第三章土壤生物和有机质

第三章土壤生物和土壤有机质主要教学目标：本章属于土壤生物化学性质的范畴。通过学习了解土壤有机质的实质，掌握土壤有机质在园林生产中的作用。第一节土壤生物一、林木根系1、根的种类水平根、垂直根、斜生根、下垂根、下斜根。2、根系类型水平根型：水平根占优势；垂直根型：垂直根发达；斜生根型：主要为斜生根，如刺槐。复合根型：各类根的发育程度相近变态根型：由外界特殊条件如人为的影响产生的。在容器中育苗所形成的根属变态根型。二、土壤动物三、土壤微生物在土壤中数量最高，如一般土壤中细菌为107～108个/g土真菌105～106个/g土，放线菌106～107个/g土，藻类104～105个/g土。他们和蚯蚓一起在土壤总的代谢活性中起重要的作用。1、细菌（1）根据生理作用分类：可分为碳水化合物分解细菌——分解糖、淀粉、纤维素等；氨化细菌——有机含N化合物中的N素，通过氨化细菌的作用转化形成氨；硝化细菌——氨经硝化细菌作用转化为亚硝酸，然后转化为硝酸。反硝化细菌——硝态氮在反硝化细菌作用下，使硝酸还原成还原态氮。固N细菌——从大气中固定N素合成含N化合物。（2）根据营养方式分类分为自养和异氧细菌。在异养方式中分好氧和厌氧型。2、真菌：对酸度的适应范围较宽，在pH4时也能生长。在森林土壤和酸性环境中，是分解土壤有机质的主要微生物类群。有些真菌能在一些根上发育，共同发育成菌根。现已查明有2000种植物与真菌共生形成菌根。根据菌根的形态结构，可分为外生菌根和内生菌根。松柏科、桦木科、壳斗科、杨柳科、胡桃科等许多森林乔木的根上都生有外生菌根，大豆、玉米、棉花、马铃薯、胡萝卜等生有内生菌根。3、放线菌：属单细胞微生物，在土壤中以菌丝体存在，大量出现在分解的有机物上。有些嗜热性的放线菌属能耐高温（50～65℃），普遍存在于土壤、肥料及发热的干草和堆肥中。在已知的放线菌中，约有50%能产生抗菌素，具有抑制其它细菌的能力。“5406”抗生菌肥料，属于放线菌肥料。在生态学应用方面观察到，在有几丁质存在时，有利于放线菌的发育，而且能显著地抑制引起高等植物病害的真菌。4、藻类：是含叶绿素的低等植物，有些能进行光合作用，自身合成有机质，它们主要生活在土壤表层。地表藻类能够和土壤颗粒粘结在一起，增加土壤表面的强度，可使土壤侵蚀明显减轻。另外蓝绿藻可固定N素。第二节土壤有机质的来源、组成和类型一、什么是有机质广义：包括一切生物体极其分解或合成的各种产物。狭义：通过微生物转化合成的有机物质即腐殖质。二、来源最重要的是高等植物的枯枝落叶、茎、根系、花果等残体。三、有机质的类型广义的有机质包括2大类：一是非特殊性有机质——生物遗体及其分解的中间产物。二是特殊性有机质——腐殖质四、非特殊性有机质的化学成分1、单糖和有机酸；2、多糖类：淀粉、半纤维素、纤维素等。3、蛋白质；4、木质素；5、单宁、脂肪、蜡质、树脂6、灰分物质——植物体经过灼烧后残留的无机物，主要元素有Ca、Mg、K、Na、S、P、Fe等。第三节土壤有机质的转化是本章的重点。有机质的转化过程包括：矿质化过程和腐殖化过程一、矿质化过程——复杂的有机质经过微生物的分解作用，最终形成简单的无机物质如水、二氧化碳、硫酸盐、硝酸盐等。1、单糖的分解：在有氧条件下彻底分解，形成二氧化碳和水，在缺氧条件下，形成有机酸类的中间产物，并产生还原性的甲烷及氢气等。2、纤维素的分解：首先分解为单糖，然后进一步分解。3、含氮有机质的分解：主要是蛋白质的分解，是土壤氮素循环的主要过程。包括4个过程：（1）水解过程：蛋白质在水解酶作用下分解成简单的氨基酸；（2）氨化作用：在氨化细菌作用下，有机态氮变成无机态氮即氨或铵的过程。（3）硝化作用：氨在微生物作用下，经过亚硝酸的中间阶段，进一步氧化为硝酸。