上海交大周丕生土壤学第3章 土壤有机质

1、土壤与植物营养学,Soil Science and Plant Nutrition,上午9时15分,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机质的来源和组成 土壤有机物质的分解和转化 土壤腐殖物质的形成和性质 土壤有机质的作用及管理,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机质的来源,动、植物残体和微生物遗体 是土壤有机质的基本来源,我国不同自然植被下进入 土壤的植物残体量变异很大,2020年8月5日星期三9时15分17秒,糖和淀粉 15% 半纤维素 10 30% 纤 维 素 20 50%,水溶性和 粗蛋白质 115%,脂肪、蜡、鞣酸 1 8%,5%,代表性植物体成分组成,2020

2、年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机质的含量及其组成 有机质的含量在不同土壤中差异很大，高的可达200gkg-1或300gkg-1以上(如泥炭土、一些森林土壤等)， 低 的 不 足 0.5 gkg-1 (如一些漠境土和砂质土壤) 。在 土 壤 学中，一般把耕层含 有 机 质 200gkg-1以上的土壤，称 为 有机质土壤，有机质在200gkg-1以下的土壤，称为矿质土壤。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,5258%,3439%,土壤有机质的 主要元素组成,植物残体的 元素平均组成,3.34.8%,3.74.1%,5258%,3439%,2020年8月5日星期三9时15分17秒,

3、土壤有机质的组成,2020年8月5日星期三9时15分17秒,全球土壤0-100cm和0-15cm土层中有机碳含量,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机物质,有机残体,有 机 质,动植物残体,微生物遗体,腐殖质,部分分解的有机残体,胡敏素,腐殖物质,非腐殖物质,腐殖酸,胡敏酸,富啡酸,D有机物质,有机物质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。,有机残体是指进入土壤中尚未分解的各类植物残体、动物和微生物遗体。,有机质是指土壤中部分分解的有机残体以及在微生物的作用下降解、代谢、合成、聚合形成的新的有机化合物。,土壤腐殖

4、质 (humus) 是除未分解和半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。,腐殖物质是经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。它是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，一般占土壤有机质的60-80。,非腐殖物质是指经微生物改变的有机残体，微生物降解、代谢、合成的有机化合物。一般占土壤有机质的5-25，平均为10。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机物质,有机残体,有 机 质,动植物残体,微生物遗体,腐殖质,部分分解的有机残体,胡敏素,腐殖物质,非腐殖物质,腐殖酸,胡敏酸,富啡酸,D有机物质,

5、2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机物质,有机残体,有 机 质,动植物残体,微生物遗体,腐殖质,部分分解的有机残体,胡敏素,腐殖物质,非腐殖物质,腐殖酸,胡敏酸,富啡酸,有机物质,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机物质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。,有机残体是指进入土壤中尚未分解的各类植物残体、动物和微生物遗体。,有机质是指土壤中部分分解的有机残体以及在微生物的作用下降解、代谢、合成、聚合形成的新的有机化合物。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤腐殖质 (humus) 是除未分解和

6、半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。,腐殖物质（ Humic substances ） 是经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。它是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，一般占土壤有机质的60-80。,非腐殖物质（Non-humic substances） 是指经微生物改变的有机残体，微生物降解、代谢、合成的有机化合物。一般占土壤有机质的5-25，平均为10。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,3.2 有机物质的分解和转化,一、简单有机化合物的分解和转化二、有机残体的分解和转化三、土壤腐殖质

7、的分解和转化四、影响土壤有机物质分解和转化的因素因素,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机物质的分解和转化 简单有机化合物的分解和转化 有机残体的分解和转化 土壤腐殖质的分解和转化 影响土壤有机物质分解和转化的因素因素,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机物质进入土壤后，一方面在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解而最终释放出二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫等营养元素在一系列特定反应后，释放成为植物可利用的矿质养料，这一过程称为有机物质的矿质化过程。 R-(C,4H)+2O2CO2+2H2O+能量 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

8、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。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,在碳水化合物中，糖和淀粉容易降解，终端产物是二氧化碳和水，而纤维素和半纤维素不容易降解。蛋白质比较容易降解，降解产物除二氧化碳和水以外，还有甘氨酸(CH2NH2COOH)、半光氨酸(CH2HSCHNH2COOH)等氨基酸，这些含氮和硫的化合物进一步降解最后还产生NH4+、NO3-、S042-等简单无机子，木质素是一类复杂的酚类聚合物，比碳水化合物要稳定得多，容易在土壤中积累。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,单糖、淀粉和简单蛋白质,粗蛋白质,半纤维素,纤维素,脂肪、蜡质等,木质素

