第四章土壤有机质

第四章土壤有机质

・土壤有机质的定义、来源和组成

・土壤有机质的转化

・土壤腐殖质

・土壤有机质的作用和调节

土壤有机质的定义??

C

o

存在于土壤中的所有含碳的有机化合物。

它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。

第一节土壤有机质的来源、组成

土壤有机质的来源和组成

、土壤有机质的来源

1植物残体

动物、「微生物残体

动物「植物「微生物””物和形物

I人为施入土壤中的各种有机肥料

森林土壤：枯枝落叶(lither)

草原土壤：草、根系(grassandrootsystem)

耕作土壤：作物残茬(cropresidue)、施用的有机肥

土壤有机质的来源和组成

二、土壤有机质的含量

不同类型土壤中含量差异很大，可小于1%或者大于20%。

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%

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。

土壤有机质的来源和组成

三、土壤有机质的化学组成

厂碳水化合物占有机质总量的15-27%,包括糖类、纤维

素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。

木质素木质部的主要组成部分，是一种芳香

族的聚合物。

含氮化合物*主要是蛋白质。

树脂、蜡质、脂肪、单宁、灰分物质

一”-J

第二节土壤有机质的转化

土壤有机质的转化*

土壤有机质在水分、空气、土壤动物和

土壤微生物的作用下，发生极其复杂的转

化过程，这些过程综合起来可归结为两个

对立的过程，即土壤有机质的矿质化过程

和腐殖化过程。

土壤有机质的转化

一、矿质化过程3

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。

转

分为V转

微

土壤有机质的转化

1、化学的转化过程

降壤

r水的淋溶作用物包

糖酸氨酸

蛋盐

酶

酶的作用

都

1%;二

土壤有机质的转化

2、动物的转化过程

从原生动物到脊椎动物，大多数以植物及植物残体为食。在森林土

壤中，生活着大量的各类动物，如温带针阔混交林下每公顷蚯蚓可

达258万条等，可见动物对有机质的转化起着极为重要的作用。

r机械的转化解

械搬

解

Y

化学的转化吞食物被

肠排物

解

土壤有机质的转化

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

与了催化。

r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

I含硫有机物的转化

土壤有机质的转化

(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

＜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。

J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。

・••・

FC

土壤有机质的转化

⑵含氮有机物的转化

壤蛋型

蛋蛋质

壤壤微最

(NH4+-N和NO3—N)o

(水解过程|—一屋普质—►多肽—►氨基酸

氨化过程］―k氨基酸分解产生NR,

<

;硝化过程；------NHa氧化生成硝酸。

反硝化过程—T硝态氮原成氨的过程。

土壤有机质的转化

⑶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。

嫌嫌壤微

磷酸磷酸

磷化氢

土壤有机质的转化

(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

通硫酸

壤基

*

CO2I(2/3以上)

..降解」C土壤微生物量.、

有机残体----"|-----------(3%-8%)

<残留土壤部分<多糖类、有机酸类等非

腐殖质物质

、(3%-8%)

腐殖质

(10%-30%)

矿化率(mineralizationpercent)

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。

矿化率一般在1%〜3%。

土壤有机质的转化

二、腐

Humification（腐殖化作用）

humus:土壤腐殖质是土壤中一类性质稳定，成

分、结构极其复杂的高分子化合物。

humification:进入土壤中的有机质转化形成腐殖

质的过程，是一系列极端复杂过程的总称，主要

是由微生物为主导的生物和生物化学过程，也有

一些纯化学的过程。

Humificationcoefficient腐殖化系数

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。

单位土壤每年残留碳量

每年进入单位土壤有机碳总量

土壤腐殖物质形成过程

・第1阶段：植物残体分解产生简单的有机碳水化合物

微生物水解酶（水解合成）

（矿化、氧化、分解）

H2O,CO2,H2S,NH3

有机残体=>有机物芳香物含氮物糖类（合成、代谢）

•第2阶段：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。

•第扬段：通过微生物合成的多酚和酯或来自植物

的类木质素，聚合形成腐殖物质

微生物磨氧化酶，PH4.5-6.5（氧化缩合）

多元酚=>醍—腐殖质分子带侧链（胡敏酸）

O肽糖-------

土壤有机质的转化*

土壤腐殖质的形成途径

Humification

腐殖化作用

■）勺z,J

土壤有机质的转化

三、矿质化和腐殖化过程的关系

土壤过腐殖

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一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。

土壤有机质的转化

、影响土壤有机质转化的因素

SOM周转：有机物质进入土壤后由其一系列转化和

矿化过程所构成的物质流通。

Humification腐殖化过程：简单f复杂

Mineralization矿质化过程：复杂f简单

SOM平衡：进入土壤中的有机质等于从土壤中损失的

有机质的状态。

1、i

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；

25~35c下，微生物活动最旺盛，利于SOM矿化分解。

2、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,〃干放养分;

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。

生物活动最适湿度田间持水量的60-80%。

•wettinganddryingcycle（干湿交替）

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;

