第二章 土壤有机质

第二章土壤有机质土壤有机质（soilorganicmatter，SOM，O.M）是土壤固相的重要组成部分。不同土壤的有机质含量有很大的差别。一般来说，土壤有机质的含量与矿质部分相比都不多，但对土壤的物理性质、化学性质、生物学性质以及肥力状况都有重要的影响。有机质的存在形态：•动植物残体•半分解的动植物残体•腐殖物质第一节土壤有机质的来源含量及组成一、土壤有机质的概念土壤有机质的概念有广义和狭义之分。广义的土壤有机质概念，指的是土壤中除矿质部分以外所有的有机部分，如各种动植物残体，各种微生物及其代谢产物，植物根系的分泌物，狭义的土壤有机质，主要指的是土壤中的腐殖质。从这个意义上说，有机质的定义是：土壤中的各种动植物残体，在土壤微生物的作用下，形成的一类特殊的高分子化合物。这两个概念，有时不加区别地混用，有时含义不尽相同。当人们说土壤有机质含量时，通常指的是前一种，即各种有机物的总量，但在分析有机质含量时，处理土样的过程中，往往要尽可能除去看得见的植物残体。当人们提到有机质对土壤肥力的作用时，指的是其中的腐殖质。腐殖质一词的含义较窄，通常只有专业人员才用，而有机质是个通俗的名词。二、土壤有机质的来源在成土过程中，最早出现在母质中的有机质是微生物及其残体。随着成土过程的进行，动植物残体加入到土壤中去，成为土壤有机质最广泛的来源，尤其是植物残体起到了决定性的作用。各种植物的残体对土壤有机质含量的贡献是不一样的。森林植物主要以枯枝落叶的形式向土壤中补充有机质，枯死的根系很少，有机质多集中在表层0～10cm以内，每年加入有机质4～6吨/公顷。草本植物则将根系和茎叶同时留给土壤，地上部为2—6吨/公顷，而地下部可达3～11吨/公顷。一般草本植物木本植物。当人类有意识地干预土壤肥力的过程开始以后，动物的粪便成为土壤中有机质的重要来源。随着社会的不断进步、变化，工业废水中的有机质加入了土壤，城市废弃物进入了土壤，草炭、风化煤制品也加盟进来。近年来，甚至有“洋垃圾”进口，其中也含有五花八门的有机成分。三、土壤有机质的含量（一）土壤有机质的含量表示方法有机质的含量通常用“%”来表示，近年来，有人开始用“g/kg”表示。三、土壤有机质的含量（一）土壤有机质的含量表示方法国外往往习惯用土壤有机C%表示。有机质平均含碳58%，有机C%乘以1.724，即为土壤有机质%。（二）土壤有机质含量的变化范围有机质的含量在不同土壤中差异很大，高的可达30%以上，低的不足0.5%。表层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土壤，含有机质20%以下的土壤，称为矿质土壤。全国土壤有机质含量大致范围0.5%5%0.5-2.0%7%表5-1不同地区旱地和水田耕层土壤有机质含量有机质含量（%）地区旱地水田东北平原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珠江三角洲平原2-1（三）决定土壤有机质含量的因素进入土壤的有机物质数量土壤有机质损失的数量（四）影响土壤有机质含量的因素1、植被草本木本；草甸草原阔叶针叶；常绿落叶2、气候潮湿、寒冷有利于积累；干燥炎热有利于分解。3、地形地势低洼处，土壤有机质含量高。4、母质母质质地粘重，有利于有机质积累。四、土壤有机质的组成1、碳水化合物和有机酸(carbonhydrateandorganicacids)葡萄糖、淀粉、酒石酸、柠檬酸、草酸、各种氨基酸，其中部分是植物根系分泌到土壤中的，有的是植物残体的分解产物。其特点是，不稳定，不断加入，不断转化，分解消失。2、纤维素和半纤维素(celluloseandhemicellulose)这是有机残余物中含量最多的一种，其化学成分相当复杂，分子式可用(C6H10O5)n表示，n的数目大约为5～10,000。在浓酸、浓碱作用下,会变成葡萄糖，在微3、脂肪、蜡质和树脂(fat,waxandresin)不溶于水而溶于酒精及苯等有机溶剂中，性质比较稳定，不易遭受化学分解和生物分解。