第二章土壤有机质.ppt

1、第二章 土壤有机质 Soil Organic Matter,主要内容 (重点)：,教学目标与要求：,课时安排与进度：,1.土壤有机质的来源、含量及其组成 2.土壤有机质的分解和转化 （重点） 3.土壤腐殖物质的形成和性质（重点） 4.土壤有机质的作用及管理 （重点）,要求了解土壤有机质的基本组成，重点掌握土 壤腐殖质的组成与性质，深刻认识土壤有机质 在土壤肥力上的作用，掌握土壤有机质管理的 原则与提高土壤有机质含量的方法。,课时数：4课时。,第一节 土壤生物多样性及其功能,一、土壤微生物的多样性及其功能 (一)土壤微生物的多样性及其功能 土壤微生物是土壤中最原始的活有机体。它们的作用是：分解有

2、机质，合成腐殖质，转化土壤中难溶性的矿质养分及固氮。 根据土壤微生物的形态构造和生理活动特点，一般可分为：细菌、真菌、放线菌。,第二节 土壤有机质,概念：土壤有机质(soil organic matter) 泛指土壤中来源于生命的物质，包括：土壤生物残体及其分泌物。 土壤有机质是指土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称。,土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其重要的作用。 200 g kg-1以上的土壤称为有机土壤，200 g kg-1及以下称为矿质土壤。一般含量在0-5%之间。 泥炭土可高达20

3、%或30%以上 漠境土和砂质土壤不足0.5% 我国耕地土壤有机质含量一般在50 g kg-1以下。,表 中国某些自然土壤中有机质含量,统计的标本数,有机质含量（g/kg）,土 类,32,20.770.5,黄棕壤、黄褐土,10,13.866.6,高山草原土、亚高山草原土,26,48.1219.6,高山草甸土、亚高山草甸土,24,23.229.8,砖红壤、赤红壤,29,21.4164,黑土、黑钙土,47,5.219.5,红 壤,32,27.1205,黄 壤,22,10.3106.9,褐 土,74,26.4193,棕色森林土,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,7%,5%,一、土壤有

4、机质的来源及组成,（一）土壤有机质的来源及类型 土壤有机质主要来源于高等绿色植物的枯枝、落叶、落果、根系等；其次是土壤中动物、微生物的遗体；及人为施用的有机肥料。,（二）土壤有机质的组成及性质 1.糖类、有机酸、醛、醇、酮类以及 相近的化合物。 2.纤维素和半纤维素 3.木质素 4.脂肪、蜡脂、树脂和单宁,5.含氮化合物 动、植物残体中主要的含氮化合物是蛋白质，少量比较简单的可溶性氨基酸。植物残体中的叶绿素等。 6.灰分元素 植物经燃烧后，残留在灰分中的元素称灰分元素。构成灰分的主要元素为Ca、Mg、K、Na、S、P、S、Fe、Al、Mn，以及微量元素I、Zn、Mo、B等。其中以Si、Ca、K

5、、Al为最多。,二 土壤有机质的转化过程,矿质化过程(Mineralization)：就是有机质被分解成简单的无机化合物（CO2、H2O、NH3)，释放出矿质营养的过程。,腐殖化过程(Humification)：使简单的有机化合物形成新的、较稳定的有机化合物，使有机质及其养分保蓄起来的过程。,1.含碳有机物质的转化 土壤有机质中的碳水化合物如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解为单糖： (C6H10O5)nnH2OnC6H12O6,（一）土壤有机质的矿质化过程,生成的单糖由于环境条件和微生物种类不同，又可通过不同的途径分解，其最终产物也不同。如果在好气条件下

6、，有好气性微生物分解，最终产物为水和CO2，放出的热量多，称氧化作用。其反应如下： nC6H12O66O2 6CO26H20热量,如果在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作用下缓慢分解，并形成一些还原性气体、有机酸，产生的热量少，称发酵作用。其反应为： C6H12O6 CH3CH2CH2COOH2H22CO2热量 4H2CO2 CH42H2O,2.含氮有机物质的转化 含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态，包括蛋白质、氨基酸、腐殖质等。 (1)水解作用 蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸的作用称水解作用。 蛋白质 氨基酸,(2)氨化作用 分解含氮有机物产生氨的生物学过程 称氨化

7、作用。 CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3 CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3 CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3,（3）硝化作用 氨态氮被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。这一作用可分为两个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。其反应如下： 2NH23O2 2HNO22H2O热量 2HNO2O2 2HNO3热量,（4）反硝化作用 同细菌在无氧或微氧条件下以NO3或NO2作为呼吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过程，称反硝化作用。其反应如下：,反硝化细菌,C6H12

8、O624KNO3,24KHCO36CO212N218H2O,3.含磷有机物质的转化 土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解：,产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢，其反应如下： H3PO4 H3PO3 H3PO2 PH3,4.含硫有机物质的转化 植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都能分解有机硫化物，产生硫化氢，其反应如下： 蛋白质 硫氨基酸 H2S,还原型的无机硫化物

9、被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下： 2H2SO2 2H2O2S 2S3O22H2O 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。,(二)土壤有机质的腐殖化过程,土壤腐殖质的形成是一个复杂的过程，大致可分为两个阶段。 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。,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