燥时引起微生物死亡」又不

3、植物残体的特性

・物理状态：多汁、幼嫩绿肥易于分解

磨细粉碎易于分解。

・有机物质CN：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10:1之间,

平均在10:1到12:1之间。

•硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解

•Primingeffect（激发效应）：土壤中加入新鲜有机物质会

促进土壤原有有机质的降解。

激发效应可以是正、也可以是负

土壤有机质的转化

4、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。

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

第三节土壤腐殖质

土壤腐殖质

土壤腐殖质是褐色或暗褐色的，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。

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。

土壤腐殖质

一、土壤腐殖质的分组

目前常用的提取剂

(1)O.1MNaOH溶液

(2)0.1MNaOH+O.lM焦磷酸钠混合提取液

土壤腐殖质

不溶性月佛物

可溶性腐殖物质「敏素

酸酸化至pill

唧

腐殖质的提取与分组

土壤腐殖质*

胡敏素一"►失去水溶性和碱溶性

胡敏酸不溶于酸

腐殖酸

占腐殖酸总量的60%左右

富里酸溶于酸

土壤腐殖质*

土壤腐殖质的存在状态

游离态腐殖质很少

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

结合态腐殖质

如A1C・温0呼典•yH2(Ht合成凝胶体

与土壤黏粒结合成有机无机复合体

土壤腐殖质"粘土矿物复合机理

土壤腐殖质

三、土壤腐殖酸的性质

1、颜色

整体呈黑色或黑褐色，富里酸呈淡黄色，胡敏酸为褐色。

2、溶解性

•富里酸溶于水、酸、碱

•胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱

土壤腐殖质

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—6.63—402.0-6.0

富里酸45-485.643-481.5

总体来说，一般腐殖质平均含碳为58%,氮5.6%,

其C/N比为10:172:1。

土壤腐殖质

我国主要土壤表土中腐殖物质的元素组成

(无灰干基)

胡敏酸HA(%)富里酸FA(%)

腐殖物质

范围平均范围平均

43.4~52.

C43.9~59.654.746.5

6

H3・1~7.04.84.0~5.84.8

40.1~49.

031.3~41.836.145.9

8

N2.8~5.94.21.6~4.32.8

C/H7.2~19.211.68.0~12.69.8

■d--

土壤腐殖质

4、分子结构特性

是一种高分子聚合物.

分子量一H:nxlOOOOF:nxl00-nxl000

分子外形一中形或棒状，非晶质，比表面积大

腐殖质分子中心是一个稠环或类似稠环的芳

分子结构香核，可借共价键、离子键或氢键，与下述

”-分子中的数种结合：⑴多糖、⑵多肽、⑶酚

类配、⑷金属离子、⑸有机酚类_

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。

OHCOOHyM2UM

HOOC

X

[CH2—COOH

0

HOOCZ

1|CH2CHOH

COOHOH'，归-;XCOOH

0，

Fulvicacid富啡酸

分子量500〜5000

1958

Modtlttfudurto(hurmcKid0mM81S82)

Humicacid胡敏酸

分子量3000~1000000

AOH

ii

Cihlo

工

工

CH

工

.01H

H

LIUICH310-:-ic七0

HO-UCH

ri<

0H2心2H

OH

H,0Cha:

Ik

OH

=h

H°511

ICHz)0-5

Humin胡敏素

区分富啡酸和胡敏酸的指标

•功能团一一富啡酸含更多的竣基和酚羟基，酸度高

于胡敏酸；

•元素含量^—―富啡酸0含量明显高于胡敏酸，c含

量明显低于胡敏酸；

因此0/C为最好的指标土壤中胡敏酸的0/C约

为0.5,富啡酸的0/C约为0.7;

•E4/E6一波长465nm处/波长665nm处的紫外吸

收值。胡敏酸E4/E6一般小于5・0,富里酸E4/E6一

般在6.0-8.5之间。

土壤腐殖质

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=0-0CH3OH

・其中竣基是最重要的功能基团；腐殖质的总酸度通常

是指叛基和酚羟基的总和。

・总酸度以胡敏素、胡敏酸和富里酸的次序增加。

土壤腐殖质

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。

土壤腐殖质

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47T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。

土壤腐殖质

U腐殖质的变异性

HA/FA值：表示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。

HA/FA的比值为何可

以作为衡量土壤腐殖

质的品质？

酸酸

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，

-■彳■其水溶液呈酸性反应，它的一切盐类都溶于

水，易造成养分流失。

土壤腐殖质

•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

里酸为主：

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

土壤腐殖质

中国自然植被下森林土壤的腐殖质组成

占全碳（％）活性胡敏

有机碳胡敏酸/酸（占胡

土类名称（%）胡敏酸富里酸富里酸敏酸总量

%）

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—

*

第四节土壤有机质的作用和调节

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。土壤每年释放

的C02达L35X10P吨，相当于陆地植物的需要量。

J•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。

有机质的作用和调节

⑵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Bl—B2、毗醇酸和烟碱酸、

激素、异生长素（B一引味乙酸）、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

健一一一一…

-.>一

⑶改善土壤的物理性质

•改良土壤结构，促进团粒结构的形成,增加土壤的

疏松性，改善土壤的通气性和透水性。

I________________________________

•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，增加了土壤吸热理;

的能力，提高土壤温度。

有机质的作用和调节

(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(如蚯蚓等)也以有机质为食物

和能量来源。

有机质的作用和调节

⑸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。

有机质的作用和调节

(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。

解植

物嫌更

发生。

有机质的作用和调节

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

如胡敏酸将Cr6+还原为CN+,然后形成稳定的复合体。

可以通过静电吸附和络合(螯合)、还原作用来实现。

(2)有机质对农药等有机污染物具有固定作用

土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的亲和力，对有机污染物

在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重

要的影响。

(3)有机质对全球碳平衡的影响

土壤有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。

土壤有机碳库

土壤有机碳储量、分布和密度

土壤有机碳的储藏量在不同生态系统的土壤中和不同

类型土壤中的分布是不同的，它取决于土壤的植被类型和

面积以及地位其遨的土壤碳密度。

壤有机碳密度面积(1m2或1hm2)

o单位为kgC/m2。

受到植被类型及其生产力的制约

在不同的土壤类型之间也有一定的差别

砍伐森林

有机质的作用和调节

二、土壤有机质的调节

为什么要对土壤有机质含量进行调节?