第二章 有机质.ppt

1、第二章 土壤有机质,【教学目标】,土壤有机质的来源、含量及其组成,2.土壤有机质的转化过程,3.土壤有机质的作用,4.土壤有机质的调节,第二章 土壤有机质 (soil organic matter),概念：土壤有机质(soil organic matter) 土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。,土壤有机质与土壤肥力关系,第一节有机质的来源、含量及组成,一、土壤有机质的来源,1、死亡的动植物、微生物残体。2、施入的农家肥。3、工业及城市垃圾废水、废渣。,原始土壤：微生物体是土壤有机质的最早来源。,自然土壤：是死亡的动、植物，微生物残体及植物的枯枝

2、落叶，但基本来源是它上面生长的绿色植物。,耕地土壤：可概括为两个方面：（1）栽培作物的残留物（2）施用的有机肥。其中后者其主导作用。 作物根茬、还田秸秆、绿肥、人畜粪尿、工农产品下脚料、城市生活垃圾、有机肥料（腐殖酸肥料）,土壤中的微小有机颗粒,第一节有机质的来源、含量及组成,二、土壤有机质含量,草原土壤：56%， 砂质土壤： 20% 矿质土壤：20%,第一节有机质的来源、含量及组成,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%,三、土壤有机质的组成,(1) 化学元素组成 土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N， 碳占52%-58%、氧占34%-39

3、%、氢占3.3%-4.8%、氮占3.7%-4.1%，其次是硫、磷 C/N比大约在1012之间。,有机质的含碳量平均为58%，有机质含量=1.724*有机碳,第一节有机质的来源、含量及组成,(2) 化合物组成，可分为: 腐殖物质 （Humic Substance) 60%-80% 非腐殖物质 （Non-Humic Substance) 20%-30%,常见的化合物有纤维素、半纤维素、蛋白质、木质素及脂类。,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,(3) 存在形态： 新鲜的动、植物残体 半分解的动、植物残体 腐植物质,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,植物组织与土

4、壤有机质组成比较,第一节有机质的来源、含量及组成,土壤有机质组成基本特点： 1.土壤有机质中木质素和蛋白质含量比植物组织中含量增加 2.纤维素和半纤维素含量减少 3.土壤中形成了腐殖质,决定土壤有机质含量的因素： 进入土壤的有机物质数量 土壤有机质的损失量 土壤有机碳的平衡,第一节有机质的来源、含量及组成,非腐殖质,结构简单、易被微生物分解、具有明确的物理化学性质的物质，这些物质统称为非腐殖质。 包括土壤中的糖类物质、有机酸和一些化学结构已知的含N化合物，如氨基酸、氨基糖等。 占土壤有机质的2030%,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,糖类物质 saccharides,在一

5、般有机体代谢过程中，糖类物质中所含的结合能是最好的能量来源，在土壤代谢过程中，糖类同样可作为能量物质,是土壤微生物的主要能源物质。 土壤中糖类物质中的C约占土壤有机C总量的5-25%，已发现的土壤糖类物质的种类很多，主要可分为单糖、多糖、糖醛酸和氨基糖等。,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,土壤中糖类物质的重要性,络合多糖可将土壤颗粒结合为稳定的团聚体。 多糖也可和金属离子形成络合物，并成为腐殖质合成的建造单元； 氨基糖的矿化，可向植物供应N素； 有些糖类可以刺激种子发芽和根的延伸； 多糖还会影响土壤的阳离子代换量和微生物活性,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量

6、及组成,脂类 lipids,土壤中的脂类，大部分是植物和微生物组织的残余物，约占土壤有机质总量的2-6%。 主要包括蜡类、有机酸、碳氢化合物、多环烃、甘油酯和磷脂、类固醇和类萜、类胡萝卜素等,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,土壤脂类的重要性,具有生理活性 抑制或促进作用。某些土壤溶液中高浓度的酚酸不利于植物的生长。脂类还可能是世界上半干旱地区残茬覆盖耕种制度下小麦产量低的原因。 改变土壤物理性质 脂类是疏水的，因而影响团聚体稳定性和湿润程度。蜡类物质使砂土具有排斥水分的性质。,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,有机氮化合物 organic N,主要形态

