第2章土壤有机质.

1/59第二章土壤有机质(soilorganicmatter)Collegeofplantscience2/59第一节土壤有机质的来源、含量及其组成概念：土壤有机质(soilorganicmatter)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。一、土壤有机质的来源微生物动物来源植物来源工农业副产品Collegeofplantscience3/59一般土壤：生长在土壤中的高等绿色植物残体；土壤中的动物和微生物。农业土壤：施入的有机肥料；作物的残体及根系分泌物。其中进入土壤的植物残体是最主要的来源。Collegeofplantscience4/59二、含量及组成1、有机质含量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%土壤有机质含碳量55-60％，平均58％，有机碳×1.724＝有机质含量；含氮：3-6％，平均5.6％，C/N＝10:1~12:1。怎么测得的？Collegeofplantscience5/590.5%0.5-2.0%7%5%Collegeofplantscience6/59表5-1不同地区旱地和水田耕层土壤有机质含量地区有机质含量（%）旱地水田东北平原4.454.96黄淮海平原0.991.27长江中下游平原1.742.74南方红壤丘陵1.652.52珠江三角源程序平原2.012.73珠江三角区冲积平原Collegeofplantscience7/592、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，C/N比大约在10~12之间。(2)化合物组成腐殖物质（HumicSubstance)非腐殖物质（Non-HumicSubstance)常见的化合物有纤维素、半纤维素、蛋白质、木质素及脂类。Collegeofplantscience8/59Collegeofplantscience9/59成分植物组织（%）有机质（%）纤维素(cellulose)半纤维素(hemicellulose)木质素(lignin)蛋白质(proteins)油脂(fat)、腊质(lipids)20~5010~3010~301~151~82~100~230~5028~351~8植物组织与土壤有机质组成比较ComponentsofSOMCollegeofplantscience10/59(3)土壤有机质的存在形态1.机械混合状态：未分解、半分解状态的有机残体与矿物质部分机械地混合在一起。占SOM总量的0.6－48.4％。2.生命体：生活在土壤中的各种活体（植物根系、土壤动物、微生物等）。可看作是土壤中独立部分，亦可视为土壤有机质的一部分。3.溶液态（游离态）：一般1％。如游离单糖、氨基酸、有机酸等4.有机－无机复合态：是土壤中与矿物质部分结合的有机质，腐殖物质属于此类。是土壤有机质的主体。Collegeofplantscience11/59动、植物残体半分解的动、植物残体腐植物质正在腐解的生物33%-50%稳定的有机质（腐殖质）33%-50%新鲜残茬10%活的生物5%(3)土壤有机质的存在形态(续)Collegeofplantscience12/59土壤有机物质生物残体非活体(SOM)活体暗色无定形的高分子化合物（腐殖质）植物、动物、微生物残体（植物根、土壤动物、微生物）非腐殖物质腐殖物质ComponentsofSOM13/59第二节土壤有机物质的分解与转化DecompositionoforganicMatter有机残体矿（质）化作用mineralization腐殖化作用humification14/59一.有机质的矿化作用mineralization（一）矿化作用的概念（Mineralization）：有机物质在微生物的作用下分解成无机营养元素的过程（Theconversionofanelementfromanorganicformtoaninorganicstateasaresultofmicrobialdecomposition）。（二）矿化作用的意义1.为作物生长释放出了营养元素---有效化过程2.为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。15/59矿化作用：复杂有机物通过微生物的分解转化为简单的化合物，同时释放出矿质养料的过程。有机质微生物CO2、SO42-、NH4+-N、NO-3—N、H2PO4-、HPO42-NH4+－N、—SH、CH4，有机酸等好氧：嫌气：16/59通气状况与有机质矿质化过程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，有机物质转化为CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类的形式释放出来。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。17/59有机化合物分解难易的差异单糖、淀粉和简单蛋白质粗蛋白质纤维素、半纤维素脂肪、蜡质木质素18/59分解作用的意义分解产生：CO2、CH4等温室气体，前者占绝对优势。CO2释放速率：衡量有机质分解强度与生物活动强度的指标；有机质补充养分的途径19/59一.有机质的矿化作用mineralization（三）各种物质矿化作用1.糖类有机物质矿化：多糖单糖CO2+H2O+heat(多）好气条件下有机酸+heat（少）半嫌气条件CH4、H2、H2S+heat（极少）嫌气水解酶作用己糖淀粉半纤维素纤维素；糖类物质的分解是土壤中生物物活动的主要能源（生物热）。（4~5千卡热/克有机物）20/592.含氮物质的分解蛋白质多肽氨基酸氨NH3硝酸根NO3-蛋白酶肽酶氨化细菌硝化细菌水解作用（hydrolyzation)氨化作用（ammonification)硝化作用（nitrification)任何条件下好气条件下思考题：旱地和水田含氮化合物的转化结果会有何差异？