第五章 土壤有机质.ppt

1、第五章 土壤有机质,第一节 土壤生物 第二节 土壤有机质的来源和化学成分 第三节 土壤有机质的转化 第四节 土壤腐殖质 第五节 土壤有机质的作用及其调节,本章主要问题,土壤有机质主要依赖哪些生物进行转化分解？ 土壤中有哪些主要生物？ 土壤有机质的来源是什么？主要存在状态如何？ 有机质转化包括哪2个过程（作用)? 土壤有机质有什么作用？,第一节 土壤生物,一土壤微生物microorganism 二. 土壤动物fauna 三. 土壤中的根系root system 四. 土壤酶enzyme,土壤生物主要类型1、细菌 2、原生动物 3、小线虫 4、藻类 5、病毒 6、真菌 7、线虫 8、蠼螋 9、木虱

2、 10、螨 11、蜈蚣 12、马陆 13、蜘蛛 14、15、弹尾目昆虫 16、蟋蟀 17、昆虫的幼虫 18、蜗牛 19、蛞蝓 20、蚯蚓 21、地鼠类,一.土壤微生物,土壤微生物：指生活在土壤中、借用光学显微镜才能看到的微小生物。 土壤微生物的类型 土壤微生物主要包括 细菌bacterium 放线菌actinomyces 真菌fungus 藻类algae,根据微生物对营养和能源的要求，一般可将其分为四大类型：,化能有机营养型,化能无机营养型,光能有机营养型,光能无机营养型,又称化能异养型,又称化能自养型,又称光能异养型,又称光能自养型,根据土壤微生物对氧气要求的不同，可分为：,好氧微生物,在有

3、氧环境中生长,兼性微生物,在有氧和无氧环境中均能进行呼吸的土壤微生物,厌氧微生物,在嫌气条件下进行无氧呼吸,土壤细菌是一类单细胞、无完整细胞核的生物。它占土壤微生物总数的70%90%。 细菌的基本形态有：球状、杆状和螺旋状,土壤细菌常见属有：节杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属、土壤杆菌属、产碱杆菌属和黄杆菌属。,（一）土壤细菌,植物根周围常聚集(assemble)着大量细菌 有机质丰富的表层土壤(topsoil)，也有大量的细菌分布。 按营养方式细菌可分为两大类：自养（autotrophic）和异养(heterotrophic)型。 pH6.7-7.5的土壤最适合细菌活动。,土壤中存在的细菌主要

4、有纤维分解细菌、固氮细菌、氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌等。,纤维分解细菌,好气纤维分解细菌,嫌气纤维分解细菌,生态习性：纤维分解细菌适宜中性至微碱性环境，在酸性土壤中纤维素分解菌活性明显减弱；纤维分解细菌的活动也受到分解物料C/N的影响。,固氮细菌,自生固氮细菌,共生固氮细菌,共生固氮细菌是指两种生物相互依存生活在一起 时，由固氮微生物进行固氮的作用。,根瘤菌与豆科植物的共生固氮作用最为重要。,自生固氮细菌是指独自生活时能将分子态氮还原成 氨的自养细菌类群。,主要有好气性、嫌气性和兼性三种。,根瘤菌是指与豆科植物共生，形成根瘤，能固定大气中分子态氮，向植物提供氮营养的一类杆状细菌。,根瘤,根

5、瘤菌,氨化细菌,微生物分解含氮有机化合物释放氨的过程称为氨化过程。,含氮有机化合物,多肽、氨基酸等简单 含氮化合物,NH3,生态习性：最适土壤含水量为田间持水量的50%75%；最适温度 为2535；适宜pH为中性环境。,硝化细菌,微生物氧化氨为硝酸并从中获得能量的过程称为硝化过程。,NH3,亚硝酸,亚硝酸细菌,硝酸,硝酸细菌,生态习性：适宜在pH6.68.8或更高的范围内 生活；好气性细菌；最适温度为30。,参与硝化过程的土壤 微生物为硝化细菌,反硝化细菌,微生物将硝酸盐还原为还原态含氮化合物或分子态氮的过程称反硝化过程。,生态习性：最适pH值为68；最适温度为25。,（二）土壤放线菌,土壤放

