浙江大学土壤学第4章课件

第三章土壤有机质Soilorganicmatter第三章土壤有机质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0.5%5%0.5-2.0%7%耕地有机质含量一般<5%。范围0.5~20%。>20%称有机质土壤，<20%称矿质土壤0.5%5%0.5-2.0%7%耕地有机质含量含量：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。含量：我国一般5%以下。东北最高，不少超过此数。华北、西北<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第一节土壤有机质的来源及其组成来高等植物（地上部和地下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

含氮化合物（蛋白质氨基酸）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C、H、O、N为主，含有灰分元素。C、H、O、N占90%以以化学的观点来看，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

成为进入自然因素人为因素生物死亡后－－生物残体－－土壤－－－－－－－－破碎残体＋土壤充分混合－

风霜雨雪耕作栽培比表面增大

微生物分泌胞外酶

微生物吸入体内部分建造机体部分氧化土壤有机质－－－－－－－－中间产物－－－－－－－－－－－－－

第一阶段

（简单的糖类、有机酸类）第二阶段CO2、H2O、NH4、K+、H2PO4-

（最终产物阶段）

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：C6H12O6CO2+H2O+W微生物O2(C6H10O5)n+nH2O(纤维素、淀粉）nC6H12O6（葡萄糖）水解酶C6H12O6CH3CH2CH2COOH+2H2+CO2+W丁酸细菌缺氧H2+CO2CH4+2H2O甲烷细菌缺氧不含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。含N有机物的矿化含N有机物的矿化在土壤中一般（1）水解过程水解

水解

蛋白质

多肽

氨基酸、酰胺等

朊酶

肽酶条件：①好气或嫌气；②真菌、细菌、放线菌等；

③在通气良好；④温度较高；

⑤水分60~70%；⑥pH值适中；

⑦C/N比适当的条件下，矿化作用最强烈，最彻底。（1）水解过程水解水解（2）氨化过程

RCHNH2COOH+O2RCH2COOH+NH3+E

酶条件：①好气或嫌气；②真菌、细菌、放线菌等；③在通气良好；④温度较高且特别敏感；

⑤水分60~70%；⑥pH值要求在4.8~5.2⑦C/N比适当的条件下，矿化作用最强烈，最彻底。氨化微生物（2）氨化过程氨化微生物（1）亚硝化作用

亚硝化微生物

2NH4+3O22NO2-+2H2O+4H++158千卡

以(Nitrosonas为主) 条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物）

通气：良好

O2<5%pH5.5-10(7-9),<4.5受抑制！水分：50~60%

温度：35℃＜2℃STOP!

养分：Cu，Mo等促进硝化作用的进行。缺钙，不利。2．硝化过程

氨、胺、酰胺

硝态氮化合物（1）亚硝化作用条件：亚硝化细菌（专性自养型微生物）2．硝化（2）硝化作用

硝化微生物

2NO2-+O22NO3-+40千卡

以(Nitrobacter为主)

条件：硝化细菌（以Nitrobacter为主）其它同上在通气良好的条件下，硝化作用的速率＞亚硝化作用＞铵化作用，因此，在正常土壤中，很少有亚硝态氮和铵态氮及氨的积累。（2）硝化作用在通气良好的条件下，硝化作用的速率＞亚硝化浙江大学土壤学第4章课件反硝化作用的条件是1）具反硝化能力的细菌，反硝化细菌现已知有33个属，多数是异养型，也有几种是化学自养型，但在多数农田都不重要；

2）合适的电子供体，如有机C化合物、还原性硫化合物或分子态氢；有效态碳的影响最大;3）厌氧条件，与田间持水量大小密切相关；嫌气状态

O2<5%或土壤溶液中Eh<344mv(pH=5时)4）有硝态氮存在5）pH7-8.2pH<5.2-5.8或

pH>8.2-9时，反硝化作用减弱。

反硝化作用的条件是（1）亚硝酸分解反应

3HNO2

HNO3+2NO+H2O条件：酸性愈强，分解愈快。（2）氨态氮的挥发在碱性条件下，

NH4++OH-

NH3

+H2O土壤中的铵态氮在碱性条件下，很容易以NH3的形式直接从土壤表面损失掉。2．化学脱氮过程

主要是指在一些特殊的情况下，如强酸反应，温度较高和水分含量很低等，亚硝酸协与一些其他化合物（包括有机化合物）进行化学反应而生成分子态氮或氧化亚氮的过程

（1）亚硝酸分解反应2．化学脱氮过程二、腐殖化过程－－简称腐化作用

概念：微生物分解有机质产生的中间产物再经微生物作用而合成腐殖质的过程。腐殖质的合成机制还不完全清楚，目前，主要有以下几种说法：植物成分形成学说：腐殖质是植物成分（木质素）稍加改变而成。细胞自溶学说：生物死亡后，细胞自溶产生的残体经缩合、聚合而形成。

