第四章 土壤有机质

1、第四章第四章 土壤有机质土壤有机质 有 机 质 是 土 壤 的 重 要 组 成 部 分 在土壤肥力、 环境保护、 农业可持续 发展等方面 都有着很重 要的作用和 意义 一方面它含有植物生长所需要的各种营养元素， 是土壤微生物生命活动的能源，对土壤物理、 化学和生物学性质都有着深刻的影响 土壤有机质对重金属、农药等各种有机、无机 污染物的行为都有显著的影响，而且土壤有机 质对全球碳平衡起着重要作用，被认为是影响 -全球“温室效应”，的主要因素 土壤有机质 指存在于土壤中的所有含碳的 有机物质，它包括土壤中各种 动、植物残体，微生物体及其 分解和合成的各种有机物质 第一节第一节 土壤有机质的来源、

2、含量及其组成土壤有机质的来源、含量及其组成 一、土壤有机质的来源一、土壤有机质的来源 动、植物残体 动、植物的分泌物和排泄物 人为施入土壤中的各种有机肥料 我国不同自然植被下进入 土壤的植物残体量变异很大 热带雨林凋落物干物质量 16700kg/(hm2年) 亚热带常绿阔叶 和落叶阔叶林 暖温带落叶阔叶林 温带针阔混交林 寒温带针叶林 荒漠植物 二、土壤有机质的含量及其组成二、土壤有机质的含量及其组成 有机质的含量在不同土壤中差异很大，高的可达 20或30以上(如泥炭土、一些森林土壤等)，低 的不足0.5(如一些漠境土和砂质土壤)。在土壤学 中，一般把耕层含有机质20以上的土壤，称为有 机质土

3、壤，含有机质在20以下的土壤，称为矿质 土壤 土纲面积 (103km2) 0-100cm 土层中有机碳0-15cm 土层中有机碳 Mg/hm2总量1015g占全球%范围%代表值% 新成土149219914890.06-6.0- 始成土21580163352220.06-6.0- 有机土174520453572312-5747 暗色土25523067851.2-106 变性土3287581910.5-1.80.9 旱成土317433511070.1-1.00.6 软土54801317350.9-4.02.4 灰化土48781467151.5-5.02.0 淋溶土182836912780.5-3.

4、81.4 老成土113309310570.9-3.31.4 氧化土1177210111980.9-3.02.0 其它764424181- 总计1352151576100 表2-1 全球土壤0-100cm和0-15cm土层中有机碳含量 土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N， 分别占52-58、34-39、3.3-4.8和 3.7-4.1，其次是P和S，C/N比大约在10左 右。土壤有机物质中主要的化合物组成是类 木质素和蛋白质，其次是半纤维素、纤维素 以及乙醚和乙醇可溶性化合物。与植物组织 相比，土壤有机质中木质素和蛋白质含量显 著增加，而纤维素和半纤维素含量则明显减少 土壤腐殖质 非腐殖物

5、质 Non-humic substances 腐殖物质 Humic substances 土壤腐殖质 (humus) 是除未分解和 半分解动、植 物残体及微生 物体以外的有 机物质的总称 腐殖物质是经土壤 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。它是土壤 有机质的主体，也 是土壤有机质中最 难降解的组分，一 般占土壤有机质的 60-80 第二节第二节 土壤有机质的分解和转化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一、简单有机化合物的分解和转化 有机化合物进入土壤后，一方面在微生物酶的 作用下发生氧化反应，

6、彻底分解而最终释放出 二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫等营养 元素在一系列特定反应后，释放成为植物可利 用的矿质养料，这一过程称为有机质的矿化过 程 R-(C,4H)+2O2CO2+2H2O+能量 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 在碳水化合物中，糖和淀粉容易降解， 终端产物是二氧化碳和水，而纤维素 和半纤维素不容易降解。蛋白质比较 容易降解，降解产物除二氧化碳和水 以外，还有甘氨酸(CH2NH2COOH)、 半光氨酸(CH2HSCHNH2COOH)等氨 基酸，这些含氮和硫的化合物进一步

7、 降解最后还产生NH4+、NO3-、S042-等 简单无机离子， 木质素是一类复杂的 酚类聚合物，比碳水化合物要稳定得 多，容易在土壤中积累 有机化合物 的分解从易 到难的排列 次序为 0 2 4 6 8 10 12 14 时间/年 酚10 (5) 木质素50 (40) 蜡25(5) 纤维素 75 (20) 半纤维素90 (15) 糖类99 (15) S M 100 50 10 1 剩余率 (%) 在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用进行得较快， 最后大部分有机物质变成CO2和H20，而N、P、S等则以 NH4+、NO3-、HP042-、H2P04-、S042-等矿质盐类释放出来 。但在嫌气

