chapter4 土壤有机质与生物

第四章土壤有机质和土壤生物重点及难点：（1）有机质转化过程及其影响因素（2）土壤有机质在土壤肥力上的作用（3）合理管理土壤有机质（4）土壤生物的组成及其作用

有机质是指来源于生命、以各种形态存在于土壤中的含碳有机化合物的总称，包括动、植物残体、微生物体及其分解和合成的有机化合物等（广义）。有机质是土壤腐殖质。而土壤腐殖质是动植物有机残体经微生物分解和再合成的一类特殊的、复杂的、性质比较稳定的高分子有机化合物。§4.1土壤有机质的来源、含量及组成一、土壤有机质来源原始土壤：微生物是其最早来源

森林土壤：枯枝落叶、土壤生物

草原土壤：草、根系、土壤生物

耕作土壤:作物残茬(一般占籽实产量的35-40%)、施用的有机肥（人畜粪尿、绿肥、堆肥等）、土壤生物

二、土壤有机质的含量及组成1、含量

一般把耕层含有机质200g/kg以上的土壤，称为有机质土壤，在200g/kg以下的土壤，称为矿质土壤。

土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,北方土壤有机质含量高于南方土壤。四川土壤有机质含量（%）OM%＞4.00

3.01－4.00

2.01－3.00

1.01－2.00

0.61－1.00

＜0.60水田%

1.29

6.19

39.9

51.99

0.63

0.004旱地%

3.14

5.52

18.72

46.26

24.66

1.102、化学元素组成(水%＝75，干物质%＝25)干物质C

H

O

N＋灰分元素%

44

8

40

8

C/N大约为10左右3、化学物质组成成分纤维素半纤维素木质素蛋白质脂肪、树脂等%

2－10

0－2

30－50

28－35

1－84、形态

新鲜有机质、半分解有机物、腐殖质

§4.2土壤有机质的转化及其影响因素一、矿质化过程

矿质化：指复杂的有机质在微生物的作用下，转化为简单的无机物的过程。1、碳水化合物的矿质化

碳水化合物有机酸CO2＋H2O

若在低温、嫌气条件下，有机酸变为CO2和H2O的过程受到阻碍，产生有机酸的累积，从而造成植物根系萎缩、腐烂。如：甲酸3.2×10-3M、乙酸4.6×10-3M、正丁酸7×10-4M，就会对植物根系产生较严重的危害。解决办法：排水晒田、施草木灰（中和酸、补充K素）有机肥施用前进行堆沤。2、含氮化合物的矿质化

蛋白质氨基酸NH4＋NO3-N素同化

N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关:

C/N＞25时，产生N素生物固定

C/N＜25时，产生N素有效化豆科绿肥（三叶草等）C/N小，施入土壤后能提供N素（N素有效化）；禾本科作物秸秆C/N大，直接还田易造成M与作物争夺N素，造成N素的生物固定。秸秆还田应配施化学N肥：一般亩施秸秆300－400kg，需要配施化学纯N3－4kg。3、脂肪、树脂、蜡质、单宁的矿质化

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。

4、木质素的矿质化

木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中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。

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(percentmineralization)。

矿化率一般在1%～3%。由于土壤有机质的矿化率与有机氮的矿化率同步，因而可通过测定土壤有机氮的矿化率来代表有机质的矿化率。

二、腐殖化过程

进入土壤中的有机质经生物化学作用，将简单有机化合物重新合成更为复杂且比较稳定的特殊高分子有机化合物（腐殖质）的过程。

进入土壤的有机物经过一年的腐殖化过程后所残留的碳占原总碳量的比率，或单位重量的有机碳在土壤中分解一年后残留的碳量，称为有机质的腐殖化系数Humificationcoefficient。1、腐殖质的形成还原糖形成途径多元酚理论SelmanWaksman

木质素—蛋白质理论形成途径

分解阶段：植物残体分解产生腐殖质的组成单元——简单有机碳水化合物，如芳香族化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸或肽）等；（增殖阶段：通过微生物对有机化合物的代谢作用及反复的循环，增殖微生物细胞；）合成阶段：香族化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸或肽）等经缩合作用形成腐殖质。形成阶段

2、土壤腐殖质的组分

非腐殖物质(Non-humicsubstances)(20~30%)

腐殖物质(Humicsubstances)（60~80%）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。胡敏素(Humin，Hu)胡敏酸(Humic

acid,HA)富啡酸(Fulvic

acid,FA)HAFAHu土壤腐殖质的提取3、土壤腐殖质的存在形态游离态与矿物成分中的盐基化合成稳定的盐类(腐殖酸钙、腐植酸镁）与含水三氧化物形成复杂的凝胶与层状硅酸盐黏粒矿物结合成有机无机复合体主要键合机理：范德华力、氢键、静电吸附、阳离子键桥等土壤腐殖质-黏土矿物复合机理4、土壤腐殖质的性质（1）物理性质分子量、形状、颜色