9、,有机化 合物的 分解从 易到难 的排列 次序为,2020年8月5日星期三9时15分17秒,在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用进行 得较快，最后大部分有机物质变成CO2和H20，而N、 P、S等则以NH4+、NO3-、HP042-、H2P04-、S042-等矿 质盐类释放出来。但在嫌气条件下，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，这样有 机质消失得较慢而在土壤中大量积累，同时往往还产 生有机酸、乙醇等中间产物。在极嫌气的情况下，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。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机化合物在嫌气条件下的分

10、解过程可以丙酸为例用下列式子来表示： 4C2H5COOH+2H2O 4CH3COOH+CO2+CH4 CH3COOH CO2+CH4 CO2+4H2 2H2O+CH4 但无论是在好氧条件还是在嫌氧条件下， 有机物质降解的终端产物主要是二氧化碳， 二氧化碳的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生物活性的重要指标。,细菌,细菌,细菌,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有 机 物 质,腐殖化过程,矿质化过程,微生物酶作用 氧化反应,分解,简单的无机物质,更复杂的有机物,微生物作用 生化、化学反应,合成,腐殖质,H2O 、NH3 CO2 、 矿物质,土壤有机物质的分解和转化,2020年8月5

11、日星期三9时15分17秒,温度影响到植物的生长和有机质的微生物降解。一般说来，在0C以下，土壤有机质的分解速率很小。在0-35温度范围内，提高温度能促进有机物质的分解，加速土壤微生物的生物周转。温度每升高10C，土壤有机质的最大分解速率提高23倍。一般土壤微生物活动的最适宜温度范围约为25-35C，超出这个范围，微生物的活动就受到明显的抑制。,影响土壤有机物质分解和转化的因素,（一）温度,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。,土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的。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

12、物质 的分解过程和产物。当土壤处于嫌气状态时，大多数 分解有机质的好氧微生物停止活动，从而导致未分解 有机质的积累。植物残体分解的最适水势在-0.03-0.1MPa之间，当水势降到-0.3MPa以下，细菌呼吸作 用迅速降低，而真菌一直到-4-5MPa时可能还有活性。,（二）土壤水分,土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响。干湿交替作用使土壤呼吸强度在很短时间内大幅度地提高，并使其在几天内保持稳定的土壤呼吸强度，从而增加土壤有机质的矿化作用。,（三）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影响其与外界因素的接触面，而影响其矿化速率。有机物质组成的碳氮比(C/N

13、)对其分解速度影响很大。植物体的C/N变异很大，豆科植物和幼叶的C/N在10：1到30:1，而一些植物锯屑的C/N可高达600:1。这与植物种类、生长时期、土壤养分状况等有关用。,（四）植物残体的特性,土壤有机质的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关，粘质和粉砂质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。大多数细菌活动的最适pH在pH6.5-7.5，放线菌的最适pH略偏碱性，真菌则最适于 pH36,pH8.5对一般的微生物都不大适宜。,（五）土壤特性,2020年8月5日星期三9时15分17秒,水分状况,通气状况,干,好,差,湿,中,润,矿质化腐殖化均慢

14、,矿质化腐殖化均慢,矿质化腐殖化较快,矿质化为主 速度快,腐殖化为主 速度较慢,矿质化为主 速度较慢,有机酸 CH4 H2S H2,腐殖化为主 速度快,易形成中间产物和还原物质,形成腐殖质最适宜条件,2020年8月5日星期三9时15分17秒,微生物分解有机 残体时需要吸收 1份N和5份C 组成它的体细胞,20C 作为活动能源,微生物生命活动 需要有机物质的 C/N 25:1,2020年8月5日星期三9时15分17秒,常见有机物质的C、N含量及其C/N比,2020年8月5日星期三9时15分17秒,植物种类,碳氮比,禾本科,75:1,12.5:1,豆科,25:1,一般植物,碳多氮少,碳少氮多,碳氮

15、比适宜,25C - 1N 50C 2N,1N - 25C 1N 25C,2020年8月5日星期三9时15分17秒,3.3 土壤腐殖物质的形成和性质,一、土壤腐殖物质的形成 二、土壤腐殖物质的分组 三、土壤腐殖酸的性质,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤腐殖物质的形成和性质 土壤腐殖物质的形成 土壤腐殖物质的分组 土壤腐殖酸的性质,2020年8月5日星期三9时15分17秒,多次缩合（聚合）形成腐殖质,纤维素 碳水化合物,蛋 白 质,木质素 单宁,氨基酸 肽类 （降解和再合成产物）,酚类化合物 （代谢产物）,酚类化合物 （降解产物）,缩合,微生物利用,微生物分解,形成土壤腐殖物质的基本

