浙江大学土壤学第4章

第三章土壤有机质Soilorganicmatter,泛指以各种形态存在于土壤中的各种含碳有机化合物。包括：土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。,土壤有机质的概念,新鲜的有机质已经发生变化的半分解有机残余物腐殖质85%90%,10%15%,分解程度,耕地有机质含量一般20%称有机质土壤，20%称矿质土壤,含量：我国一般5%以下。东北最高，不少超过此数。华北、西北1%成土年龄，植被及气候影响为主；地形、粘粒含量。,有机质土壤：含有机质20%以上矿质土壤：含有机质20%以下,*土壤有机质含量作为土壤肥力高低的指标，许多方面是化学肥料所代替不了的，农民施用有机肥已有几千年的重要经验。*土壤有机质的一个重要特点是不断变化着，消耗着，必须不断补给，以维持土壤的生产力。,农业土壤-人为培肥影响。,作用：多数在1-5%之间，集中在表土25cm以内，但在肥力上所起的作用却很大，含各种营养元素，微生物生命活动能源，对土壤物理性质，水、气、热调节，结构，耕性重要影响。,第一节土壤有机质的来源及其组成,来源,高等植物（地上部和地下部）,土壤中的动物,土壤中的微生物,施用的有机肥,土壤有机质的组成,糖类化合物,纤维素、半纤维素,木质素,脂肪、树脂、蜡质和单宁,灰分物质：Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn,以C、H、O、N为主，含有灰分元素。C、H、O、N占90%以上，多种灰分元素共占8%，Ca,Mg,KNa,Si,P,S等，以Ca,K,Si含量最丰富，还含Fe,Zn,Cu,B,Mo,Mn等微量元素。,土壤有机质元素组成,以化学的观点来看，自然界物质的转化有两种方式：,第二节动植物残体在土壤中的转化,复杂的物质简单分解方式矿质化（方式）过程简单的物质复杂合成方式腐殖化（方式）过程,一、矿质化过程简称矿化作用,概念：土壤有机质在微生物的作用下，被分解为CO2和H2O，并释放矿质养料（NH4+、H2PO4、SO42-、K+）的过程。,特点：矿化作用是分阶段进行,不含N有机质的矿化,碳水化合物中，简单的糖类容易分解，而多糖则较难分解。尤其是与黏粒矿物结合的多糖，抗分解力较强。纤维素、半纤维素、脂肪、蜡质分解缓慢，最难分解的是木质素，但在其专性细菌作用下，也能缓慢分解。,多糖分解过程可用下式表示：,好气：,厌气：,含N有机物的矿化,含N有机物的矿化在土壤中一般较易进行，如：,蛋白酶水解氨化酶氨化硝化作用蛋白质氨基酸NH4+NO3微生物酶微生物几丁质氨基葡萄糖NH4+葡萄糖,1有机态氮的矿化过程含氮的有机合化物，在多种微生物的作用下降解为简单的氨态氮的过程。,条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物）通气：良好O20.2%）时微生物活动减弱分解慢6）污染物：重金属污染物、有机污染物毒害微生物可消除污染，但有一定限度,（二）有机残体本身的理化性状与分解速度的关系1、有机残体的物理状态鲜嫩多汁干枯；粉碎后整株。2、有机残体的组成,有机化合物组成不同，分解速度不同。分解从易到难的顺序为：葡萄糖-淀粉-半纤维素，果胶-纤维素-脂肪，蜡质，树脂，木质素，单宁。如：一半C变化CO2，葡萄糖仅需3天，而松针需500天，蛋白质较易分解。有机残体的C/N比,若加入的有机质残体的C/N比过大，如禾本科秸秆类的C/N比高达80-90，则能源充足，N素缺乏，微生物活动繁殖受限制，有机质分解慢；还会造成CCO2损失和与“与植物争N”的局面。