8、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，这样有机质消失得较慢而在 土壤中大量积累，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间 产物。在极嫌气的情况下，还产生CH4、H2等还原物质， 其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利 有机化合物在嫌气条件下的分解过程可以丙酸为例用下列 式子来表示： 4C2H5COOH+2H2O 4CH3COOH+CO2+CH4 CH3COOH CO2+CH4 CO2+4H2 2H2O+CH4 但无论是在好氧条件还是在嫌氧条件下，有机物质降解的 终端产物主要是二氧化碳，二氧化碳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、影响土壤有机质

9、分解和转化的因素二、影响土壤有机质分解和转化的因素 有机质是土壤中最活跃的物质组成。一方面，外来 有机物质不断地输入土壤，并经微生物的分解和转 化形成新的腐殖质；另一方面，土壤原有有机质不 断地被分解和矿化，离开土壤。进入土壤的有机物 质主要由每年加入土壤中动植物残体的数量和类型 决定，而土壤有机质的损失则主要取决于土壤有机 质的氧化及土壤侵蚀的程度。进人土壤的有机物质 与有机碳从土壤中损失之间的平衡决定了土壤有机 质的含量。 凡是能影响微 生物活动及其 生理作用的因 素都会影响有 机物质的分解 和转化 1、温度、温度 温度影响到植物的生长和有机质的微生物降解。 一般说来，在0C以下，土壤有机

10、质的分解速率 很小。在0-35温度范围内，提高温度能促进有 机物质的分解，加速土壤微生物的生物周转。温 度每升高10C，土壤有机质的最大分解速率提高 2-3倍。一般土壤微生物活动的最适宜温度范围 约为25-35C，超出这个范围，微生物的活动就 受到明显的抑制 2、土壤水分、土壤水分 土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的。 土壤中微生物的活动需要适宜的土壤含水量，但 过多的水分导致进入土壤的氧气减少，从而改变 土壤有机物质的分解过程和产物。当土壤处于嫌 气状态时，大多数分解有机质的好氧微生物停止 活动，从而导致未分解有机质的积累。植物残体 分解的最适水势在-0.03-0.1MPa之间，当水势

11、降 到-0.3MPa以下，细菌呼吸作用迅速降低，而真 菌一直到-4-5MPa时可能还有活性 3、通气状况通气状况 土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响。 干湿交替作用使土壤呼吸强度在很短时间内大幅度地提 高，并使其在几天内保持稳定的土壤呼吸强度，从而增 加土壤有机质的矿化作用。另一方面干湿交替作用会引 起土壤胶体，尤其是蒙脱石、蛭石等粘土矿物的收缩和 膨胀作用，使土壤团聚体崩溃，其结果一是使原先不能 被分解的有机物质因团聚体的分散而能被微生物分解； 二是干燥引起部分土壤微生物死亡 4、植物残体的特性、植物残体的特性 新鲜多汁的有机物质比干枯稿秆易于分解， 有机物质的细碎程度影响其与

12、外界因素的 接触面，而影响其矿化速率。有机物质组 成的碳氮比(C/N)对其分解速度影响很大。 植物体的C/N变异很大，豆科植物和幼叶 的C/N在10：1到30:1，而一些植物锯屑的 C/N可高达600:1。这与植物种类、生长时 期、土壤养分状况等有关 5、土壤特性、土壤特性 土壤质地在局部范围内影响土壤有机质的含量。土壤有机质 的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关，粘质和粉砂质土 壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。腐殖质与粘粒胶体结 合形成的粘粒一腐殖质复合体，可防止有机质遭受分解，免 受微生物的破坏。土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有 机质的降解。各种微生物都有其最适宜于活动的pH范围，

13、大 多数细菌活动的最适pH，在中性附近(pH6.5-7.5)，放线菌的 最适pH略偏向碱性一侧，而真菌则最适于酸性条件下(pH3-6) 活动。pH过低(8.5)对一般的微生物都不大适宜。 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X /kgm-2 沼泽 K=0.01 K=0.1 K=1 热带雨林 草地 落叶林 针叶林 冻原 I/(kgm-2) 4 0 2 第三节第三节 土壤腐殖物质的形成和性质土壤腐殖物质的形成和性质 一、土壤腐殖物质的形成一、土壤腐殖物质的形成 土壤腐殖物质的形成过程称为腐殖化作用。 腐殖化作用是一系列极端复杂过程的总称， 其中主要的是由微生物为主导的生物

14、和生 物化学过程，还有一些纯化学的反应 第一阶段是植物残体 分解产生简单的有机 碳化合物 第二阶段是通过微生物 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 第三阶段是通过微生 物合成的多酚和醌或 来自植物的类木质素， 聚合形成高分子多聚 化合物，即腐殖物质 土壤腐殖物 质的形成过 程 土壤腐殖物质一粘土矿物复合体土壤腐殖物质一粘土矿物复合体 二、二、 土壤腐殖酸的分组土壤腐殖酸的分组 腐殖物质是一类组成和结构 都很复杂的天然高分子聚合 物，其主体是各种腐殖酸及 其与金属离子相结合的盐类 ，它与土壤矿物质部分密切 结合形成有机无机复合体， 因而难溶于水 腐殖物质 不溶性腐殖物质