需在有氧条件下进行。（4）反硝化作用：在厌气条件如水淹、有机质含量过高情况下。硝态氮在反硝化细菌作用下，转化为还原态氮如氨、NO、N2O、N2、HNO等4、有机态P的分解：含磷的有机物在磷细菌的作用下，经过水解过程形成磷酸（H3PO4）。在嫌气条件下，许多微生物引起磷酸还原，产生亚磷酸或次磷酸。在有机质丰富时，进一步还原为磷化氢。5、含S有机物的转化与有机含氮化合物的转化过程相似。含S有机物在腐解作用下产生的硫化氢，在通气良好时，在硫细菌作用下氧化形成硫酸。硫酸在不良通气条件下发生反硫化作用，形成硫化氢，对植物产生毒害。二、腐殖化过程——有机质分解过程中的中间产物经过微生物的作用合成暗色的含N高分子化合物（腐殖质），是一种自然的形成物。1、定义：土壤腐殖质是土壤有机质经过强烈转化而形成的含N高分子化合物。2、形成过程还不十分清楚，但大体包括2个阶段第一阶段：产生腐殖质分子的各个组成成分。如多元酚、氨基酸、多肽等有机物质。第二阶段：由多元酚和含氮化合物缩合成腐殖质单体分子。此缩合过程包括两步：首先是多元酚在多酚氧化酶作用下氧化为醌：然后醌和含氮化合物（氨基酸）缩合，最后腐殖质单体分子继续缩合成高级腐殖质分子。用图表示为：3、土壤腐殖质的物质组成用酸、碱和酒精处理，得到胡敏酸、吉马多美朗酸、富里酸和胡敏素。胡敏素是与矿物结合的胡敏酸或是变质的胡敏酸；吉马多美朗酸是胡敏酸的衍生物。4、胡敏酸和富里酸的特征从颜色看胡敏酸棕色到黑色，富里酸黄色。从分子量看，胡敏酸大，富里酸小，在1万以下。胡敏酸的C，N，S含量高于富里酸对水溶解度，胡敏酸不溶或难溶，富里酸溶于水胡敏酸羧基和酚基低于富里酸胡敏酸一价盐溶于水，二价或三价盐不溶于水，富里酸都溶。矿质化过程和腐质化过程是有机质转化的两个方向，同时进行的。在温度较高、湿度适中、通气良好时，矿化过程快，养分释放快。如过快，养分会损失，且腐殖质形成过少，对养地不利。温度低、湿度大、通气不良，以嫌气性微生物活动为主，养分释放少，腐殖质过程快。园林土壤有机质少、结构性差、养分低，如何促进施用有机肥料的分解，是目前面临的新课题。第四节影响有机质分解的因素一、有机残体的组成状况1、有机残体的物理状态：一般情况下，多枝幼嫩新鲜的绿肥易分解。2、有机残体的化学成分。一般情况下，阔叶比针叶快；叶片比残根快，豆科比禾本科快。3、有机残体的碳氮比用C/N表示。微生物吸收1份氮，就要吸收5份碳用于构成自身细胞，同时要消耗20份碳作为生命活动的能量。微生物分解需有机质的C/N为25：1。二、外界条件外界条件通过制约微生物的活动，而影响有机质的转化。1、最适温度：20～30度。2、湿度和通气状况：在田间持水量的60%最好。3、土壤pH：细菌最适Ph6.5—7.5，放线菌中性到为碱性，真菌酸性到中性条件。4、土壤中的粘粒：由于粘粒的吸附可减弱土壤酶、土壤微生物的活性，对于粘重土壤，有机质不易分解。第五节重要的土壤生物学现象一、根际与根际效应根际就是植物根与土壤的交界面，一般是距根面1—4毫米的土壤范围内。在根际土壤中，根系除直接吸收养分外，还将各种有机和无机物释放到这部分土壤中。根的分泌物包括碳水化合物、氨基酸等，使根际土壤的微生物大量繁殖，这种现象称为根际效应。常用R/S来表示。有时根系会分泌植物毒素，强烈拟制同种植物或他种植物的生长。连作减产现象，可能与根分泌毒素有关。二、生物固氮1、概念：生物固氮是在常温、常压下，通过固氮生物体内固氮酶的作用，将游离氮素转变成氨的过程。2、固氮的微生物：70多个属。主要为细菌、放线菌和蓝、绿藻类。3、生物固氮的形式：自生固氮和共生固氮。其中共生固氮的效率高。豆科植物（三叶草、草木樨、紫花苜蓿）300——600千克/公顷.年。