21/593.含磷和硫化合物的分解正磷酸盐H2PO4-、HPO4-2、PO4+3、正硫酸盐HSO4-、SO4-2好气条件偏磷酸盐和次磷酸盐H3PO3、H3PO2、H3P正硫酸盐H2S(黑根、毒害）嫌气条件（三）矿化率（mineralizationrate)：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。含磷和硫化合物的分解22/59（四）影响土壤有机质分解转化的因素土壤有机物质分解转化是在微生物的作用下进行的，属于生物化学反应。1.温度:在0~35℃范围内，随着温度升高，有机物质分解速率增加。每上升10℃，土壤有机质分解速率升高10倍。温度高于45℃和低于0℃微生物的活性都会降低，有机物质分解速率变慢。高于50℃就是纯氧化反应。（南方土壤有机质含量为什么低于北方土壤？）冻土效应(effectofsoilfreezing)：土壤冰冻以后，在其解冻后的最初1~2周内，二氧化碳和氨释放量增多的现象。23/592.水分（通气性）：微生物生命活动一切条件都需要一定的湿度条件和通气条件。如果适度湿润且通气良好，土壤中的好气微生物活动旺盛，有机物质进行着好气分解，分解速度快，分解完全，矿化率高，中间产物少，养料释放多，不会产生有毒物质。如果湿度过大，水分堵塞了土壤孔隙，使通气状况受阻，嫌气微生物活动旺盛，有机物质分解慢，不彻底，有中间产物累积，释放还原性气体，产生环境效应，也影响植物生长。水田不宜提倡秸秆还田。不能以牺牲环境为代价，换取增产。干土效应（effectofsoildrying）：土壤经过干燥后，在加水湿润的最初1~2周内，二氧化碳和氨释放量增加的现象。24/593.pH：各类微生物最适条件：细菌—中性；放线菌—偏微碱性；真菌—酸性（3~6）；土壤pH高于8.5和低于5.5，都不适宜微生物活动。绝大多数微生最适pH条件为中性。4.有机物的物理状态和组成：新鲜程度、细碎程度，织物组织的C/N比25/59C/N比(carbonnitrogenratio)C/N比：有机质中有机碳和有机氮的重量比土壤的C/N:8:1~15:1中间值为10:1~12:1。在同一气候条件下，C/N变化较小。气温相同时，干旱气候条件下的C/N比湿润地带低；降雨量相同时，暖温地带土壤C/N比寒冷地土壤低。底层土壤C/N比表层土壤低。植物的C/N比：豆科植物20:1~30:1。作物秸秆为80:1~100:1微生物的C/N比：4:1~9:1微生物自身的细胞需要吸收1份氮和5份碳，同时需要20份碳作为生命活动的能源，即微生物在生命活动过程中需要有机质的C/N约为25:1。小于此值N素充足，大于此值N素不足。26/59C/N比意义：1.具有较高C/N的植物残体进入土壤会引起微生物与植物争氮现象。C/N比作为秸秆还田的重要技术参数需要考虑。2.不同土壤有一个相对稳定的C/N比。土壤碳的保持决定于土壤氮的水平。有机体的含氮量越大，则有机碳累积的可能性也就越大。所以，C/N不仅与土壤氮的有效性有关，而且也跟土壤有机质的保持有关。在耕作土壤管理中，两方面都需要考虑。氮因素（nitrogenfactor）：表示有机物质分解过程中氮素的缺乏程度。加入100份有机物需要加进去的氮素量，既不发生争氮现象，又不会使土壤有效氮发生生物固定现象。27/59表2-2一些有机物质的碳、氮含量及其C/N比有机物质C%N%C/N云杉锯屑硬木锯屑小麦秸秆玉米禾茎甘蔗渣黑麦草（开花期）草坪禾草黑麦草（营养期）成熟苜蓿干草腐烂畜肥堆肥嫩苜蓿干草毛叶苕子城市淤泥土壤微生物细菌放线菌真菌土壤有机质软土Ap层老成土A1平均B层50463840404040404041404040315050505652460.050.10.50.70.81.11.31.51.82.12.53.03.54.510.08.55.04.92.35.1600/1400/180/157/150/137/131/126/125/120/116/113/111/17/15/16/110/111/123/19/128/59二.土壤腐殖化作用（humification）（一）腐殖化概念：有机物质在分解转化过程中，又重新合成腐殖质的过程。腐殖化过程也就是有机碳从一种形式转化为另一种形式，所以也叫有机碳的周转。它是一种极端复杂的生物过程。（二）土壤腐殖化过程---腐殖质的形成过程腐殖化过程是以微生物为主导的生物和生化过程，还有一些纯化学过程。有机质的形成分为两个阶段：第一阶段：产生了合成腐殖质原始材料：（1）芳香核：主要由木质素降解所产生。酚类氧化成醌所产生。（2）支链化合物：一些含氮的有机化合物，如氨基酸、肽类等。第二阶段：合成阶段：将分解转化的基本材料在微生物作用下经过缩合和聚合作用合成结果复杂的腐殖质。多元酚理论（较为盛行）29/59（三）腐殖化系数（humificationcoefficient）：加入单位有机物质土壤后所产生腐殖质的斤数（一般指一年以后）。腐殖化系数大小不仅取决于有机物质品种本身，也取决于各种环境条件：旱地土壤腐殖化系数一般在0.20~0.30，而水田则为0.25~0.40之间。30/59第三节土壤腐殖质soilhumus31/59一.土壤腐殖质组成土壤腐殖质Soilhumus非腐殖物质腐殖物质（humicsubstances)（一）非腐殖物质：微生物的代谢产物1.碳水化合物：多糖、糖醛酸、和氨基糖组成。主要来源于植物残体和根系分泌物。含量占有机质总量15~27%。其中多糖是主体。含量约为有机质总量的9~22%。多糖多土壤结果影响研究被受到关注。2.含氮化合物：主要来源于生物残体中含氮化合物，其中主要形式为蛋白质、缩氨酸。易于分解成氨基酸。占的量不高。32/59（二）腐殖物质概念：有机物质在微生物作用下分解转化成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。腐殖物质是在土壤中形成的一类特殊的化