7、：氨基酸、氨基糖和核苷酸。 主要来源：生物残体中的含氮化合物，即蛋白质和缩氨酸。 未知N：土壤中还有30%以上的有机N化合物，它们很稳定，抗酸、抗碱水解，对于这一部分N在土壤中的状况和性质，目前了解的还很不够。,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,腐殖质 Humus,在微生物作用下，形成的一类结构复杂、性质稳定的特殊性质的高分子化合物。 这类化合物都具有三种基本成份,即芳核结构、含N有机化合物及复环形式碳水化合物，其特殊性在于其主体不同于生物体中已知的高分子有机化合物。,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,腐殖质 Humus,三、土壤有机质的组成,第一节有机

8、质的来源、含量及组成,化学组成：腐殖质的化学组成中主要是C、H、O、N、P、S，还有少量的Ca、Mg、Fe、Si等灰分元素。,功能团组成：腐殖质组分中有许多的功能团，其中最主要的是含氧功能团，比如：羧基RCOOH、酚式羟基（OH）、醇羟基（ROH）、甲氧基OCH3，醌基,腐殖质 Humus,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,腐殖质在土壤中存在形态,a：游离态的腐殖质，只占极少部分,b：有的与盐基化合形成盐类，主要腐殖酸钙、镁盐,c：有的与含水三氧化物化合形成复杂的凝胶体。,d：与粘粒结合形成胶质复合体,第一节有机质的来源、含量及组成,以上是依据腐殖酸类物质溶解性进行分类与提

9、取 请注意三大类腐殖组分，胡敏素、胡敏酸（HA）和富里酸（FA）,土壤有机质,微生物 生物量,未分解或部分 分解的动植物残体,土壤腐殖质,非腐殖物质,腐殖物质,可溶性腐殖物质,胡敏素,富里酸,胡敏酸,humus,Humic substance,Non-humic substance,Fulvic acids,Humic acids,humin,(用稀氢氧化钠分离),(酸化pH2),沉淀物,沉淀物,土壤腐殖酸的性质 （一）物理性质,分子量很大。分子量大小与单体和聚合度有关； 形状球形结构，疏松多孔，似海棉； 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： FA

10、、HA都溶解于碱，HA不溶于酸，而FA溶解于酸。 吸收性：亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的500%。,腐殖质 Humus,第一节有机质的来源、含量及组成,腐殖质是两性胶体，既带负电荷又带正电荷，通常以带负电荷为主，电性来源主要是分子表面羧基、酚羟基的解离以及胺基的质子化。,带电性,腐殖质 Humus,第一节有机质的来源、含量及组成,络合能力 能与铁、铝、铜锌等高价金属离子形成络合物，其中羧基与酚羟基是主要参与络合金属离子的功能团，络合物的稳定程度随pH升高而增大。,腐殖质 Humus,三、土壤有机质的组成,第一节有机质的来源、含量及组成,稳定性 其化学稳定性强，抗微生物分解能力强，因此

11、分解周期长，在温带植物残体的半分解期为3个月，而新形成的土壤有机物质的半分解期为4.7-9年，胡敏酸在土壤中平均停留时间780-3000年，富里酸为200-630年。,第二节 土壤有机质的分解和转化,土壤中有机物质的转化分为矿质化和腐殖化两个过程 矿质化是复杂的有机物质分解为简单无机化合物(CO2和H2O)的过程，并释放出矿质养分和热量。 腐殖化是分解中间产物后又合成更复杂、稳定、胶状的高分子聚合物的过程，它使有机质和养分得以保存起来。,第二节 土壤有机质的分解和转化 一、矿化过程与腐殖化过程 1、矿化作用(Mineralization)* 土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成 二氧化

