第二章-土壤有机质总结

第二章土壤有机质Soilorganicmatter主要内容第一节土壤有机质的来源、含量及组成第二节土壤有机质的分解和转化第三节土壤腐殖质的形成和性质第四节土壤有机质的作用及管理土壤有机质(soilorganicmatter)它主要包括土壤中各种动物、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机化合物。土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机化合物。mineral45%water25%organic5%air25%第一节土壤有机质的来源、含量及其组成一、土壤有机质的来源植物残体由于各地区的气候条件、植被类型及耕作管理不同，进入土壤中的植物残体数量和化学组成有很大的差异。植物残体性质是否存在差异？包括各类植物的凋落物、死亡的植物体及根系。热带雨林凋落物干物质量:16700Kg/公顷•年荒漠植物群落凋落物干物质量:530Kg/公顷•年植物残体量：我国森林土壤每年归还土壤的凋落物干物质量按气候植被带划分，依次为：热带雨林，亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶林，暧温带落叶阔叶林，温带针阔混交林，寒温带针叶林、荒漠。森林植被下有机残体主要来自地上部凋落物；草本植物的有机残体主要来自根系；耕作土壤，植物残体主要来源根茬。不同生态系统间植物残体来源形式：作物根茬植物凋落物动物、微生物残体动植物、微生物的排泄物和分泌物包括土壤动物和非土壤动物的残体，及各种微生物的残体。这部分来源相对较少，但对原始土壤来说，微生物是土壤有机质的最早来源。对土壤有机质的转化起着非常重要的作用。死亡微生物动物粪便人为施入土壤中的各种有机物人为施入土壤中的各种有机肥料（绿肥、堆肥、沤肥等），工农业和生活的废水、废渣等，还有各种微生物制品，有机农药等。引发严重生态环境问题例如：植物种类退化注意：其中进入土壤的植物残体是最主要的来源。二、土壤有机质的含量及组成（1）土壤有机质含量的差异较大漠境土和砂质土壤不足5g/kg泥炭土可高达200g/kg以上1、土壤有机质的含量0.5%7%（2）有机质土壤和矿质土壤＞20%有机质土壤＜20%矿质土壤（3）不同区域不同土壤有机质含量差异很大50-100g/kg暗棕壤黑土30-60g/kg20g/kg左右黑钙土栗钙土10g/kg左右灰漠土3~5g/kg中国地带性土壤表层SOM含量RegionsNum.算术平均值Arithmeticmean(gkg-1)Min.(gkg-1)Median(gkg-1)Max.(gkg-1)几何平均值Geometricmean*(gkg-1)全国Wholecountry88632.31.321.8241.022.9bd东北地区NortheasternChina19932.54.924.5127.825.7cd华东地区EasternChina8626.35.119.0115.220.0ab华南地区SouthernChina11329.03.123.1144.323.9bc华北地区NorthernChina17526.04.019.2182.318.4a西北地区NorthwesternChina21631.81.316.1241.019.5a西南地区SouthwesternChina9753.67.439.6184.740.4e2、土壤有机质的组成（1）化学元素组成土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N，其次是P和S。干物质COHN%52~5834~393.3~4.83.7~4.1其C/N比大约在10～12之间。普通有机化合物：碳水化合物（糖、醛、酸等）含氮化合物（氨基酸、蛋白质等）纤维素、半纤维素（在强酸或强碱下水解）木质素（难于分解转化，相对稳定存在）特殊有机化合物：腐殖物质（胡敏素、胡敏酸、富啡酸）等（2）化合物组成3、土壤有机质的存在形态动、植物残体半分解的动、植物残体腐殖物质新鲜的有机物，指那些刚进入土壤不久，仍保持原来生物体解剖学上特征的那些动、植物残体，基本上未受到微生物的分解作用。（1）动、植物残体经微生物的分解，已使进入土壤中的动、植物残体失去了原有的形态等特征。有机质已部分分解，并且相互缠结，多为暗褐色的碎屑和小块。包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。（2）半分解的动、植物残体（3）腐殖质经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。与土壤矿物质土粒紧密结合，是土壤有机质存在的主要形态类型。非腐殖物质（non-humicsubstance)(20~30%)腐殖物质（humicsubstance）(60~80%)除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。通常占土壤有机质的90%以上。humushuminFulvicacidHumicacidNon-humusSoilhumus腐殖质第二节土壤有机质的分解和转化有机残体矿化作用mineralization腐殖化作用humification有机质的分解与合成示意图矿化作用（mineralization）土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。R—（C，4H）+2O2CO2+2H2O+能量+养分酶氧化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(mineralizationpercent)。我国土壤的年矿化率一般在1%～3%。一、简单有机化合物的分解和转化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、H2S+heat（极少）嫌气水解酶作用己糖淀粉半纤维素纤维素如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类。含氮物质的矿化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反硝化作用：反硝化细菌在嫌气条件下将硝酸盐还原过程。