第2章-土壤有机质ppt课件

1、第二章 土壤有机质(soil organic matter,第一节 土壤有机质的来源、含量及其组成,概念：土壤有机质(soil organic matter) 土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。 一、土壤有机质的来源 微生物 动物来源 植物来源 工农业副产品,一般土壤： 生长在土壤中的高等绿色植物残体； 土壤中的动物和微生物。 农业土壤： 施入的有机肥料； 作物的残体及根系分泌物。 其中进入土壤的植物残体是最主要的来源,二、含量及组成,1、有机质含量 一般含量在0-5%之间。 泥炭土可高达20%或30%以上 漠境土和砂质土壤不足0.5,土壤有机

2、质含碳量55-60，平均58，有机碳1.724有机质含量；含氮：3-6，平均5.6，C/N10:112:1,怎么测得的,0.5,0.5-2.0,7,5,珠江三角区冲积平原,2、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， C/N比大约在1012之间。 (2) 化合物组成 腐殖物质 （Humic Substance) 非腐殖物质 （Non-Humic Substance) 常见的化合物有纤维素、半纤维素、蛋白质、木质素及脂类,植物组织与土壤有机质组成比较,Components of SOM,3)土壤有机质的存在形态,1.机械混合状态： 未分解、半分解状态的有机残体

3、与矿物质部分机械地混合在一起。 占SOM总量的0.648.4。 2.生命体： 生活在土壤中的各种活体（植物根系、土壤动物、微生物等）。 可看作是土壤中独立部分，亦可视为土壤有机质的一部分。 3.溶液态（游离态）： 一般1。如游离单糖、氨基酸、有机酸等 4.有机无机复合态： 是土壤中与矿物质部分结合的有机质，腐殖物质属于此类。 是土壤有机质的主体,动、植物残体 半分解的动、植物残体 腐植物质,正在腐解的生物33% - 50,稳定的有机质（腐殖质） 33% - 50,新鲜残茬10,活的生物5,3)土壤有机质的存在形态(续,Components of SOM,第二节 土壤有机物质的分解与转化Deco

4、mposition of organic Matter,有机残体,矿（质）化作用 mineralization,腐殖化作用 humification,一.有机质的矿化作用mineralization,一）矿化作用的概念（Mineralization ）： 有机物质在微生物的作用下分解成无机营养元素的过程（The conversion of an element from an organic form to an inorganic state as a result of microbial decomposition）。 （二）矿化作用的意义 1.为作物生长释放出了营养元素-有效化过程 2

5、.为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提,矿化作用： 复杂有机物通过微生物的分解转化为简单的化合物，同时释放出矿质养料的过程,有机质,微生物,CO2 、 SO42-、 NH4+-N 、NO-3N、 H2PO4-、HPO42,NH4+N 、SH、 CH4，有机酸等,好氧,嫌气,通气状况与有机质矿质化过程,在好氧条件下 微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质转化为CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类的形式释放出来。 在嫌气条件下 好氧微生物的活动受到抑制，分解作用进行得既慢又不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。 在极端嫌气的情况下 还产生CH4、H2等还原物质，其

6、中的养料和能量释放很少，对植物生长不利,有机化合物分解难易的差异,单糖、淀粉和简单蛋白质,粗蛋白质,纤维素、半纤维素,脂肪、蜡质,木质素,有机质分解由易而难的递进,分解作用的意义,分解产生： CO2、CH4等温室气体，前者占绝对优势。 CO2释放速率： 衡量有机质分解强度与生物活动强度的指标； 有机质补充养分的途径,一.有机质的矿化作用mineralization,三）各种物质矿化作用 1.糖类有机物质矿化,己糖淀粉半纤维素纤维素；糖类物质的分解是土壤中生物物活动的主要能源（生物热）。（45千卡热/克有机物,2.含氮物质的分解,蛋白质,多肽,氨基酸,氨NH3,硝酸根NO3,蛋白酶,肽酶,氨化细

7、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,思考题：旱地和水田含氮化合物的转化结果会有何差异,3.含磷和硫化合物的分解,正磷酸盐H2PO4-、HPO4-2、PO4+3、 正硫酸盐 HSO4-、SO4-2 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,三）矿化率（mineralization rate)： 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,含磷和

8、硫化合物的分解,四）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10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？） 冻土效应(effect of soil freezing) ：土壤冰冻以后，在其解冻后的最初12周内，二氧化碳和氨释放量增多的现象,2.水分（通气性）： 微生物生命活动一切条件都需要一定的湿度条件和通气条件。 如果适度湿润且通气良好，土

9、壤中的好气微生物活动旺盛，有机物质进行着好气分解，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。 如果湿度过大，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。 干土效应（ effect of soil drying）：土壤经过干燥后，在加水湿润的最初12周内，二氧化碳和氨释放量增加的现象,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。