4、丹宁(tannin)主要是多元酚的衍生物，易溶于水，氧化后呈棕色。与蛋白质结合成不溶性的、不易分解的稳定化合物。5、木质素(lignin)是化学构造上更复杂的一类高分子化合物，抵抗化学作用和微生物分解的能力更强。6、含氮化合物(nitrogenoussubstances)主要是蛋白质及其衍生物，蛋白质含氮平均为16%，含硫0.3～2.4%，含磷0.8%。大部分蛋白质不溶于水，在碱液中形成胶体溶液。各种蛋白质均易被微生物分解成各种氨基酸。7、土壤腐殖质(humus)主要包括胡敏酸类和富里酸类。一般土壤有机质中，腐殖质占85～90%以上，而普通有机化合物只占10～15%，尽管这一比例有时会更大一些，但腐殖质总是土壤有机质的主要部分。第二节土壤中有机物料的分解进入土壤中的各种有机物料，无论是动植物残体，还是施入的有机肥料，在土壤中，都要产生一系列的变化。这些变化可以归纳为两个方面，即分解作用和合成作用。参与有机物料分解的因素有：1、土壤动物的作用，使有机物料变得更细碎，与微生物掺混更充分。2、微生物及其分泌的酶的作用，这是有机3、各种人为活动，耕作、施肥、灌水和其他栽培管理措施等。这些因素之间相互配合，相互促进，分解的最后结果，是把各种复杂的有机化合物变成简单化合物，最后变成矿质养料。土壤中的有机质，在微生物及其分泌的酶的作用下，分解为简单化合物，同时释放出矿质养料的过程叫作矿质化过程（mineralization）。影响土壤微生物分解有机物料的环境条件包括很多方面，如土壤的温度、湿度、通气状况和pH等。如果环境良好，微生物活动旺盛，分解过程快并且彻底，大部分的有机质都分解为CO2、H2O，并释放出N、P、S的矿质盐类和能量。如果环境不适宜，通气不好，或土壤湿度过高，微生物活动受阻，分解作用既慢又不彻底，并且产生一些中间产物，如CH4、PH3、H2，释放的养料和能量少。一、糖类的分解包括单糖类、淀粉、纤维素和半纤维素。通气良好：C6H12O6+O2——CO2+H2O+能量通气不良：C6H12O6——CH3CH2CH2COOH+CO2+H2淀粉、纤维素及半纤维素，在淀粉分解酶和纤维素分解酶的作用下，先形成单糖，然后二、树脂、蜡质、丹宁的分解这些化合物很难分解，分解的速度慢且不彻底。三、脂肪的分解在脂肪水解酶的作用下水解，再进一步分解。四、木质素的分解不同种类植物的木质素，其化学组成和结构并不完全相同，但共同的特点是，都含有芳香核。木质素是各类有机化合物中最难分解的，不仅自身不易分解，而且会影响蛋白质、多糖类的分解。在好气条件下，它主要通过真菌和放线菌的作用，先氧化和脱水，再缓慢地降解。五、含氮化合物的分解土壤中含氮物质主要是蛋白质和缩氨酸，属于容易分解的有机化合物，分解过程如下：1、水解过程（hydrolysis,hydrolyticdecomposition）：蛋白质→分解蛋白质→消化蛋白质→多胺酸→氨基酸2、氨化过程(ammonification)氨基酸在脱氨基酶作用下，释放出氨的过程叫氨化过程，或氨化作用。这种作用可通过多种途径进行。1）水解脱氨：RCH(NH2)COOH+H2O→RCHOHCOOH+NH32）还RCH(NH2)COOH+H2→RCH2COOH+NH33）氧化脱氨：RCH(NH2)COOH+O2→RCOOH+NH3不论是在好气或厌气条件下，氨基酸都能进行氨化作用释放出氨，NH3与土壤中的H+形成NH4+，可被植物吸收利用。NH4+—N3、硝化作用(nitrification)氨在通气良好的条件下，被氧化成硝酸的过程，叫硝化作用。NH3+O2HNO2+H2O+能量2HNO2+O22HNO3+能量硝酸细菌亚硝酸细菌生成的硝酸与土壤中的盐基作用，形成硝酸盐。NO3-—N是作物可利用氮素的另一种形态，是旱地中有效氮的主要存在方式。有的蛋白质除含氮外，还含有S、P等植物营养元素。