10、化为醌，然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质。,土壤腐殖质形成过程中的转化途径,三、影响土壤有机质转化的因素,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,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，,2、C/N比*,新鲜程度 破碎程度 紧实程度,（一）植物残体的特性,1、物理状态,（二）水分和通气性,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

11、累 通气性 通气不良易有机质累积,（三）温度 最适宜温度大约为25-35 ,（四）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。,腐殖质的形成,第三节土壤腐殖质 腐殖质本身不是一种单一的化合物，而是由多种化合物形成的聚缩物，其主体为腐殖酸及其盐，占腐殖质的8590，称为腐殖物质。其余为微生物代谢所产生的较简单的化合物，因与腐殖酸紧密结合难以分离，故与腐殖酸合称为腐殖质。,根据腐殖质在不同溶剂中的溶解度和颜色可分离出胡敏素、胡敏酸和富啡酸3种性质不同的腐殖质。,NaOH或NH4OH 稀溶液处理,不溶解的腐殖质 胡敏素,溶解的暗褐色溶液,

12、HCl或 H2SO4处理,褐色沉淀 胡敏酸,黄色溶液 富啡酸,土壤,一、腐殖质的分离与组成,腐殖酸是土壤和沉积物等物质中溶于稀碱呈暗褐色、无定型和酸性的非均质天然有机高分子化合物。它的性质不活泼，不能作为独立的腐殖物质存在。,二、土壤腐殖质在土壤中存在形态,（）游离态的腐殖质，在一般土壤中占极少部分。 （）与矿物中强盐基化合成稳定的盐类，主要为腐殖酸钙镁。 （）与含水三氧化物化合成复杂的凝胶体。 （）与粘粒结合成有机无机复合体。 在上述四种形态中，以第四种最为重要，它常占土壤腐殖质中的大部分。其结合方式可能是： 第一：通过钙离子结合。农业重要，与团粒结构形成有关。 第二：通过铁、锰、铝离子结合

13、。结合紧密，不具水稳性。,（二）腐殖质的性质 1、腐殖质分子结构和分子量,包括芳香族化合物、含氮化合物、和碳水化合物。 官能团（功能团）：羧基、酚羟基、醇羟基、甲氧基、甲基、醌基等 这些官能团使得腐殖质具有：离子吸附性、对金属离子的络合性、氧化还原性及生理活性。,其化学结构式虽然还没有确定，但它们有若干共同点是可以肯定的，结构复杂，分子量巨大等。,2、腐殖质的元素成分 主要是C、H、O、N、P、S、Ca等。腐殖质含碳量约为56%60%，平均为58%。含氮量约为36(平均为5.6%)，其碳氮比例大致为10:112:1，灰分占0.6%。 有机质 = 有机碳 1.724,3、电性 腐殖质带有电荷，并

14、且是两性胶体，在通常情况下，它所带的电荷是负的,腐殖质是带负电荷的有机胶体，增加电解质浓度或高价离子，则电性中和而相互凝聚，形成凝胶。 腐殖质在凝聚过程中可使土粒胶结在一起，形成结构体。 腐殖质是一种亲水胶体，可以通过干燥冰冻脱水变性，形成凝胶。腐殖质这种变性是不可逆的，所以能成水稳性团粒结构。,4、腐殖质的凝聚,5、溶解性,胡敏酸一价盐、二价盐溶于水， 富啡酸一价盐溶于水、二价盐不溶于水。 胡敏酸分子量大，分散性和活动性小，遇少量电解质（如氯化钙）即完全絮凝，絮凝后产生的胡敏酸钙凝胶能胶结土粒形成团粒结构。 富啡酸分子量小，分散性和活动性大，其酸性和溶解性强，能强烈地破坏矿物质。,6、吸水性

15、 腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位质量腐殖质的持水量是硅酸盐粘土矿物的45倍，最大吸水量可以超过500%。最大吸湿水量可达本身一倍以上。,7、稳定性 稳定性很强，年矿化率平均1% 2%之间。,腐殖质具有抵抗微生物分解的能力。 胡敏酸的平均存留时间为7803000年； 富啡酸的平均存留时间为220630年； 新形成土壤的有机质为4.79年； 残体易分解组分为0.25年。,第四节 土壤有机质的作用及其调节,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

16、素，土壤中的氮素80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。 带有两种电荷，具有较强的阳离子吸附能力，保存养分，避免流失。 两性胶体，具有缓冲能力。,（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

17、调节土壤水、气热及酸碱状况。,（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：环境保护 腐殖质中含维生素、抗生素和激素，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。,二、有机质的调节,（一）调节原理 腐殖化系数： 矿化率： 影响因素：土壤生物、气候条件、土壤状况、耕作措施等。,（二）增加土壤有机质的措施 1、增施有机肥料、种植绿肥 对苗圃土壤和瘠薄的园林绿化地、果园等增施有机肥料是增加有机质的基本方法，据研究，施入土壤中的有机质，一般能有2334被分解，其余的则转化为腐殖质积累在土壤中。,2、保留树木凋落物 树木凋落物是林地（园林