10、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， 织物组织的C/N比,C/N比( carbon nitrogen ratio,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。在同一气候条件下，C/N变化较小。气温相同时，干旱气候条件下的C/N比湿润地带低；降雨量相同时，暖温地带土壤C/N比寒冷地土壤低。底层土壤C/N比表层土壤低。 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：4:19:1 微生物自身的细胞需要吸收1份氮和5份碳，同时需要20份碳作为生命活动的能源

11、，即微生物在生命活动过程中需要有机质的C/N约为25:1。 小于此值N素充足，大于此值N素不足,C/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。C/N比作为秸秆还田的重要技术参数需要考虑。 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，而且也跟土壤有机质的保持有关。在耕作土壤管理中，两方面都需要考虑。 氮因素（nitrogen factor）：表示有机物质分解过程中氮素的缺乏程度。加入100份有机物需要加进去的氮素量，既不发生争氮现象，又不会使土壤有

12、效氮发生生物固定现象,二.土壤腐殖化作用（ humification,一）腐殖化概念：有机物质在分解转化过程中，又重新合成腐殖质的过程。 腐殖化过程也就是有机碳从一种形式转化为另一种形式，所以也叫有机碳的周转。它是一种极端复杂的生物过程。 （二）土壤腐殖化过程-腐殖质的形成过程 腐殖化过程是以微生物为主导的生物和生化过程，还有一些纯化学过程。 有机质的形成分为两个阶段： 第一阶段：产生了合成腐殖质原始材料： （1）芳香核：主要由木质素降解所产生。 酚类氧化成醌所产生。 （2）支链化合物：一些含氮的有机化合物，如氨基酸、肽类等。 第二阶段：合成阶段： 将分解转化的基本材料在微生物作用下经过缩合和

13、聚合作用合成结果复杂的腐殖质,多元酚理论（较为盛行,三）腐殖化系数（humification coefficient）：加入单位有机物质土壤后所产生腐殖质的斤数（一般指一年以后）。 腐殖化系数大小不仅取决于有机物质品种本身，也取决于各种环境条件：旱地土壤腐殖化系数一般在0.200.30，而水田则为0.250.40之间,第三节 土壤腐殖质soil humus,一.土壤腐殖质组成,土壤腐殖质 Soil humus,非腐殖物质,腐殖物质（humic substances,一）非腐殖物质：微生物的代谢产物 1.碳水化合物：多糖、糖醛酸、和氨基糖组成。主要来源于植物残体和根系分泌物。含量占有机质总量15

14、27%。其中多糖是主体。含量约为有机质总量的922%。多糖多土壤结果影响研究被受到关注。 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 概念：有机物质在微生物作用下分解转化成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。 腐殖物质是在土壤中形成的一类特殊的化合物，远不同于动植物体内的其它有机化合物，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。是土壤有机质质体成分，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,二.土壤腐殖质分离与提取,以上是依据腐殖

15、酸类物质溶解性进行分类与提取 请注意三大类腐殖组分：胡敏素、胡敏酸（HA）和黄腐酸（FA,土壤腐殖酸的分组,传统的方法是将土壤腐殖质划分为： 胡敏酸/Humic acid（碱可溶、水和酸不溶，颜色和分子量中等） 富啡酸/Fulvic acid（水、碱、酸均溶，颜色最浅和分子量最低） 胡敏素/Humin（水、碱、酸均不溶，颜色最深和分子量最高，但其中一 部分能被热碱所提取,聚合度,黄腐酸（富啡酸、富里酸）：能溶解于碱和酸。分子量相对较小,褐腐酸（胡敏酸）：指能溶解于碱而不溶解于酸。分子量相对较大,60,三.土壤腐殖质性质,一）腐殖酸的组成 1.腐殖酸的元素组成 腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元

16、素组成。 一般以腐殖质分子的平均含碳量为58%为有机碳和腐殖质的换算系数（1.724=100/58），C/N=10:112:1,我国土壤腐殖酸的元素组成（南京土壤研究所,2.腐殖酸的化学结构 分子结构非常复杂。有许多模式，但相对统一的认识是中心为芳香核（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（mmol M）.kg-1,芳构化程度：表示腐殖酸分子中芳香环结构所占的比例。表示腐殖质的缩合度,3.腐殖酸的分子形状： 多数人认

17、为是网状多孔结构.现代用电子显微镜观察发现，腐殖质为非晶质物质，分子结构非常松散。大致呈无规则线状，其结构受pH、溶液电解质浓度的影响极大。 pH 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状,HA的3D优化结构模型,二）腐殖酸的理化性质 1、颜色：腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，但不同组分其颜色不同，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富里酸颜色较浅，称淡黄色。 腐殖质颜色主要由缩合度的大小和发色团的比例不同而引起。 A4/A6比值（ A4/A6 ratio of humic acids) (E4/E6): 腐殖质在波长为465nm和665nm（或400nm和600nm)处的吸

