3第二章 土壤有机质

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。第三节土壤有机质(SoilOrganicMatter)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。第三节土壤有机质(SoilOrganicMatter)一、土壤有机质来源1、有机体——动、植物残体，土壤微生物森林土壤(forestsoil)：枯枝落叶(lither)草原土壤(steppesoil)：草、根系(grassandrootsystem)2、人为活动影响下的外源输入——有机肥(畜禽粪便)、工农业的生活废水、废渣、有机农药、微生物制品等有机物质。耕作土壤(cultivatedsoil)：作物残茬(cropresidue)(一般占籽实产量(yieldofkernels)的35－40%)、施用的有机肥、有机农药等。一、土壤有机质(SoilOrganicMatter)来源森林土壤枯枝落叶酸性有机质(acidorganicmater)森林土壤(forestsoil)：我国不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大:热带雨林——亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶林——暖温带落叶阔叶林——温带针阔混交林和寒温带针叶林——荒漠植物群落16700kg/（hm2·年）530kg/（hm2·年）草原土壤草原土壤(steppesoil)：地上部草地下部根系中性有机质(neutralorganicmater)耕作土壤(cultivatedsoil)：作物残茬(一般占籽实产量的35~40%)、施用的有机肥。耕作土壤有机质来源不同，其累积的数量、性质以及对土壤的影响均不相同。作为土壤有机质主要来源的各种植物残体，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异，从而导致土壤有机质的累积数量、性质以及对土壤的影响均不相同。二、土壤有机质的含量及组成1.含量耕作土壤中，表层有机质的含量通常在5%以下。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。不同土壤中含量差异很大。目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,北方土壤有机质含量高于南方土壤。2、土壤中有机质的存在状态未分解或半分解的动、植物残体及动物的粪便高度分解的有机残体、粪便及其分解产物微生物躯体及其代谢产物和再合成产物完全失去原来有机残体迹象的土壤腐殖质腐殖质：有机物质经过微生物分解和再合成的一种褐色或者暗褐色的性质稳定的高分子胶体物质。是土壤有机质的主要成分（85％－90％），有抵抗微生物降解的能力，与矿物质土粒紧密结合。2、有机质的组成按元素：C、H、O（占元素总量的90%以上）N、P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、B、Mo、Mn、Si等按有机化合物的种类：碳水化合物(单糖、淀粉、纤维素、半纤维素等)木质素、蛋白质、蜡质、脂肪等。有机质3、含量(content)一般把耕层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土壤，在20%以下的土壤，称为矿质土壤(mineralsoil)。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。进入土壤的各种有机残体在土壤微生物的作用下会经历一系列的生物和化学变化，主要按两个方向进行：矿质化过程（分解过程）腐殖化过程（合成过程）有机残体各种有机物质在土壤微生物的作用下聚合形成为结构和组成更为复杂的高分子化合物复杂的有机质分解成为简单的物质，最后生成CO2、H2O、NH3和无机盐类三、土壤有机质的分解和转化植物残体(deadplantpart)的分解和转化1、可溶性有机化合物以及部分类似有机物进入土壤后的头几个月很快矿化。2、残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶段未被矿化的植物残体碳相对缓慢分解。植物残体与土壤有机质化学组成比较（%）化学组成植物残体土壤有机质纤维素20～502～10半纤维素10～300～2木质素10～3030～50蛋白质1～1528～35脂肪、蜡质、树脂等1～81～8（一）、简单有机化合物(organiccompound)的分解和转化1、碳水化合物(carbohydrate)的矿质化碳水化合物包括多糖、纤维素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。占有机质总量的15～27%。碳水化合物矿质化过程的一般模式是：碳水化合物好气、嫌气有机酸好气CO2+H2O碳水化合物好气、嫌气有机酸好气CO2+H2O在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O的过程受到阻碍,产生有机酸的累积,从而造成植物根系萎缩、腐烂。如：甲酸3.2×10-3M、乙酸4.6×10-3M、正丁酸7×10-4M，就会对植物根系产生较严重的危害。解决办法：排水晒田、施草木灰（中和酸、补充K素）有机肥施用前进行堆沤。2.含氮化合物(nitrogencompound)的矿质化蛋白质氨基酸NH4＋NO3-N素有效化速效N(NH4＋、NO3-)微生物体细胞N素生物固定N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关。C/N＞25时，产生N素生物固定C/N＜25时，产生N素有效化。豆科绿肥（三叶草等）C/N小，施入土壤后能提供N素（N素有效化）。禾本科作物秸秆C/N大，直接还田易造成M与作物争夺N素，造成N素的生物固定。禾本科秸秆还田应配施化学N肥：一般亩施秸秆300~400kg，需要配施化学纯N3~4kg。3、脂肪(fattiness)、树脂(pitch)、蜡质(waxiness)、单宁(tannin)的矿质化这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材料。4、木质素(xylogen)的矿质化木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌作用下缓慢的转化，最终产物是CO2和H2O，但往往只有50%可形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始材料。