16、途径,有 机 残 体,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤腐殖物质,不溶部分 (胡敏素),溶解部分 (腐殖酸),稀NaOH或NH3H2O,沉淀部分(褐色) (胡敏酸),溶解部分(黄色) (富啡酸),HCl或H2SO4,土壤腐殖物质的分组,2020年8月5日星期三9时15分17秒,腐殖酸不同组分的性质差异比较,2020年8月5日星期三9时15分17秒,腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的 吸水能力，单位重量腐殖物质的持 水量是硅酸盐粘土矿物的4-5倍，最 大吸水量可以超过其本身重量的500,2020年8月5日星期三9时15分17秒,3.4 土壤有机质的作用及管理,一、有机质在土壤肥力上的作用

17、 二、有机质在生态环境上的作用 三、土壤有机质的管理,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机质的作用及管理 有机质在土壤肥力上的作用 有机质在生态环境上的作用 土壤有机质的管理,2020年8月5日星期三9时15分17秒,一方面它含有植物生长所需要的 各种营养元素，是土壤微生物生 命活动的能源，对土壤物理、化 学和生物学性质都有深刻的影响,土壤有机质对重金属、农药等各种 有机、无机污染物的行为都有显著 的影响，而且土壤有机质对全球碳 平衡起着重要作用，被认为是影响 全球“温室效应” 的主要因素,有 机 质 是 土 壤 的 重 要 组 成 部 分,在土壤肥 力、环境 保护、农 业可持续

18、 发展等方 面都有着 很重要作 用和意义,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机质在土壤肥力上的作用,有机质在土壤肥 力上的作用是多 方面的，它的含 量是土壤肥力的 一项重要的指标,1、提供植物需要的养分土壤有机质是植物所需 的氮、磷、硫、微量元 素等养分的主要来源。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,2、改善土壤肥力特性,影响土壤物理、化学和生物 学性质而改善土壤肥力特性,2020年8月5日星期三9时15分17秒,二、有机质在生态环境上的作用,重金属离子的存在形态也受 腐殖物质的络合作用和氧化 还原作用的影响。腐殖酸对 无机矿物也有一定溶解作用,1、有机质与重金属离子的作用

19、土壤腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属 离子有较强络合和富集能力。土壤有机质与重金属离子的 络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有极其 重要的影响。各种功能基对金属离子的亲和力为: O- -NH2 一N=N N COO- -O- -C=O 烯醇基 胺基 偶氮化合物 环氮 羧基 醚基 羰基,2、有机质对农药等有 机污染物固定作用 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。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,有机质在生态环境上的作用,重金属离子的存在形态也受 腐殖物质的络合作用和氧化 还原

20、作用的影响。腐殖酸对 无机矿物也有一定溶解作用,1、有机质与重金属离子的作用 土壤腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属 离子有较强络合和富集能力。土壤有机质与重金属离子的 络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有极其 重要的影响。各种功能基对金属离子的亲和力为: O- -NH2 一N=N N COO- -O- -C=O 烯醇基 胺基 偶氮化合物 环氮 羧基 醚基 羰基,2、有机质对农药等有 机污染物固定作用 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。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,3.

21、 土壤有机质对全球碳平衡的影响 土壤有机质也是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。据估计全球土壤有机质的总碳量在 141017151017 g，大约是陆地生物总碳量 5.61017g的 2.53倍。 而每年因土壤有机物质的生物而分解释放到大气的总碳量为 681015g，全球每年因焚烧燃料释放到大气的碳远低得多，仅为61015g，是土壤呼吸作用释放碳的 89。可见土壤有机质的损失对地球自然环境具有重大影响。 从全球来看，土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响将不亚于人类活动向大气排放的影响。,2020年8月5日星期三9时15分17秒,土壤有机质的管理 “腐殖化系数”作为有机物质转化为土壤有机质的换算系数，它是单位重量的有机碳在土壤中分解一年后的残留碳量。 我国不同地区耕地土壤中有机物质的腐殖化系数，由于水热条件和土壤性质不同，同类有机物质在不同地区的腐殖化系数依次为： 东北地区华北、江南地区华南地区； 同一地区不同有机物质的腐殖化系数依次为作物根厩肥作物秸秆绿肥。 旱改水后，土壤有机质含量明显增高,2020年8