12、碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。 2. 矿化作用的意义 为作物生长释放出了营养元素-有效化过程 为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。,a,第二节 土壤有机质的分解和转化 一、矿化过程与腐殖化过程,第二节 土壤有机质的分解和转化 一、矿化过程与腐殖化过程,c.含磷和硫化合物的分解,3. 矿化率（mineralization rate)：每年因矿化而消耗的有机物质量占土壤有机质总量的百分数。 矿化率作为土壤矿化快慢的指标。一般土壤年矿化率为1%左右,腐殖化过程:(Humification)* 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

13、杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。,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。,腐殖质形成,第二节 土壤有机质的分解和转化,图4-1 有机质的分解与合成示意图,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。,第二节 土壤有机质的分解和转化,（一）土壤生物的组成与活性 土壤动物促进植物残体的破碎

14、和运输 真菌可促进木质素的分解 细菌和放线菌可促进碳水化合物的分解,二、影响有机物质的分解和转化的因素,第二节 土壤有机质的分解和转化,（二）土壤特性 1、质地 粘粒含量越高，有机质含量也越高。 2、pH值 中性、钙质丰富较好，pH6.5-7.5。 3. 水分 最适湿度：土壤持水量的50-80% 低洼、积水有利于有机质的积累 4. 通气性 通气不良易有机质累积 5. 温度 最适宜温度大约为25-35 ,第二节 土壤有机质的分解和转化,2、C/N比*,新鲜程度 破碎程度 紧实程度,（三）植物残体的特性,1、物理状态,第二节 土壤有机质的分解和转化,有机物的C/N比：指有机物中C总量与N总量的比。

15、,C/N比理论,作为植物残体的分解者，土壤微生物组成自身细胞时对C和N的需求具有一定的比例关系，即每形成1份的生物组织形态的有机C，同时需要一定数量的N进入细胞内，用以合成生物组织的化合物。 C/N为2025 : 1的有机残体提供的能量和N最适合。,第二节 土壤有机质的分解和转化,第二节 土壤有机质的分解和转化,有机物的C/N2530/1：有机物中的N素供应不足，微生物就可能从土壤中吸收有效N用于构成微生物体细胞，从而产生微生物与植物竞争土壤有效N的现象，也有可能抑制微生物的繁殖和生长，从而使有机物的分解受到抑制。,第二节 土壤有机质的分解和转化,有机物的C/N2530/1：有机物中的N素供应

16、充足，微生物的繁殖和生长要快得多，有利于矿质化作用的进行。 实际上大多数有机残体的C/N远远大于2530/1，比如禾本科作物的秸秆，其C/N80100：1远远大于2530/1，为了促进它的分解，并防止植物缺N，应该补施一定的化学N肥。,有机残体的C/N比,第二节 土壤有机质的分解和转化,C/N影响,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。 C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中 的有效氮，相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮，,动画演示,但是,不论C/N有多高，经过微生物多次作用后，稳定在一定数值，耕作土壤表层8:1-15:1，平均值10:

17、1-12:1,第二节 土壤有机质的分解和转化,一. 土壤有机质在土壤肥力方面的作用,(一)提供植物需要的养分 1. 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CO2达1.351011吨，相当于陆地植物的需要量. 大棚蔬菜生产需要气肥。由于中午往往发生CO2饥饿现象，影响产量。根系土壤CO2浓度超过5%会对作物产生毒害,2. 氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的90-98%,第三节 土壤有机质的作用,一.土壤有机质在土壤肥力方面的作用,3.磷素营养：土壤有机质中的磷素占全磷的20-50% 4.其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。 5.腐殖酸的络合和螯合，防止了某