微生物合成学说：微生物在体内合成类似腐殖质的高分子化合物，死亡后释放在土壤中而形成。生物－化学学说：目前，讨论最多的方式，重点掌握。腐化作用的机制目前还不完全清楚，比较公认的说法是生物－化学学说。

二、腐殖化过程－－简称腐化作用概念：微生物分解有机质产生的该学说认为，腐殖质是分两个阶段来完成的：

第一阶段－－中间产物形成阶段：微生物酶微生物酶

有机残体－－－多元酚、糖类、氨基酸－－－－CO2、H2O、NH4、H2PO4、K能量第二阶段－－合成腐殖质的阶段：（该阶段分4个步骤）

酚氧化酶

a.多元酚化合物－－－－－－－醌类化合物

酶催化或纯化学反应（缩合作用）

b.醌类化合物－－－－－－－－－－－－－－腐殖质的单体分子

聚合作用

c.n个腐殖质的单体分子－－－－－复杂的环状化合物

缩合作用

d.复杂的环状化合物＋侧链（糖类、氨基酸类）－－－－－腐殖质该学说认为，腐殖质是分两个阶段来完成的：第一阶段－－中间产木质素纤维素和其它非木质素物质多元酚醌胡敏酸富啡酸微生物分解被微生物利用酚氧化酶氨基化合物氨基化合物微生物再利用氧化成CO2

形成腐殖质的多元酚理论示意图

F.J.Stevenson编<Humuschemistry>P.197

合成可以在细胞内产生，也可能在细胞外产生，主要属于微生物控制的多种酶促反应，也可能有纯化学的合成反应，在纯化学反应中，粘粒矿物可能起重要催化作用。木质素和蛋白质分解产物的重要作用。木质素纤维素和其它非木质素物质多元酚醌胡敏酸富啡酸微生物分解特点特点：整个过程都有微生物的参与，微生物是土壤中合成腐殖质的根本动力；凡是影响微生物生命活动的因素最终都将影响腐殖质的合成。一般来说，厌气的条件下，中间产物积累多，形成的腐殖质也多。特点特点：整个过程都有微生物的参与，微生物是土壤中合成腐殖质腐殖化系数：有机物质施入土壤中后，形成腐殖质的数量与其原来数量的比值。通常把每克干重的有机质经过一年分解后转化为腐殖质（干重）的克数来表示，一般在0.2-0.5范围内，例如稻田紫云英每亩施500公斤(干物)，可使腐殖质增加100-250公斤。腐殖化系数：有机物质施入土壤中后，形成腐殖质的数量与其原来数三、影响有机质分解和转化的因素（一）

影响有机质转化的环境因素(有机质分解与环境条件的关系)

凡是影响微生物活动的环境因素均影响有机质的分解和转化1）湿度与通气适当：分解快、分解完全、释放养料多，无毒害，利于植物生长；但不利累积；过湿、不通气：分解慢，产生毒害物质；利于积累。水田矿化率不比旱地低；微生物处在一种特异的生态环境中2）温度：适宜25~35°C0~25℃温度越高分解越快；>45℃温度越高分解越慢三、影响有机质分解和转化的因素（一）影响有机质转化的环境因3）质地：越粘重越难分解质地→通气、持水→分解转化粘粒吸附酶及胶结有机物质使其难分解4）pH值：细菌适宜pH6.5~7.5放线菌稍偏碱真菌pH3~65）含盐量：盐多（>0.2%）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3）质地：（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（二）有机残体本身的理化性状与分解速度的关系有机化合物组成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C—CO2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4～5：1，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。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。第三节土壤腐殖质一、腐殖质的概念和类型－－－土壤腐殖质是通过微生物的作用，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土样磨碎过筛后的土样黑色残余物溶液褐色沉淀黄色溶液除去动植物分离步骤：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

这两种腐殖酸在品质上有很大的差异：

胡敏酸（HA）富里酸(FA)颜色不同

黑色或棕色黄色分子量和功能团不同大多小少带电量和酸不同多弱少强HF/FA：从东－－西黑土－－黑钙土－－栗钙土－－灰钙二、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）。二、腐殖质的理化特征1、腐殖质的元素组成主要包括三大部分：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（－C＝O）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：主要包括三大部分：2、分子结构：胡敏酸分子结构模型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，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-CHNHR——NH+H+=R——NH2+

R’R’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。电荷数量随土壤pH而变，属两性电荷:酸度：羧基和酚羟基是造成浙江大学土壤学第4章课件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。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１％，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。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=1.5－2.5；南方砖红壤中，以富里酸为主，HA/FA<0.45；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的比例土壤类型与腐殖质的组成和性质6、地带性变异：组成和HA/F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；