在通气良好的条件下，通过微生物的作用，可分别氧化成SO4=和H2PO4-、HPO4=，这两种形态是对植物有效的形态。在厌气条件下，能形成一些有毒或有害的物质。第三节影响土壤中有机质转化的因素土壤中的有机物料在分解过程中，有一部分彻底分解，变为最简单的化合物，同时释放出能量，其余的部分则通过腐殖化过程，转变为腐殖酸。加入土壤中的有机物料，经过微生物的分解，在一定条件下，在数量上和质量上，大体上可以达到相对稳定的状态，不再随时间的推移而产生较大的变动，这种稳定状态是有机质有机碳的转化过程和强度，因土壤条件而异，在一定条件下，有机碳的分解和周转，有一定的数量比例关系。腐殖化系数（humificationcoefficient)：单位重量的有机碳,在土壤中分解一年后残留的碳量。各种有机物料的腐殖化系数是不同的，旱地和水田中，同一有机物料的腐殖化系数也不相同，不同的气候条件和地形条件，对腐殖化系数也有影响。表2-5中国不同地区耕地土壤中有机物质的腐殖化系数东北地区华北地区江南地区华南地区作物秸杆作物根绿肥厩肥范围平均范围平均范围平均范围平均0.26-0.650.42(9)0.30-0.960.60(5)0.16-0.430.28(14)0.28-0.720.46(11)0.17-0.370.26(33)0.19-0.580.40(14)0.13-0.370.21(46)0.28-0.530.40(21)0.15-0.280.21(53)0.31-0.510.40(54)0.16-0.370.24(33)0.30-0.630.40(38)0.19-0.430.34(18)0.32-0.510.38(14)0.16-0.330.23(31)0.20-0.520.31(8)表2-2一、土壤水分和通气状况1、土壤水分适宜，通气状况良好此时土壤中好气微生物活动十分活跃，有机质进行好气性分解，其特点是分解速度快，分解完全彻底，中间产物很少积累，释放的矿质养料多，呈氧化状态。这种土壤条件有利于植物营养，无毒害影响，但不利于土壤有机质的保存和积累。2、土壤水分过多，通气状况不良好气性微生物活动受阻，而厌气微生物活动旺盛，有机质由厌气微生物分解。分解速度慢，不彻底，并且产生一些中间产物如CH4、H2S、H2等，还有一部分变成有机酸，如乙酸、丙酸、丁酸。这些中间产物对作物有毒害作用，释放的养料多是还原状态如PH3、H2S。这种条件有利于有机质的保存和积累，在低洼过湿的土壤中，常常有这种情况出现，并3、土壤水分含量极低，通气性好这种条件下，有机质分解缓慢，极端的例子是风干土，含水量只有百分之几，各种生物活动几乎停止，当然有机质的矿化也近于停止。保存土样通常都是呈风干状态。4、土壤水分含量低，通气性也不好土壤压实后又干燥，即是这种条件，有机质转化也相当缓慢。二、土壤温度第一，对微生物的影响。土壤微生物最适宜的温度是25℃～35℃，在此温度范围内，微生物活动剧烈，有机质分解快，高于或低于此温度范围，都受到影响。第二，对土壤内有机质的纯化学反应的影响。当温度增加时，土壤内的化学反应速度加快，当土壤温度增加到50℃，一般微生物的活动受到抑制，主要进行纯化学反应。土壤温度主要受气候条件的影响，我省从北向南温度逐渐升高，因而同一土壤类型的有机质含量从北向南降低。另一个因素是地形，低洼地土温低，有机质积累量大。三、土壤的酸碱度一般土壤微生物的最适pH范围，都在微酸性—微碱性，pH过高或偏低，都不利于微生物的活动。真菌适宜的pH范围在3～6之间，此时合成的腐殖质主要是酸性较强的富里酸，进一步增加土壤酸度(南方土壤)。pH在7.5～8.5之间，适于细菌和放线菌活动，产生胡敏酸型的腐殖质，我国北四、有机物料的物理状态新鲜多汁的有机物料比干枯少水的秸秆容易分解。细碎的有机物料，由于增加了与土壤的接触面积，矿化速度比未粉碎的大块有机物料快。五、有机物料的C/N比(C/Nratio)C/N是有机物料中，总碳量与总氮量之比。有机质内的C是微生物能量的源泉，也是构成细胞组织的主要成分，N