18、些金属如Cu、Zn沉淀，提高了有效性。 6.有机酸促进了矿物风化、溶解释放其养分,有机物质是多元素的长效肥,第三节 土壤有机质的作用,一、土壤有机质对提高土壤肥力的作用 土壤有机质，特别是腐殖质，对土壤肥力的影响是多方面的，主要可归纳如下几点： （一）植物养分的重要来源 土壤有机质含有大量而全面的植物养分，特别是氮素，土壤中的氮素95以上是有机态的，经微生物分解后，转化为植物可直接吸收利用的速效氮。 （二）提高士壤的蓄水保肥和缓冲能力 腐殖质本身疏松多孔，具有很强的蓄水能力。土壤中的粘粒吸水力一般为5060，而腐殖质可高达400600。,第三节 土壤有机质的作用,一、土壤有机质对提高土壤肥力的

19、作用 （三）改善土壤的物理性质 新鲜有机质是土壤团聚体主要的胶结剂，在钙离子的作用下，能够形成稳定性团聚体，腐殖质颜色深，能吸收大量的太阳辐射热，同时有机质分解时也能释放热，所以有机质在一定条件下能提高土壤温度。 （四）促进微生物的生命活动 土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分，同时又能调节土壤水、气热及酸碱状况。,第三节 土壤有机质的作用,一、土壤有机质对提高土壤肥力的作用 （五）促进植物的生长发育 胡敏酸具有芳香族的多元酚官能团，可以加强植物的呼吸过程，提高细胞膜的透性，促进养分进入植物体，还能促进新陈代谢，细胞分裂，加速根系和地上部分的生长。 （六）其他方面的作用 腐殖质中含维生素、抗

20、生素和激素，可增强植物抗病免疫能力，胡敏酸还有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染。另外，腐殖质还有利于盐、碱土的改良。,第三节 土壤有机质的作用,（一）有机质对重金属污染的影响 腐殖酸是重金属离子的络合剂。 （二）有机物质对农药污染的影响:褐腐酸可使残留在土壤中的某些农药如D.D.T、三氮杂苯等溶解度增大，加速淋出土体。减少对农作物危害， （三）土壤有机质对全球碳平衡的影响 （四）对环境不良影响 还原气体的产生 CH4、H2S等,二、有机质在生态环境上的作用,第三节 土壤有机质的作用,（一）提高土壤有机质含量的原则 1. 生态平衡原则 在各种环境条件下，土壤有机质矿化和腐殖化处于相对平衡

21、状态，故土壤有机质含量一般是相对稳定的； 在特定的气候带，特定植被条件下，土壤有机质积累到一定数量时，将保持较稳定的数值，不可能上升到惊人的水平； 有机质含量下降要比提高快。(东北黑土开垦后退化),第四节土壤有机质的管理,（一）提高土壤有机质含量的原则 坚持两个原则 2. 经济原则 超量使用有机肥或其它大量的有机物质是不现实的、更是不经济的，必须按照经济原则培肥土壤。 （有机无机并重）,第四节土壤有机质的管理,土壤有机质（碳）的动态平衡,土壤有机质含量并非可以无限提高，在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。,第四节土壤有机质的管理,（二）提高有机质含量的措施,1、施用有机肥,主要的有机肥源包括

22、： 绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥、 有机、无机肥料配合施用,2.种植绿肥 田菁 紫云英 紫花苜蓿等,（1） 休闲绿肥 （2）粮肥间套 养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,第四节土壤有机质的管理,施用有机肥,田间麦秸堆腐还田,3.秸秆还田,要注意秸秆的C/N比、破碎度、埋压深度以及土壤墒情、播种期远近、化肥施用量等,主要方式有： （1）与厩肥混合堆腐沤制后还田。 （2）秸杆粉碎就地还田； （3）高留茬收割，高度2030cm； （4）将秸杆作饲料，过腹还田。,4.土壤调控技术措施 1) 调解土壤湿度和通气性 2) 温度：中耕松土 (锄头下边有肥) 3)