土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总量的百分数称有机质的矿化率(percentmineralization)。矿化率一般在1%～3%。1、腐殖质经过物理化学作用和生物降解，使其芳香结构核心与其复合的简单有机物分离，或是整个复合体解体。2、释放的简单有机物质被分解（矿化）和转化，酚类聚合物被氧化。3、脂肪酸(fattyacid)被分解，被释放的芳香族化合物（如酚类）参与新腐殖质的形成。（三）、土壤腐殖物质(humicsubstances)的分解和转化1、腐殖质原始材料的形成阶段进入土壤的有机物质微生物降解腐殖质的原始材料：（1）芳核结构物质进入土壤的有机物质中，有些结构很复杂而且稳定性高，在微生物作用下部分降解，保留某些结构单元，如保留芳核结构及连结的取代基OCH3、—OH、—COOH，这些芳核结构物质成为腐殖质的原始材料，主要有多元酚、苯多羧酸，因而也有人把腐殖质定义为含有酚酸和苯羧酸结构的高分子有机物。（2）氨基酸、多肽这是蛋白质的降解产物（三）、土壤腐殖物质(humicsubstances)的分解和转化2、合成腐殖质阶段这一阶段是形成腐殖质的原始材料通过缩合或聚合作用形成腐殖质的过程。（四）土壤腐殖质的分离提取和组分在分离提取腐殖质时，存在以下一些困难：①腐殖质和土壤矿物质紧密结合在一起，不易分离；②腐殖物质与各种简单的有机化合物结合，很难用化学方法或物理方法进行彻底分离；③用任何溶剂处理时，都可能引起有机分子的某种程度变性。目前通用的方法，是先把土壤中未分解或部分分解的动植物残体除去，然后用不同溶剂处理土壤，把腐殖酸分为几个组分，具体步骤如下：土壤腐殖质的分组土壤有机质分组HA:humicacidFA:fulvicacidhuminSoilOrganicMatersoilhumusHumicsubstancesNon-humicsubstances）①富里酸（Fulvicacid）简称FA，是腐殖质中溶解于碱在酸中不沉淀的黄色溶液。②胡敏酸（Humicacid）简称HA，是溶解于碱在酸中沉淀的褐色腐殖质。③胡敏素（Humin），是与矿物质紧密结合的腐殖质。土壤腐殖物质分为三大类：胡敏酸和富里酸成为腐殖酸，通常占腐殖质总量的60％左右。（五）土壤腐殖酸(humicacid)性质1.物理性质①分子量、形状、颜色A、分子量很大。分子量大小与单体和聚合度有关；B、形状球形结构，疏松多孔，似海棉；C、颜色分子量愈大，颜色愈深（HA分子量大，褐色；FA分子量小，呈淡黄色）（五）土壤腐殖酸(humicacid)性质1.物理性质②溶解性与吸收性B、吸收性(absorbency)亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的500%。A、溶解性(dissolution)FA、HA都溶解于碱，HA不溶于酸，而FA溶解于酸。2.化学性质①元素组成C、H、O、N、P、S为主C：N：P：S＝100：10：1：1～120：10：1：1含C量为55～60%，平均58%，100/58＝1.724实验测定土壤有机质时，测出含C量后，C%×1.724即得土壤有机质含量OM%＝C%×1.724（五）土壤腐殖酸(humicacid)性质②功能团(functionalgroup)含有－COOH、－OH及酚羟基等多种功能团功能团的解离导致腐殖酸带电如：R－COOHR－COO－＋H＋R－OHR－O－＋H＋腐殖酸功能团的存在，使其表现出多种活性，如带电性、吸收性、对金属离子的络合能力、氧化——还原性等。⒊分子结构特征分子结构极其复杂的有机高分子化合物。单体中有芳核结构物质，芳核上有多种取代基。包括化学稳定性和抗微生物分解的生物稳定性。在温带条件下，一般植物残体的半分解期少于三个月，植物残体新形成的土壤有机质半分解期为4.7～9年，胡敏酸的平均停留时间为780～3000年，富里酸200～630年，4、腐殖酸有很高的稳定性：土壤腐殖质-粘土矿物复合粘土矿物-腐殖质复合体腐殖酸的稳定性，除与本身分子结构复杂不易分解有关外，还与它和矿物质紧密结合，或处于微生物也难于进入的孔隙中有关，因而土壤开垦耕作以后，腐殖质的矿化率就大为增加。可从开垦前的矿化率不到1%提高到1%～4%。1、温度(temperature)25－35℃条件下，M活动最为旺盛，利于OM矿质化分解，提供作物所需养分。2、土壤湿度和通气状况(soilhumidityandaerationstatus)好气：水少气多,M活动旺盛,OM矿质化分解,释放养分嫌气：水多气少,M活动受抑制,OM腐殖化合成腐殖质3、干湿交替(wettinganddryingcycle)一方面增加土壤呼吸作用，破坏土壤结构体，利于OM的矿质化分解，另一方面干燥时引起M死亡，又不利于OM分解。四影响土壤有机质分解和转化的因素4、有机残体特性(specificityoforganicrelict)1、物理状态(physicalstate)多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎易于分解。2、C/N大，不易分解；C/N大小，易于分解。3、硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解激发效应(作用)(primingeffect)：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解。激发效应可以是正、也可以是负。5、土壤特性(soilspecificity)1、pH中性条件下利于OM分解2、质地质地愈粘重，腐殖化系数愈高，愈难分解五土壤有机质的作用及管理（一）在土壤肥力(soilfertility)上的作用1、养分较完全植物生长所需养分：N：80～97%，平均95%；P：20～76%；S：38～94%为有机态，由有机质提供。2、促进养分有效化(effectuation)OM矿质化过程中产生的有机酸，腐殖化过程中产生的腐殖酸，一方面促进土壤矿物质的溶解释放养分；另一方面可以络合金属离子，减少金属离子对P的固定，提高P的有效性。3、提高土壤保肥性(nutrientpreservingcapability)土壤腐殖质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，吸附能力大于矿质胶体，从而大大提高土壤保肥性。胶体对阳离子吸附能力比较（cmol/kg）胶体类型有机胶体高岭石蒙脱石吸附力150～450（平均