6、线菌：是指生活于土壤中呈丝状单细胞的原核微生物。,在自然界分布很广，绝大多数为腐生，少数寄生。产生种类繁多的抗生素，据估计，已发现的4000多种抗生素中，有2/3是放线菌产生的，如链霉素、庆大霉素、利福霉素等。 重要的属有：链霉菌属，小单孢菌属和诺卡氏菌属等。,土壤真菌：是指生活在土壤中、菌体多呈分枝丝状菌丝体，少数菌丝不发达或缺乏菌丝的具真正细胞核的一类微生物。,生态习性：适宜酸性土；好气性微生物；化能有机营养型 。 作用：是土壤中糖类、纤维类、果胶和木质素等含碳物质分解的 积极参与者。,（三）土壤真菌,主要的土壤真菌：分布最广的是青霉属、曲霉属、木霉属、镰刀菌属、毛霉属和根霉属。,土壤藻类

7、是指土壤中的一类单细胞或多细胞、含有各种色素的低等植物。,（四） 土壤藻类,地衣是真菌和藻类形成的不可分离的共生体, 约有18000余种 。有的把它归为植物，有的则纳入真菌。地衣广泛分布在荒凉的岩石、土壤和其他物体表面，地衣通常是裸露岩石和土壤母质的最早定居者。,五、地衣lichen,地衣一、壳状地衣 二、叶状地衣 三、枝状地衣,土壤微生物的分布特点,1多分布在土壤颗粒表面(surface)； 2植物根系周围有大量微生物类群； 3垂直分布(vertical distribution)：上层多下层少； 4受土壤酸碱性和水分状况影响； 5多种共存，互相联系,土壤微生物在土壤中的作用,1参与土壤形成

8、 2促进土壤中营养物质的转化 3增加生物热能，调节(adjust)土壤温度 4产生代谢产物，刺激植物生长 5促进土壤肥力的提高,Which to choose,After browsing the TV programs, the husband asked the wife, Which one do you choose, a good program which we have seen four times, or a bad one which we have never seen before?“,二 土壤动物,土壤动物：长期或一生中大部分时间生活在土壤或地表凋落物层中的动物。它们

9、直接或间接地参与土壤中物质和能量的转化。 对土壤起重要作用的主要是蚯蚓、线虫和各类昆虫。 能够改善土壤的通气、排水和结构状况，同时还参与养分的分解合成与转化。,土壤动物的分类,1 系统分类: 门、纲、目、科、属、种（原生动物门、扁形、线形、软体、环节、节肢、脊椎） 2 按形体大小： 小型土壤动物：体长小于0.2mm，如鞭毛虫、变形虫 中型土壤动物：体长0.2-2mm，螨虫、跳虫等 大型土壤动物：体长2-20mm，如甲虫、蜈蚣、蝉的若虫 巨型土壤动物：体长大于20mm，如蛇、鼠、蚯蚓,3 按食性： 落叶食性、材食性、腐植食性、植食性、藓苔类食性、捕食性、尸食性、杂食性等 4 按在土壤中生活的时期

10、： 全期性土壤动物，周期土壤动物，暂时土壤动物等,重要的土壤动物,1 原生动物 单细胞，结构简单 数量多，每克土有104-105个 以微生物和藻类为食物 类群有： 变形虫类 鞭毛虫类 纤毛虫类,2 土壤线虫,属线形动物门 白色或半透明 每平方米土壤个体数达105-106条 喜湿 主要分布在有机质多的潮湿土层和根系附近 有腐生型和寄生型,3 蚯蚓,属环节动物门 已经命名的大约有2700多种 我国有200多种 取食大量有机物和矿质土壤 在有机质丰富的土壤中密度大，最高达170条/m2 能显著提高土壤肥力、富集土壤养分 蚯蚓数量是衡量土壤肥力的重要指标,1 根际（rhizosphere)：受活根影响

11、的土壤微区叫根际，一般为离根表3mm以内的土壤空间。,三.土壤中的根系,2 菌根Vesicular Arbuscular Mycorrhiza, VAM 真菌生长在植物根系的表面，或伸入内部组织，与根共生，这种根系与真菌的共生体叫菌根。 已发现有菌根的植物有二千多种，其中木本植物数量最多。 菌根分为外生菌根、内生菌根和内外生菌根。,真菌与植物根系的共生是互利的： 菌根菌增加了植物对养分和水分的吸收，并保护根系不受土壤病原菌的感染 真菌分泌维生素、酶类和抗生素物质， 促进了植物根系的生长，促进植物体内水分运输，增强植物的抗旱性能 根系为真菌提供碳水化合物等生活物质,菌丝桥物质交换,3 根瘤roo