在这种情况下，如施用少量速效N肥，可以大大促进有机质的分解，如制造堆肥时，适当浇些人粪尿，稻草还田，还应配合施用化学N肥。如果有机残体的C/N较小，如豆科植物(20：1-30：1)则对微生物活动显著有利，有机残体分解快。对作物供N。其它养分缺乏也影响有机残体的分解，如P，K很重要，微生物原生质灰分中含高达25%的P和10%的K。不论施入土壤的有机质的C/N比如何，最终得到的土壤有机质的C/N比相对稳定，平均为10-12：1，这个比值相当稳定。,C/N比：有机物质中碳素总量和N素总量的比值。,碳是微生物活动的能源，又是构成微生物细胞的材料，N是构成微生物细胞中蛋白质的主要成分，如果土壤OM中C、N丰富，则微生物活动旺盛，有机质分解快。,细菌本身的C/N比为45：1，即为了组成自身的细胞，需要5份C和1份N，同时，每吸收一份C，还要消耗4份C获得能量，因此，细菌在其生命活动中，总共要求C/N比等于20-25：1。真菌本身C/N比高，要求的C/N比要高一些，一般微生物要求25-30：1。,一、腐殖质的概念和类型,土壤腐殖质是通过微生物的作用，在土壤中新合成的一类含N的、具有芳香核复杂结构的高分子化合物。,（1）按颜色分：黄色腐殖质、棕色腐殖质和黑色腐殖质三大类型，颜色越深，品质越好。（2）按溶解性差异分：胡敏酸（Humicacid）：溶于碱但不溶于酸的那部分腐殖质；富里酸（Fulvicacid）：既溶于碱也溶于酸的那部分腐殖质；胡敏素（Humin):是与矿物质紧密结合的腐殖质。,任何一种土壤中，即有胡敏酸，也有富里酸，所以土壤腐殖质实质上是胡敏酸和富里酸的混合物。,第三节土壤腐殖质,土样,磨碎过筛后的土样,黑色残余物（胡敏素Humus）,溶液,褐色沉淀（胡敏酸HumicAcid）,黄色溶液（富里酸FulvicAcid）,除去动植物残体碎屑,用NaOH稀液浸提过滤,酸化过滤,分子量大、芳化度高、不溶于水、C、N多、稳定性高,分子量小、芳化度低、可溶于水、O、S多、活性强,所占比例很小,土壤腐殖质的分离提取和分组,分离步骤：,HF/FA：从东西黑土黑钙土栗钙土灰钙土漠土从北南暗棕壤棕壤黄棕壤红、黄壤砖红壤水田旱地自然土壤,二、腐殖质的理化特征,1、腐殖质的元素组成骨干元素：C、H、O其余元素：N、P、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、Co.等，含除K外的全部植物生长发育所需的养分（因为K不能形成有机化合物的稳定成分，故腐殖质中也不含K，但它可吸附K离子，所以，它带有全部植物生长发育所需的养分元素）。,主要包括三大部分：中心为C网结构：以醌型芳香核物质为核心所构成的。表面带有许多功能团：带有甲氧基（OCH3）、羧基（COOH）、羟基（OH）、氨基（NH2）、羰基（CO）等功能团。连有多肽或脂肪族侧链，氨基糖及多糖，杂环态N等所以，腐殖质的分子量很大（达几千几万），分子形状呈球形或短柱形，内部为C网的交联构造。,2、分子结构：,胡敏酸分子结构模型,腐殖酸组分中有多种含氧功能团，重要的有羧基、酚羟基、醇羟基，羰基，甲氧基等，还有胺基，使腐殖酸具有各种活性，如离子交换、络合、电性等。