土壤学课程土壤有机质

第二章

土壤有机质主要内容土壤有机质的来源、含量及组成土壤有机质的分解与转化土壤腐殖物质的性质土壤有机质的作用与管理

有机质是土壤的重要组成部分含有植物生长需要的各种营养元素对重金属、农药等有机、无机污染物的行为有显著影响是影响全球“温室效应”的主要因素土壤有机质(soilorganicmatter)存在于土壤中的所有含碳的有机化合物主要包括土壤中各种动物、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机化合物。

土壤有机质第一节

土壤有机质的来源、含量及组成一有机质的来源其中进入土壤的植物残体是最主要的来源植物残体动物残体

动物、植物、微生物的排泄物和分泌物

人为施入土壤中的各种有机肥料微生物残体

原始土壤自然土壤耕作土壤植物残体含水量一般在60-90%干物质中：C，H，O，N元素占90%-95%以上，（其中C占50%左右）；其余为营养元素约占8%。碳水化合物木质素含氮化合物树脂、蜡质、脂肪、单宁占有机质总量的15-27%,包括糖类、纤维素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。木质部的主要组成部分，是一种芳香族的聚合物。主要是蛋白质。残体化合物组成二有机质的含量与组分不同类型土壤中有机质含量差异很大，可小于1%或大于20%

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%根据耕作层中有机质含量,可将土壤分为:有机质土壤>20%矿质土壤<20%有机质的主要元素组成为C，O，H，N，分别占52%-58%，34%-39%，3.3%-4.8%和3.7%-4.1%，其次为P，S，C/N大约在10%左右。三土壤有机质的类型新鲜的有机物半分解的有机物腐殖质(humus)进入土壤中尚未被微生物分解的动、植物残体。它们仍保留着原有的形态等特征。经微生物的分解，失去动、植物残体了原有的形态等特征。包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。有机质经过微生物分解后并再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质。与土壤矿物质土粒紧密结合，是土壤有机质存在的主要形态类型，占土壤有机质总量的85％—90％。第二节

土壤有机质的分解与转化有机质在土壤中经历各种复杂的转化，归纳为两个方向：

分解过程（矿质化过程）：

复杂有机物分解为简单的物质，最后形成CO2，H2O和无机盐；

合成过程（腐殖化过程）：

形成更复杂的有机物质（腐殖质）的过程。一矿质化过程(Mineralization）土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合物二氧化碳、水、氨和矿质养分（磷、硫、钾、钙、镁等简单化合物或离子），同时释放出能量的过程。化学的转化过程动物的转化过程微生物的转化过程划分R—（C，4H，养分）+2O2CO2+2H2O+能量+养分酶氧化1.化学的转化过程水的淋溶作用降水可将土壤有机质中可溶性的物质洗出。这些物质包括简单的糖、有机酸及其盐类、氨基酸、蛋白质及无机盐等。酶的作用酶在土壤有机质转化过程中起着巨大作用，几乎大部分的生物转化过程都是在酶的作用下完成的。2.动物的转化过程机械的转化经过动物吞食的有机物（植物残体）未被动物吸收部分，经过肠道，以排泄物或粪便的形式排到体外，已经经过动物体内分解或半分解。动物将植物或残体碎解，或将植物残体进行机械的搬进及与土粒混合，均可促进有机物被微生物分解。化学的转化3.微生物的转化过程是土壤有机质转化最重要的最积极的过程，有多种酶参与催化。不含氮的有机物的转化含氮有机物的转化含磷有机物的转化含硫有机物的转化碳水化合物的分解

nC6H12O6＋6O2

6CO2＋6H20＋热量(1)不含氮的有机物的转化主要是碳水化合物，如糖类、纤维类、半纤维类、脂肪和木质素等。好气条件下生成简单的有机酸、醇、酮类，最后完全分解成CO2和水，同时释放热量。通气不良条件下形成有机酸类中间产物，最后产生甲烷、氢气等还原性物质。（2）含氮有机物的转化土壤中含氮有机物可分为两种类型：一是蛋白质类型，如各种类型的蛋白质；二是非蛋白质型，如几丁质、尿素和叶绿素等。土壤中含氮的有机物在多种土壤微生物作用下，最终分解为无机态氮（NH4+—N和NO3-—N）。氨基酸氨基酸分解产生NH3水解过程蛋白质多肽氨化过程硝化过程NH3氧化生成硝酸。反硝化过程硝态氮还原成气态氨的过程。（3）含磷有机物的转化土壤中表层有26％—50％是以有机磷状态存在，主要有核蛋白、核酸、磷脂、核素等、这些物质在多种腐生性微生物作用下，分解的最终产物为正磷酸及其盐类，可供植物吸收利用。在嫌气条件下，很多嫌气性土壤微生物能引起磷酸还原作用，产生亚磷酸，并进一步还原成磷化氢。（4）含硫有机物的转化