15、（胡敏素） 可溶性腐殖物质 沉淀物 （胡敏酸） 溶液 （富啡酸） 四、土壤腐殖酸的性质四、土壤腐殖酸的性质 1、腐殖酸的物理性质腐殖酸的物理性质 腐殖酸的分子量因土壤类型 及腐殖酸组成的不同而异， 变动范围为几至几百万之间 同一土壤中，富啡酸的平均分子量 最小，胡敏素的平均分子量最大， 胡敏酸则处于富啡酸和胡敏素之间 大小与形态大小与形态 土壤胡敏酸的直径范围在1-0.001m 之间，富啡酸则更小些 腐殖酸分子可能均为短棒形。芳香基和烷基结构 的存在使得腐殖酸分子具有伸曲性，分子结构内 部有很多交联构造，物理性空隙能凹陷一些有机 和无机化合物。腐殖酸的整体结构并不紧密，整 个分子表现出非晶质特

16、征，具有较大的比表面积 ，高达2000m2/g，远大于粘土矿物和金属氧化物 的表面积 腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的 吸水能力，单位重量腐殖物质的持 水量是硅酸盐粘土矿物的4-5倍，最 大吸水量可以超过其本身重量的500 颜色颜色 腐殖物质的整体呈黑色，而其不同组分腐殖酸 的颜色则略有深浅之别。富啡酸颜色较淡，呈 黄色至棕红色，而胡敏酸的颜色较深，为棕黑 色至黑色，这是由于它们各自的分子量的大小 和发色基团组成及其比例不同所引起的。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 2、腐殖酸的化学性质、腐殖酸的化学性质 腐殖酸的主要元素组成是碳、 氢、氧、氮、硫，此外还含有 少量

17、的钙、镁、铁、硅等灰分 元素。不同土壤中腐殖酸的元 素组成不完全相同，有的甚至 相差很大。腐殖质含 碳55-60，平均为58， 氮3-6，平均为5.6， C/N比值为10:1-12:1 腐殖酸分子中含各种功能基。其中主要是含氧的酸性功 能基，包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基(R-COOH) 和酚羟基(酚-OH)，其中羧基是最重要的功能基团。此 外，腐殖物质中还存在一些中性和碱性功能基，中性功 能基主要有醇羟基(R-CH2-OH)、醚基(R-CH2-O-H2-R)、 酮基(R-C=O(-R)、醛基(R-C=O(H)和酯(R-C=O(-OR)， 碱性功能基主要有胺(R-CH2-NH2)和酰胺(R-

18、C=O(-NH- R)。富啡酸的羧基和酚羟基含量以及羧基的解离度均较 胡敏酸高，醌基较胡敏酸低；胡敏素的醇羟基比富啡酸 和胡敏酸高，但富啡酸中羰基含量最高。我国各主要土 壤中胡敏酸的羧基含量在270480cmol/kg之间，醇羟基 在220-430cmol/kg，醌基在90-189cmo1/kg之间。富啡酸 的羧基含量为640-850cmol/kg，是胡敏酸的2倍左右，富 啡酸的醇羟基和醌基的含量分别在500-600和50- 60cmol/kg之间。 以单位重量计算，腐殖酸因带负电荷而产生的 阳离子交换量(CEC)为500-1200cmol(+)/kg，以 单位体积计算，CEC为40-80cm

19、ol(+)/L，远超过 土壤硅酸盐粘土矿物对土壤CEC的贡献。 3、腐殖酸的分子结构特征、腐殖酸的分子结构特征 腐殖酸是高分子聚合物，其分子结构 十分复杂，是由脂肪族和芳香族结构 成分聚合而成的高分子化合物 第四节第四节 土壤有机质的作用及管理土壤有机质的作用及管理 一、有机质在土壤肥力上的作用一、有机质在土壤肥力上的作用 有机质在土壤肥力上 的作用是多方面的， 它的含量是土壤肥力 水平的一项重要指标 1、提供植物需要的养分、提供植物需要的养分 土壤有机质是作物所需的 氮、磷、硫、微量元素等 各种养分的主要来源 2、改善土壤肥力特性、改善土壤肥力特性 有机质通过影响土壤物理、化学和生物学性质 而改善土壤肥力特性 物理性质物理性质 土壤团聚体的形成 过程和稳定性、土 壤的通气透水性、土 壤有效水、土 壤耕性等 化学性质化学性质 土壤吸附性 、酸碱性、 养分有效性 生物性质生物性质 土壤微生物生命 活动所需养分和 能量的主要来源 二、有机质在生态环境上的作用二、有机质在生态环境上的作用 1、有机质与重金属离子的作用有机质与重金属离子的作用 土壤腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属 离子有较强络合和富集能力。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极其 重要的影响。各种功能基对金属离子的亲和力为: O- -NH2 一N=N N COO-