12、t nodule,真菌以外的各种土壤微生物侵染根系，使根部产生瘤状突起，称为根瘤。 根瘤具固氮作用。 豆科植物多形成根瘤。,根瘤,第二节 土壤有机质的来源和成分,土壤有机质,一 土壤有机质的来源,自然回归到土壤中的各种植物的茎叶(stem and leaves)，花果，根，茬(stubble)等，是主要来源;,2) 土壤动物和微生物的残体(residual body;remnant); 3)施入土壤中的各种有机肥料.,二土壤有机质的存在状态,1）保持原有状态，未分解的有机质; 2）呈腐烂状态的半分解(semi-decomposed)有机残余物(residue); 3）由有机质分解产物重新合成的

13、腐殖质(humus)。,中国某些自然土壤中有机质含量,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,三有机质的化学组成,碳水化合物(carbohydrate) 木质素(lignin) 脂肪(fat) 单宁(tannin) 蜡质(waxy substance),树脂(resin) 木栓质(suberin) 角质(cutin) 含氮化合物( nitride ) 灰分元素(ash elements),第三节 土壤有机质的转化,各种动植物残体进入土壤后，会进行各种复杂(complicated)的变化，但是总的来说包括两个过程： 矿质化过程(mineralization)； 腐殖化过程(humif

14、ication)。,土壤动物对有机质的转化,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。土壤动物对有机质的转化包括机械的转化和化学的转化。,一 土壤有机质矿质化过程,进入土壤的有机质，在土壤生物作用下，分解为简单有机化合物，最后转化为二氧化碳，氨气(ammonia)，水和矿质养分，同时释放出能量。 矿质化过程为植物和土壤微生物提供养分和活动能量，影响土壤性质，并为腐殖化过程提供物质基础。,1）碳水化合物carbohydrate的转化：,淀粉，半纤维素，纤维素 水解酶 葡萄糖 微生物 有机酸，醇类和酮类 氧化 二氧化碳+ 水+ 热量,2）含氮有机化合物nit

15、ride的转化：,土壤含氮有机化合物有两类，一是蛋白质类protein，二是非蛋白质类，如尿素urea和叶绿素chlorophyll。这些物质在微生物分泌secrete的酶的作用下，最终分解为无机态氮，主要为NH4+ 和NO3-（铵态氮ammonium nitrogen和硝态氮nitric nitrogen ），从而可被植物吸收利用。,转化过程主要有：,1 水解过程hydrolyzation 2 氨化过程ammonization 3 硝化过程nitrification 4 反硝化过程denitrification,3）脂肪，单宁和树脂resin的转化：,脂肪 微生物分泌的脂肪酶甘油+脂肪酸 C

16、O2 + H2O + heat； 单宁 真菌 葡萄糖 氧化 有机酸 CO2+ H2O； 树脂（难分解） O2+ 多种微生物 有机酸+ 醇类+ 碳氢化合物,4）含P，S化合物的转化,A 含P有机化合物的转化： 土壤表层全P量中有25-50%是以有机磷存在的，主要有核蛋白nucleoprotein ，核酸nucleic acid ，磷脂phospholipid等。 它们在多种腐生性微生物作用下，最终分解为正磷酸orhtophosphoric acid及其盐类，可供植物直接吸收。,2)含S有机化合物的转化： 土壤中含硫的有机化合物，如含硫蛋白质，胱氨酸等，经微生物分解产生硫化氢 硫化氢 O2+硫细菌

17、 硫酸 盐基离子 硫酸盐,二 腐殖化过程humification,矿质化过程形成的中间产物(intermediate product)，在微生物作用下再合成更为复杂的高分子(macromolecule)有机化合物。,有机质的腐殖化过程要经历两个阶段： 第一阶段： 微生物将有机残体分解为更简单的有机化合物，一部分转化为最终产物，另一部分遗留下来； 微生物自身活动还合成各种化合物。这两类物质是腐殖化过程的物质基础。 第二阶段： 在微生物作用下，上述物质缩合condense成腐殖质。,三、影响土壤有机质转化的因素,（一）有机质的组成 不同植物的凋落物litter，同一植物不同器官的凋落物，分解转化的

18、速度差异很大。 动物残体和植物残体的分解转化速率不同。 分解转化速率主要与C/N、C/P，C/S等有关。,(二）外界环境条件,温度temperature 湿度humidity 通气状况aeration 土壤酸碱度 pH value 土壤质地soil texture,1）温度和湿度：,土温30左右，土壤含水量为饱和含水量的60-80%时，有机质分解强度最大。 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。,2）通气状况：,通气良好，分解迅速，且分解较彻底 通气不良，易形成中间性物质和一些还原性物质。,3）