23、土壤pH 4) 土壤C/N比,第四节土壤有机质的管理,激发作用*（ Priming effect)：由于加入新鲜有机物质使土壤有机质矿化速率加快（正激发）或变慢（负激发）的效应称之激发作用，也叫起爆效应。,激发效应可以是正、也可以是负。 激发比率：加入新鲜有机物质后土壤有机物质矿化量与加入前的矿化量之比。 激发比率 1，正激发，不仅没有提高土壤有机含量，反而减少了； 激发比率1,负激发，可以增腐殖质含量 激发比率受一系列因素影响 问题：给土壤使入有机肥，就一定能提高反应殖质含量吗？,第四节土壤有机质的管理,(一)基本概念,( 二）问答题,土壤有机质 2.土壤腐殖质 3. 矿化作用 4. 腐殖化

24、作用 5. 腐殖化系数 6.激发效应,土壤生物soil organisms,第一节 土壤生物多样性 Soil organism diversity,按其大小和形态分类微生物 20mm 蚯蚓,一、土壤生物类型的多样性,按其形态分类 后生动物（多细胞） 原生动物（单细胞） 微生物 真核微生物：真菌和藻类 原核微生物：细菌、放线菌和蓝细菌 分子生物（无细胞结构，如病毒）,后生动物,小的土居性的多细胞动物。,种类：线虫、蠕虫、蚯蚓、蛞蝓、蜗牛、千足虫、蜈蚣、轮虫、蚂蚁、螨、环节动物、蜘蛛和昆虫等 作用：植物残体破碎、混合,（一）后生动物,土居性的多细胞动物： 线虫、蠕虫、蚯蚓、蛞蝓、蜗牛、千足虫、蜈蚣

25、、 轮虫、蚂蚁、螨、环节动物、蜘蛛和昆虫,蚯蚓对土壤肥力的影响： 增加土壤的通透性。 改善土壤结构 活化土壤养分 形成大量有机质,土壤生物,（一）后生动物,蚯蚓喜欢潮湿、肥沃、钙质丰富的土壤,1、蚯蚓,数量 大约有200余种。在肥沃的草地土壤中每平方米可达500条。在以般耕地中，每平方米有30-300条。,土壤中的线虫,所有的线虫都需要取食活的有机物质。 习性 表皮失水很快，干燥时变为胞囊，湿润时又重新活动。 食性可分为三类 1、 以腐败的有机质为食的 2、 以其他线虫、细菌、原生动物为食的 3、 寄生在高等植物根系的,2、线虫,线虫对植物的侵害非常广泛。包括番茄、豌豆、胡萝卜、苜蓿、草皮。如

26、发育为虫瘿、结节、畸形根等,土壤中的节肢动物,原生动物,单细胞真核生物（简称原虫）。结构简单，数量多、分布广。表土多，底土少。,原生动物在土壤中的作用：,调节细菌数量,增进某些土壤的生物活性,参与土壤植物残体的分解,某些原生动物也侵害植物，造成植物病害，有的可引起严重的人畜传染病,纤毛虫 细菌和小鞭毛虫为食,变形虫 动、植物碎屑为食,鞭毛虫 取食细菌,土壤中微生物分布广、数量大、种类多，是土壤生物中最活跃的部分。它们参与土壤有机质分解，腐殖质合成，养分转化和推动土壤的发育和形成。 土壤微生物在地球生境中数量最多、生物多样性最复杂和生物量最大。,微生物,1公斤土壤可含5亿个细菌,100亿个放线菌

27、和近10亿个真菌，5亿个微小动物。,土壤微生物主要作用：,调节植物生长的养分循环 产消温室气体(CO2 CH4 NO N2O CO等),影响全球气候变化 分解有机废物 保存物种、基因 引发人、畜、植物病害,节杆菌属（Arthrobacter） 芽孢杆菌属（Bacillus） 假单胞菌属（Pseudomonas） 土壤杆菌属（Agrobacterium） 产碱杆菌属（Alcaligenes） 黄杆菌属（Flavobacterium）,原核微生物,古细菌 甲烷产生菌 极端嗜酸热菌 极端嗜盐菌,细菌,二、土壤微生物种群的多样性,病原微生物对植物的危害：,草原局部溃疡,根部瘿瘤,Bacteria 细菌,个体微小，1微米左右,形状多为棒状或杆状,Bacteria 细菌,