都躯体纤细，属于较低等的微小蠕虫；它们在土壤中数量很大，每平方米肥沃土壤上可达几十至几百万条；其中有些在土壤有机质转化中起着一定作用，而另一些则危害植物，是植物虫害的防治对象。,一、土壤动物,5.土壤原生动物,土壤原生动物是一些原始的、单细胞的有机体，体微量大，易被土粒黏附；按其运动形式，可分三种主要类型：变形虫、鞭毛虫和纤毛虫；它们以分解的有机物或土壤细菌等有机体为食源，可抑制土壤细菌，在土壤微生物平衡中有一定的作用；由于土壤原生动物个体细微，很多情况下将之归入土壤微生物中。,二、土壤微生物,土壤微生物是指土壤（包括枯枝落叶层）中肉眼无法辨认的微小有机体，包括细菌、真菌、放线菌、藻类和原生动物五大类群；微生物在土壤中的作用是多方面的，对土壤的形成和发育、有机质的矿化和腐殖化、养分的转化和循环、氮素的生物固定、植物的根部营养等都有重大影响。,二、土壤微生物,1.土壤细菌细菌是一类单细胞的微生物，每克肥沃的表层土壤中约含几百万个至几千万个，是土壤中数量最大、分布最广的有机体；按个体外形可分为球菌、杆菌和螺旋菌，按营养类型可分为自养细菌和异养细菌，按呼吸类型可分为好气性细菌、厌气性细菌和兼气性细菌；细菌具有复杂的生物催化酶系统，它们参与许多重要的土壤生物化学过程，如有机质的矿化与腐殖化、土壤养分转化和生物固氮等。,二、土壤微生物,2.土壤真菌真菌大多为多细胞的微生物，它们在外形上多呈分枝状的菌丝体，有些种类在发育的一定阶段形成子实体（蘑菇）；真菌都是异养型的微生物，且基本上