A、分子量很大。分子量大小与单体和聚合度有关；B、形状球形结构，疏松多孔，似海棉；C、颜色分子量愈大，颜色愈深（HA分子量大，褐色；FA分子量小，呈淡黄色）溶解性与吸收性A、溶解性(dissolution)FA、HA都溶解于碱，HA不溶于酸，而FA溶解于酸。B、吸收性(absorbency)

亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的500%。（2）化学性质元素组成C、H、O、N、P、S为主

含C量为55～60%，平均58%，100/58＝1.724C：N：P：S＝100：10：1：1～120：10：1：1实验测定土壤有机质时，测出含C量后×1.724即得土壤有机质含量（OM%＝C%×1.724）功能团含有－COOH、－OH、酮基、氨基等多种功能团功能团的解离导致腐殖酸带电如：R－COOHR－COO－＋H＋R－OHR－O－＋H＋R-CH2-NH2R-CH2-NH3＋（3）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5、我国土壤腐殖质的分布规律

由东向西，腐殖质含量降低；胡敏酸相对含量、芳化度及分子量逐渐降低；HA/FA逐渐减小；从北到南，由黑土带—暗棕壤—棕壤—黄棕壤—红壤—砖红壤过渡，胡敏酸相对含量、芳化度及分子量逐渐降低；富啡酸相对含量升高。北方HA/FA>1;南方HA/FA<1。三、影响土壤有机质转化的因素1、有机质本身的物质组成物理状态:多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎易于分解，疏松有机物质易于分解。有机物质C/N：大，不易分解；小，易于分解

一般耕作土壤表层有机质的C/N比在8:1到15:1之间，平均在10:1到12:1之间。有机质C/P、C/S：硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解

激发效应(Primingeffect)：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质降解的效应。可以是正、也可以是负。

2、土壤特性土壤温度影响植物生长和微生物的分解。

0℃以下，SOM分解速率很小；

0~35℃范围内，每升高10℃，SOM最大分解速率提高2~3倍；

25~35℃下，微生物活动最旺盛，利于SOM矿化分解。土壤pH和质地

pH：中性条件下利于SOM分解质地：质地愈黏重，腐殖化系数愈高，愈难分解化合成腐殖质土壤水分和通气状况

好气：水少气多,氧气充足，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，微生物活动受抑制,氧化分解很慢；SOM腐殖化合成腐殖质

微生物活动最适湿度田间持水量的60-80%。干湿交替(wettinganddryingcycle)

一方面增加土壤呼吸作用，破坏土壤结构体，利于SOM的矿质化分解；另一方面干燥时引起微生物死亡，又不利于SOM分解。3、人类活动对土壤有机质转化的影响§4.3土壤有机质的作用及管理一、土壤有机质的作用

(一)在土壤肥力上的作用1、提供养分

植物生长所需养分N：80～97%，平均95%；P：20～76%；S：38～94%为有机态，由有机质提供。

2、促进养分有效化

OM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。

3、促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质土壤有机质土壤团聚体的主要胶结剂，有机质能改变砂粒的分散无结构状态，又能改善黏粒的黏重大块结构，促进土壤良好结构（团粒结构）的形成，从而改善土壤通透性；有机质使土壤颜色变暗，吸热能力增强，

热容量增加，保温性提高；由于粘结力(bindingforce)：砂＜有机胶体＜黏粒，有机质能降低土壤黏性，改善土壤耕性；降低土壤膨胀性，防止土壤干旱时出现大的裂缝。

4、提高土壤保肥性

土壤腐殖质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，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）胶体类型有机胶体高岭石蒙脱石吸附力150～450（平均350）3～580～1005、提高土壤缓冲性

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緩冲；遇H＋时则由于带负电荷而吸附H＋对酸緩冲；同时，由于腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起緩冲作用。6、提高土壤生物活性和酶活性为M提供C源和N源；腐殖酸在一定浓度下能促进M和植物的生理活性，增强植物抗旱能力；OM含有多种生理活性物质，促进植物生长，增强植物抗病虫害能力。（二）在生态环境上的作用

1、络合重金属离子，减轻重金属污染2、减轻农药残毒

腐殖酸可溶解、吸收农药，如DDT易溶于HA3、全球C平衡的重要C库

土壤有机质是全球C平衡的重要C库。

全球土壤有机质总碳量：

14×1017~15×1017g

陆地生物总碳量：

5.6×1017g

全球每年土壤有机质生物分解释放到大气中的总碳量：68×1015g

全球每年因焚烧燃料释放到大气中的总碳量：

6×1015g