18、光值的比。是腐殖化程度的指标。 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。 富里酸溶于水、酸、碱； 胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱； 富里酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水； 胡敏酸的一价盐溶于水，但二价、三价盐几乎不溶于水。 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。 电荷来源主要是分殖酸分子羟基解离和胺基质子化。带电量为200500coml/kg，随pH升高而升高,5、腐殖酸的络合性,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

19、碱性条件下会产生沉淀,6.腐殖质的稳定性,在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于3个月，植物残体形成的新的有机质的半分解期为4.7-9年，而胡敏酸的平均停留时间为780-3000年，富里酸的平均停留为200-630年,土壤有机质平均停留期（mean residence time of soil organic matter ，MRT）：土壤有机质各组分年龄的加权平均值。 MRT变异：(1)不同土壤表土层中有机质的MRT值变异很大。 (2) 同一土壤MRT随土壤剖面层次增加而增大。 MRT决定于：输入土壤有机残体的数量和性质；腐殖物质的化学本性和存在状态；环境条件等,土壤腐殖质形成过程是土壤

20、发育的主要过程。不同土壤不仅其腐殖质含量不同，而且组分的比例、各组分的复杂程度等也有差异。 HA/FA值*：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。 意义：是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。说明了腐殖酸形成的条件和分子量的复杂程度： HA/FA越大，胡敏酸含量多，结构复杂； 相反，富里酸含量多，结构简单,三）腐殖质的变异性,我国土壤有机质变异规律是： 1.由东向西，由草甸草原向干旱草原、荒漠草原和荒漠化土壤过渡，腐殖质含量不断递减，HA/FA也逐渐降低。 黑土（1.52.5）-黑钙土（1左右）-灰钙土和荒漠土（0.60.8） 2.一般我国北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/

21、FA比大于1； 而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，HA/FA比一般小于1。 黑土-暗棕壤（12）-黄棕壤（0.450.75）-红壤、砖红壤（0.45) 3.在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA 比大于旱地。 4.在同一地区，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。 造成土壤腐殖变异的原因：主要是气候、植被、土壤反应、母质、等环境因素综合作用结果,微生物,矿化作用,腐殖化作用,好氧分解,小结：土壤有机质的转化过程,兼气、厌氧分解,CO2、H2O 矿质养分,CH4、H2S 有机酸等,多元酚，氨基酸、 醌,胡敏酸,土壤有机质,分解作用,缩合,SOM（土壤有机质）= 不同分解程度的源物

22、质和不同合成及缩合程度的新物质 源物质(bio-origin): 碳水化合物、木质素、蛋白质、树脂、蜡质等； 新物质（腐殖物质，humus)： 腐殖物质：胡敏酸、富哩酸、胡敏素,土壤有机质含量并不总是不变的,空间和时间上，土壤有机质水平存在变化或波动,有机质平衡：秸秆还田不能无限提高土壤有机质含量,第四节 土壤有机质与肥力关系,1. 土壤有机质在土壤肥力方面的作用,一）提供植物需要的养分 1.碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础。 土壤每年释放的CO2相当于陆地植物的需要量； 大棚蔬菜生产需要气肥。由于中午往往发生CO2饥饿现象，影响产量。根系土壤CO2浓度超过5%会对作物产生毒害。 2.氮

23、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、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。 5.腐殖酸的络合和螯合，防止某些金属如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,有机物质是多元素的长效肥,二）提高士壤的蓄水保肥和缓冲能力 腐殖质本身疏松多孔,具有很强的蓄水能力。 土壤中的粘粒吸水力一般为5060，而腐殖质可高达400600。 （三）改善土壤的物理性质 新鲜有机质是土壤团聚体主要的胶结剂，在钙离子的作用下，能够形成稳定性团聚体，腐殖质颜色深，能吸收大量的太阳辐射热，同时有机质分解时也能释

24、放热，所以有机质在一定条件下能提高土壤温度,四）促进微生物的生命活动 土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分，同时又能调节土壤水、气热及酸碱状况。 （五）促进植物的生长发育 胡敏酸具有芳香族多元酚官能团，加强植物的呼吸过程，提高细胞膜的透性，促进养分进入植物体，还能促进新陈代谢，细胞分裂，加速根系和地上部分的生长。 （六）其他方面的作用 腐殖质中含维生素、抗生素和激素，可增强植物抗病免疫能力，胡敏酸还有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染。另外，腐殖质还有利于盐、碱土的改良,2.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 腐殖酸是重金属离子的络合剂。 （二）有机物质对农药污染的影响: 褐腐酸可增大残留在土壤中的某些农药如D.D.T、三氮杂苯等溶解度，加速淋出土体。减