19、土壤酸碱度：,主要通过影响微生物类群的活动而影响有机质转化和腐殖质形成。 一般中性neutral土壤有机质分解较快。,有机残 体 的特性,土壤水分 和通气状况,温 度,土壤特性,C/N比值,最适水势0.1 0.03Mpa,0 35,OM、pH、Eh值等,第四节 土壤腐殖质,一 腐殖质各组分component的分离 二 腐殖质的基本性质 三 胡敏酸humic acid和富里酸fulvic acid性质 四 中国土壤腐殖质的分布特点,土壤腐殖质的主要成分是那些分子量molecular weight和结构均不相同的腐殖酸及它们与金属阳离子cation结合成的各种盐类，另外还包含了有机残体的分解产物和

20、微生物的代谢产物metabolic product 。 腐殖质是一系列复杂有机化合物的混合物。,一 腐殖质各组分的分离,用一些酸acid碱alkali溶液及有机溶剂solvent可分离腐殖质的各组分。,二 腐殖质的基本性质,呈酸性 高分子化合物的聚合体polymer，元素为C，H，O，N，P，S，Ca等 为黑色或暗色的有机胶体colloid 主要的组分为胡敏酸humic acid和富里酸fulvic acid,三 胡敏酸和富里酸性质（略）,胡敏酸： 可溶于碱，不溶于酸； 黑色或褐色； 具有多价酸根，与K+，Na+，NH4+形成的盐溶于水，与Ca2+，Mg2+形成的盐难溶于水，与Fe3+，Al3

21、+形成的盐不溶于水，沉聚为凝胶gelatin状态；,呈弱酸性；亲水性(hydrophilic)物质，能吸吸收大量水分； 对土壤中的酸碱反应和氧化还原反应有一定的缓冲作用buffering； 具粘结性(cohesiveness )，是土壤团粒结构(granular structure)的良好胶结(cementation)物质。,富里酸：,既溶于酸，又溶于碱； 黄色； 分子量小于胡敏酸，具多价酸根，其溶液为真溶液，而非胶体； 离解度大，呈强酸性；,富里酸与一，二，三价阳离子形成的盐都溶于水，并可与多价阳离子形成络合物（如Cu，Fe，Zn，Al），所以易使养分有效化，但同时易使养分流失； 不具粘结性

22、，易使土壤胶粒分散disperse，不利于土壤结构形成。,四 我国土壤腐殖质分布特点（略）,北方的土壤（如草原黑土）胡敏酸含量高，富里酸含量低，胡敏酸与富里酸的比值大；,南方的土壤中（如高温多雨的森林）则相反，胡敏酸含量低，富里酸含量高，胡敏酸与富里酸的比值小。（H/F=0.2-2.2）。过冷过热都不利于胡敏酸的形成。,All the same!,The notice looking for a spouse sent by the son made the father very angry, How dare you look for your lover by computer? Wha

23、t a crooked way!Then how did you get to know my mother? asked the son.In a proper way, said the father, I won her notice by playing cards.,第五节 有机质的作用与调节,一 土壤有机质的作用function 二 土壤有机质的调节regulation,一 土壤有机质的作用,土壤有机质是植物营养元素的重要来源，它决定土壤的养分状况，影响土壤水肥气热四大肥力因子的协调性compatibility。,(一) 对土壤肥力的作用,有机质是植物（尤其是自然植被）营养的主要来

24、源； 碳素营养：土壤每年释放的CO2达1.351011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土壤全氮的92-98% 磷素营养：土壤有机质中的磷素占土壤全磷的20-50% 其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。,有机质可提高土壤保水保肥能力和缓冲性； 有机质中的腐殖质疏松多孔，又是亲水性胶体hydrophilic colloid，能吸持大量水分。 腐殖质胶体有巨大表面积与表面能，能吸附大量的阳离子，像是养分的仓库； 腐殖质胶体是有机弱酸，可以缓冲进入土壤中的碱，腐殖质与金属形成的盐具有两性胶体的作用，具有很强的缓冲酸碱的能力。同时，由于腐殖质对H+的吸附和释放，也可以对土壤的酸碱度起到缓冲作用；,3. 改善土壤物理性质： 改善表层土壤的结构性，使分散的土粒凝聚为团粒结构； 改善沙土和粘土的结构，使之朝着壤质土发展； 加深土壤颜色，增加土壤吸热能力，有利于提高土壤温度,4. 增强土壤微生物和动物的活动： 有机质为微生物和动物提供了丰富的生活物质； 腐殖质能调节土壤的酸碱反应，使之有利于微生物活动； 腐殖质中含有各类维生素vitamin，激素hormone和抗生素a