,3、腐殖酸的活性功能团和电性,电荷数量随土壤pH而变，属两性电荷:羧基R-COOHR-COOH=R-COO-+H+氨基R-NH2R-NH2+H+=R-NH+亚氨基R-CHNHRNH+H+=RNH2+RR,酸度：,羧基和酚羟基是造成酸性的主要功能团，占总酸度90%，富里酸的羧基含量显著高于胡敏酸，而酚羟基含量相近，所以富里酸的总酸度（640-1420cmol/kg），比胡敏酸（580-890cmol/kg）大。,电性：,羧基和酚羟基的解离，以及胺基的质子化，使腐殖酸成为两性胶体，在一般情况下，以带负电为主，每kg能吸附阳离子150-450cmol，保肥力强。,4、溶解度、颜色和吸水性,胡敏酸不溶于水，其一价盐溶于水，多价盐如Ca、Mg、Fe、Al等盐类溶解度低。富里酸溶于水，其一价、二价盐也溶于水，Fe3+、Al3+盐在中性条件下沉淀。腐殖酸整体呈黑色，胡敏酸及盐类棕-黑，富里酸黄-淡棕色。有强大的吸水性，最大吸水量可超过500%，在饱和水气中吸水量可达本身重一倍以上，比表面可达2000m2/g。,胡敏素，它与土壤矿物质部分（尤其是蒙脱石）结合非常紧密，难以分离，基本上也是由胡敏酸和富里酸组成（含有碳粒），只是结合非常牢固。,5、稳定性,生物化学稳定性强，有强烈的抵抗微生物分解的能力，温带土壤腐殖质寿命一般几百年到几千年，每年矿化率不到，自然土壤经开垦后，分解加速。,胡敏酸与富里酸二者之间无截然分界线，本质上也无区别，有过渡组分混合物。,土壤类型与腐殖质的组成和性质地带性变异，东北黑土，向东，向南，HA/FA比降低，芳构化降低。例如北方黑土，以胡敏酸为主，HA/FA=1.52.5；南方砖红壤中，以富里酸为主，HA/FA0.45；耕作土壤，如红壤旱地，HA/FA比自然土壤高，胡敏酸含量较高，接近富里酸。水稻土，HA/FA比自然土壤（旱地）高，但胡敏酸芳构化和分子量较小。母质，石灰岩母质的土壤HA/FA比值比非石灰性土壤高，胡敏酸芳构化较高。,6、地带性变异：组成和HA/FA的比例,一、提供作物需要的养分矿化：养分释放，稳定而长效，自然土样几乎提供所有的N素，50-60%的P，80%的S，B、Mo及其它微量元素。含N多的组分（氨基酸、多肽）矿化较高，氮素矿化率高达4-6%，作物N素的主要来源。提供交换性养分离子，螯合微量元素。有机酸增加矿物质溶解能力，提高养分有效性。微量元素，碱性土壤，与Fe、Zn、Cu络合，增加有效性；酸性土壤，络合作用控制Cd2+，Hg2+等阳离子中毒。,第四节土壤有机质在肥力上的作用,二、增加土壤保肥性其吸附阳离子的能力是矿质胶体的2-30倍，150-450cmol/kg有机质。一般占矿质土壤吸附能力的20-70%，保肥力强，使免于淋失。酸性功能团起缓冲作用，提高土壤对酸碱变化的缓冲能力，有利于保持一个稳定的酸碱环境。三、促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质腐殖质为有机胶体，它和它的盐类具有1、胶结性，可将分散的土粒胶结成大小不同的团粒，这些团粒具有水稳性，一方面可以防止侵蚀，另一方面可解决水和空气之间的矛盾，形成有机无机复合体。粘结力比砂粒强，故有机质多的土壤，通透性好，耕作轻松，耕性良好。2、吸水性强，能保持大量水分，防止干时收缩，提高砂土保水力。3、色深，吸热，使土壤升温快，有利于春播作物早发。,减轻和消除土壤中农药残毒及重金属危害。吸附作用和络合作用为微生物提供养分和能源。促进微生物和植物的生理活性，增强植物抗逆性。,四、其它,较高水平的有机质含量+化学肥料高产调节土壤有机质的积累和分解的关系是农业生产管理的一个重要课题。一对矛盾，动态平衡。本省土壤有机质含量一般2%左右，高者可达5%，低者1%也有存在，高产田含量多在3%以