非豆科（赤杨属、杨梅属、仙人掌属）的固氮为：50——400千克/公顷.年。4、生产应用：在绿地建植中，要适当培植一些共生固氮植物，适当进行根瘤菌接种。5、根瘤菌要求土壤为中性，磷、镁、钼、锰含量较高的土壤。三、菌根内生菌根中最重要的是泡囊—分枝状菌根（VA菌根），属真菌类，是目前微生物肥料中研究的热点。菌根现象十分普遍，且没有严格的专一性，同种植物可被多种菌根菌感染，同一种菌根菌也可以感染多种植物，对植物的生长环境有利，同时使用菌剂方便。在园林生产中，对不良的土壤，使幼苗感染或接种菌根菌是非常必要的。方法：客土或施用微生物肥料四、园林土壤生物学性质的改良对于园林土壤来讲，不良的生物学性质，包括生物活性(微生物所进行的各种生理活动能力）低下，和有害生物过高两种情况。生物活性低的原因，主要是有机质和矿质营养缺乏，另外还与土壤物理性质不良有关。改良的关键：增加有机质含量，另外使土壤疏松、良好的水气热状况也是必要的。另外，接种有益的微生物或施用微生物肥料。土壤有害生物多，可引起严重的病虫害。方法：进行土壤消毒：对于绿地，在播种或移栽前要对土壤进行消毒，可杀灭有害的病原微生物、害虫和杂草种子。对于温室大棚。需年年消毒。如何消毒：高温消毒和药物消毒。在土壤中埋设导管，将土壤密封好，通如热的蒸汽，温度在80—100度时。10分钟可完成消毒。药物：福尔马林、溴甲烷、硫酰氟、硫酸亚铁等第六节土壤有机质的作用一、是植物营养的主要来源有机质含有极为丰富的氮、磷、钾和微量元素。分解后产生的二氧化碳是供给植物的碳素营养。二、刺激根系的生长腐殖质物质以很稀的浓度（10-6—10-3）、以分子态进入到植物体，可刺激根系的发育，促进植物对营养物质的吸收。三、腐殖质可改善土壤的物理状况促进土壤团粒结构的形成，是良好的土壤胶结剂。四、腐殖质具有高度保水、保肥能力腐殖质是一种土壤胶体，有巨大的比表面积，有巨大的吸收代换能力。粘土颗粒的吸水率为50%—60%。而腐殖质的吸水率为500%—600%。五、腐殖质具有络合作用腐殖质能和磷、铁、铝离子形成络合物或螯合物，避免难溶性磷酸盐的沉淀，提高有效养分的数量。六、促进微生物的活动为微生物提供营养物质。七、提高土壤温度的作用有机质为暗色物质，一般是棕色到黑褐色，吸热能力强，可改善土壤热状况。第七节土壤有机质的调节对于园林土壤有机质含量一般低于1%，且土壤的结构性差，应当引起足够的重视。增施有机肥。施用草炭土、腐叶土以及经过合理处理的生活垃圾。应注意长期施用有机肥。归还园林植物的凋落物。将有机残体就地填埋或集中堆沤，使之成为理想的有机肥料。种可观赏的绿肥。在公园、街道、广场的桥灌木下。种草坪或观赏价值较高的绿肥植物，通过翻耕入土，可提高土壤有机质含量。通过浇水、翻土措施。调节土壤的温度、湿度、通气等，调节有机质的积累和分解。本章重点：土壤有机态氮的转化过程；土壤腐殖质的形成过程及其主要物质组成；土壤有机质的作用。本章难点：一是土壤腐殖质合成的两个阶段。土壤腐殖质是在土壤中，由有机物质在微生物作用下转化来的，是一种自然的合成物，可以用化学方法从土壤中分离出来。此种物质在土壤中非常稳定，但在当形成条件改变时，腐殖质也会分解。二是土壤有机质的作用。有些内容如土壤胶体、土壤团粒结构等在以后的章节中会详细讲解。第三章土壤有机质复习思考题一、名词解释1、土壤有机质；2、土壤腐殖质；3、土壤矿质化过程；4、土壤腐殖化过程；5、氨化作用；6、硝化作用；7、反硝化作用二、简答题1、土壤生物包括哪些类？2、林木的根型有哪些类型？3、土壤微生物包括哪些类？4、土壤细菌有哪些生理类群？5、土壤有机质的来源有哪些？6、土壤有机质的化学组成包括哪些类？7、土壤腐殖质的组成包括哪些物质？三、论述土壤腐殖质的形成过程？四、论述土壤有机质的作用，并详细说明。