土壤学：土壤有机质

土壤有机质Soilorganicmatter内容提要土壤有机质的来源及其组成土壤有机质的分解和转化土壤腐殖质土壤有机质在肥力上的作用耕地土壤有机质的调节第一节土壤有机质的来源及其组成耕地有机质含量：成土年龄，植被及气候影响为主；地形、粘粒含量一般<5%。东北最高，不少超过此数。华北、西北<1%范围0.5~20%。>20%称有机质土壤，<20%称矿质土壤作用：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。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。

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%分解程度10%~15%土壤有机质的来源灰分物质：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，其中大多数植物中碳占40%左右。多种灰分元素共占8%土壤有机质的常见化合物以化学的观点来看，自然界物质的转化有两种方式：第二节土壤有机质的分解和转化复杂的物质－－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）过程图4-1有机质的分解与合成示意图一、矿质化过程－－简称矿化作用土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。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）

碳水化合物中，简单的糖类和淀粉容易分解，而纤维素、半纤维素则较难分解，尤其是与黏粒矿物结合的多糖，抗分解力较强。脂肪、蜡质、树脂分解缓慢，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。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甲烷细菌缺氧有机物的矿化过程

蛋白质容易降解，除CO2和H2O以外，还有甘胺酸等氨基酸，这些含氮和硫的化合物最后产生NH4+、NO3－、SO42－等简单无机离子水解过程水解

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。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。硝化过程

氨、胺、酰胺

硝态氮化合物硝化微生物

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。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。

二、腐殖化过程－－简称腐化作用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。腐殖质是分两个阶段来完成的：由微生物主导的生物和生物化学过程，纯化学过程

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个步骤多元酚理论）

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）－－－－－腐殖质三、矿质化和腐殖化过程的关系在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质---->CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。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，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。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。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。激发作用**（Primingeffect)：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解，这种矿化作用称之激发作用。腐殖化系数***：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。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：有机物质转化成有机质的换算系数单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。1公顷：原有机质：2300,000kg×2%=46,000kg消耗：46,000kg×2%=920kg需要加入干物质：920kg÷0.25=3,680kg激发作用**（Primingeffect)：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解，这种矿化作用称之激发作用。四、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）水分与通气适当：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°C3）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（二）植物残体的特性

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。新鲜程度破碎程度紧实程度3、有机残体的C/N比有机物质中碳素总量和N素总量的比值有机物质组成的碳氮比（C/N）对其分解速度影响很大。

以25或30：1较为合适。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。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。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（3）土壤腐殖质的存在状态

目前常用的提取剂

0.1MNaOH溶液

0.1MNaOH+0.1M焦磷酸钠混合提取液土壤腐殖质的分离提取和分组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。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）。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）、胺基（－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：胡敏酸分子结构模型3、腐殖酸的活性功能团和电性羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等腐殖酸是一种两性胶体。即可以带负电荷，也可以带正电荷。而通常以带负电荷为主，每kg能吸附阳离子150-450cmol，保肥力强。腐殖质的负电荷数量随pH质的升高而升高。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、三价盐均溶于水。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。5、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。6、变异性

第四节土壤有机质在肥力上的作用（一）提供植物需要的养分氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的90-98%磷素营养：土壤有机质中的磷素占全磷的20-50%其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。（二）改善土壤肥力特性1、物理性质：①促进良好结构体形成；②降低土壤粘性，改善土壤耕性；③降低土壤砂性，提高保蓄性；④促进土壤升温。2、化学性质：①影响土壤的表面性质；②影响土壤的电荷性质，③影响土壤保肥性；④影响土壤的络合性质；⑤影响土壤缓冲性3、生物性质：①影响根系的生长；②影响植物的抗旱性

③影响植物的物质合成与运输；④药用作用。减轻和消除土壤中农药残毒及重金属危害。吸附