土壤中含硫的有机化合物如含硫蛋白质、胱氨酸等，经微生物的腐解作用产生硫化氢,通气良好的条件下,进一步氧化成硫酸,和土壤中的盐基离子生成硫酸盐。含S有机物含S氨基酸

SH2SO4（好气条件）

H2SH2S累积（嫌气条件）二腐殖化过程

(Humification)土壤有机质在微生物作用下，把有机质分解产生的简单有机化合物及中间产物转化成更复杂的、稳定的、特殊的高分子有机化合物—腐殖质的过程。两个阶段1产生构成腐殖质基本组成的原始材料（简单有机物）2合成阶段

多元酚氧化醌+氨基酸或肽酶腐殖质第二阶段：上述土壤腐殖质的组成部分，在微生物的作用下经缩合形成腐殖质的基本单元。先是多元酚在微生物的作用下氧化为醌，然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质。1产生构成腐殖质基本组成的原始材料（简单有机物）第一阶段：有机残体在微生物分解作用下，其中一部分彻底矿化，最终生成CO2、H2O、NH3、H2S等无机化合物。另一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖质的材料。2合成阶段多元酚氧化醌+氨基酸或肽酶腐殖质土壤有机质的矿质化过程和腐殖化过程是即互相对立，又互相联系，即互相独立，又互相渗透的两个过程。

矿质化过程是有机质释放养分的过程，又是为腐殖质合成提供原料的过程，没有矿质化过程就没有腐殖化过程；同时腐殖化过程的产物—腐殖质并不是一成不变的，它可以再经矿质化过程而释放养分以供植物吸收利用。三矿质化和腐殖化过程的关系四影响土壤有机质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.温度微生物活动响应于温度变化：≤0℃:无分解。

0-35℃:分解随温度而加强,每升温10℃,分解速率提高2-3倍。

25-35℃：最适分解温度。土壤水分对有机质分解和转化的影响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。土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响2.土壤水分与通气状况新鲜多汁的有机物质比干枯秸秆易于分解有机物质的细碎程度有机物质组成的碳氮比(C/N最佳比为24：1）3.植物残体的特性糖、淀粉、蛋白质>半纤维素>纤维素、木质素、脂肪、腊质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。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，

pH过低(<5.5)或过高(>8.5)对一般的微生物都不大适宜4.土壤特性---土壤溶液盐分浓度高于0.2%时，有机质分解受阻；---有毒重金属和有机污染物也会阻碍有机质的分解。5其他因素第三节土壤腐殖质在土壤中，通常以腐殖酸盐的形态存在，并与矿物粘粒结合形成复合物。通过土壤微生物的作用，在土壤中新合成的一类分子量很大的、结构复杂的有机化合物，称为腐殖质。褐色或暗褐色的，芳香族结构的，具有多官能团的含氮的、复杂的高分子有机化合物。腐殖质的主体是腐殖酸，约占腐殖质的85%-90%。土壤腐殖质组分及其分离过程图式一土壤腐殖质的分组胡敏酸富啡酸胡敏素

腐殖物质

（85-90%）多糖类氨基酸多糖醛酸苷

简单化合物（10-15%）

腐殖质失去水溶性和碱溶性不溶于酸溶于酸腐殖酸占腐殖酸总量的60%二土壤腐殖质的存在状态游离态腐殖质结合态腐殖质与矿物成分中的强盐基化合成稳定的盐类，主要为腐殖酸钙和镁与含水三氧化物如Al2O3·XH2O·Fe2O3·yH2O化合成凝胶体与土壤黏粒结合成有机无机复合体三土壤腐殖酸的性质1.颜色整体呈黑色或黑褐色，富啡酸呈淡黄色，胡敏酸为褐色。2.溶解性富啡酸溶于水、酸、碱胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱

3.元素组成C、H、N、O、P、S，其次Fe、Ca、Mg、Si。

C％H％O+S％N％胡敏酸50--622.8--6.631--402.0--6.0富里酸45--485--643--481.5一般腐殖质平均含碳为58%，氮5.6%，C/N比为10：1-12：1。我国主要土壤表土中腐殖物质的元素组成（无灰干基）腐殖物质胡敏酸HA（％）富里酸FA（％）范围平均范围平均C43.9~59.654.743.4~52.646.5H3.1~7.04.84.0~5.84.8O31.3~41.836.140.1~49.845.9N2.8~5.94.21.6~4.32.8C/H7.2~19.211.68.0~12.69.8分子量4.分子结构特性腐殖质分子中心是一个稠环或类似稠环的芳香核，可借共价键、离子键或氢键，与下述分子中的数种结合：(1)多糖、(2)多肽、(3)酚类醌、(4)金属离子、(5)有机酚类是一种高分子聚合物.球形或棒状，非晶质,比表面积大H：n×10000F：n×100-n×1000分子外形分子结构5.电性腐殖质是两性胶体，但以负电荷为主。负电荷来源于COOH=C=O-OCH3OH其中羧基是最重要的功能基团；腐殖质的总酸度通常是指羧基和酚羟基的总和。总酸度以胡敏素、胡敏酸和富里酸的次序增加。6.吸水性腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，最大吸水度最大吸水度达500％，在湿度饱和的空气中，其湿度为200％。强大的吸水性使土壤具有较强的持水供水能力。7.稳定性抵抗微生物分解能力很强，分解周转所需时间短的10年，长的几百年。刚形成的腐殖质半衰期4.7--9年。其稳定性与团粒结构的稳定性有关。不同土壤的腐殖质其稳定性差异很大,一般自然土壤大于耕地土壤。HA/FAHA/FA的比值可作为衡量土壤腐殖质品质的重要指标胡敏酸及其盐类在环境条件发生变化时，其化学性质不变，成为不溶于水的，较稳定的黑色物质；富里酸在水中溶解度很大，其水溶液呈酸性反应，它的一切盐类都溶与水，易造成养分流失。胡敏酸与富里酸含量的比值。是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。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/FA比大于1.0

而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富啡酸为主：

HA/FA比一般小于1在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA比大于旱地。

在同一地区，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。

土类名称有机碳（％）占全碳（％）胡敏酸/富啡酸活性胡敏酸（占胡敏酸总量％）胡敏酸富啡酸棕色针叶林土5.2819.6033.200.599.18暗棕壤5.2425.7229.670.8171.05白浆化暗棕壤（森林黑灰土）6.1028.326.41.07—中国自然植被下森林土壤的腐殖质组成第四节土壤有机质的作用和调节一土壤有机质的作用1.在土壤肥力上的作用（1）提供植物需要的养分

碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础。全球土壤有机质的总碳量为14-15×1017g，是陆地生物总碳的2.5-3倍。土壤每年释放的CO2达1.35×1011吨，相当于陆地植物的需要量。氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的92-98%

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。（2）促进植物生长发育胡敏酸可以加强植物呼吸过程，提高细胞膜的渗透性，促进养分迅速进入植物体。胡敏酸钠盐对植物根系生长具有促进作用土壤有机质中还含有维生素B1—B2、吡醇酸和烟碱酸、激素、异生长素（β—吲哚乙酸）、抗生素（链霉素、青霉素）等对植物的生长起促进作用，并能增强植物抗性。（3）改善土壤的物理性质腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂，形成团粒状结构，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性。土壤腐殖质是亲水胶体，具有巨大的比表面积和亲水基团，能提高土壤的有效持水量。

腐殖质为棕色至褐色或黑色物质，增加了土壤吸热的能力，提高土壤温度。（4）促进微生物和动物的活动土壤有机质是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源。土壤动物中有的也以有机质为食物和能量来源。

（5）提高土壤的保肥性和缓冲性

土壤腐殖质有着巨大的比表面和表面能，具有较强的吸附能力，腐殖质胶体以带负电荷为主，从而可吸附土壤溶液中的交换性阳离子，因此，土壤有机质具有巨大的保肥能力。腐殖酸本身是一种弱酸，腐殖酸和其盐类可构成缓冲体系，因此，使土壤具有较强的缓冲性能。（6）有机质具有活化磷的作用土壤中的磷一般不以速效态存在，常以迟效态和缓效态存在，因此土壤中磷的有效性低。土壤有机质具有与难溶性的磷反应的特性，可增加磷的溶解度，从而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率。

注意:有机质在分解时，也能产生一些不利于植物生长或甚至有害的中间物质，特别是在嫌气条件下，这种情况更易发生。2、在生态环境上的作用（1）有机质可降低或延缓重金属污染可以通过静电吸附和络合（螯合）、