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。CO2的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生物活性的重要指标。脂肪、树脂、蜡质、单宁等木质素木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中被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。单糖、淀粉和简单蛋白质粗蛋白质半纤维素纤维素脂肪、蜡质等木质素、酚类化合物容易难土壤中简单有机化合物分解的难易顺序好氧条件下的分解微生物活动旺盛，分解作用快，分解最终产物位CO2和H2O，释放出矿质盐类（NH4+、NO3-、HPO42-、H2PO4-、SO42-等）。嫌氧条件下的分解好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土壤中积累有机酸、乙醇等中间产物。极厌氧条件下会产生CH4、H2、H2S等还原性气体。注意植物残体主要包括植物根、茎、叶的死亡组织。其中各类有机化合物的含量范围是：可溶性有机化合物纤维素半纤维素蛋白质木质素（糖分、氨基酸等）5~10%15~60%10~30%2~15%5~30%二、植物残体的分解和转化第一阶段：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。第二阶段：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。植物残体在土壤中的分解和转化过程：据统计，有机残体进入土壤经1年降解后，有机质的2/3以CO2的形式释放而损失，残留在土壤中的不足1/3。易分解组分植物残体碳难分解组分土壤微生物生物量：3～8%多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质：3～8%腐殖物质：10～30%各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。腐殖化系数：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。腐殖化过程（humification）碳总量每年进入单位土壤有机单位土壤每年残留碳量腐殖化系数三、土壤腐殖物质的分解和转化第一阶段：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。第二阶段：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。第三阶段：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。腐殖质的分解和转化经历三个阶段：它是一类以芳香化合物或其聚合物为核心，复合了其他类型有机物质的有机复合体。它与土壤中黏土矿物紧密结合，以有机—无机复合体方式存在。能存在与蒙脱石、蛭石等膨胀型矿物的层间，不与微生物接触。腐殖物质在土壤中很稳定，抗微生物分解能力很强，主要与其本身的化学结构及其与金属离子和黏土矿物之间的相互作用、团聚体内部的夹杂有关。土壤腐殖质的年周转量为1.1%。四、影响土壤有机质分解和转化的因素（一）土壤生物的组成与活性（二）土壤特性（三）植物残体的特性土壤动物促进植物残体的破碎和运输真菌可促进木质素的分解细菌和放线菌可促进碳水化合物的分解（一）土壤生物的组成与活性（二）土壤特性SOM分解转化主要是在微生物作用下完成的，影响微生物活性的因素都影响有机质的分解和转化。南方土壤有机质含量为什么低于北方土壤？0℃以下，微生物活性很低，SOM分解速率很小；0～35℃范围内，每升高10℃，SOM最大分解速率提高2～3倍；25～35℃下，微生物活动最旺盛，利于SOM矿化分解。1、温度2、水分和通气状况好气：水少气多，氧气充足，好氧微生物活动旺盛，SOM矿化分解，释放养分；嫌气：水多气少，氧气不足，好氧微生物活动受抑制，氧化分解很慢；SOM腐殖化合成腐殖质。水田不宜提倡秸秆还田，不能以牺牲环境为代价换取增产。低洼、积水有利于有机质的积累！（二）土壤特性3、pH值通过影响微生物的活性而影响有机质的分解，各种微生物都有其最适pH范围：由于细菌数目最多，所以pH6.5～7.5较适宜！多数细菌的最适pH为6.5～7.5真菌为3～6放线菌为略偏向碱性在农业生产中，改良过酸或过碱土壤，对促进有机质的矿化有显著效果。（二）土壤特性4、质地黏粒含量越高，质地愈黏重，SOM愈难分解，有机质含量也越高。（二）土壤特性5、其他影响因素某些重金属的毒害作用都会限制有机质转化。（三）植物残体的特性1、物理状态新鲜程度破碎程度紧实程度新鲜多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎、疏松的有机质易于分解！纤维素、木质素和蜡质含量高的植物残体难分解，含氮有机物多的植物残体分解容易。2、植物残体的化学组成（三）植物残体的特性3、C/NＣ／Ｎ不仅影响有机残体分解速度，还影响土壤有效氮的供应，通常以25:1或30:1较为合适。Ｃ／Ｎ＜25:1时，微生物活动最旺盛，分解有机质速度较快，释放出大量Ｎ素；Ｃ／Ｎ＞25:1时，Ｎ相对不足，会出现微生物与植物共同争夺土壤中的有效Ｎ。秸杆直接还田时，常加入适量的速效氮肥，为什么？第三节土壤腐殖物质的形成和性质土壤腐殖物质的形成土壤腐殖物质—黏土矿物复合体土壤腐殖酸的分组土壤腐殖酸的性质humus：一类以芳香化合物或其聚合物为核心，是土壤中一类性质稳定、组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物。humification：进入土壤中的有机质转化形成腐殖质的过程，是一系列极端复杂过程的总称，主要是由微生物为主导的生物和生物化学过程，也有一些纯化学的过程。一、土壤腐殖物质的形成土壤腐殖物质形成过程中的转化途径还原糖形成途径多元酚理论SelmanWaksman木质素—蛋白质理论Humification腐殖化作用腐殖化作用Humification二、土壤腐殖物质—黏土矿物复合体土壤腐殖物质按存在状态分为：游离态腐殖物质：很少结合态腐殖物质：主要与黏土矿物和阳离子紧密结合以有机—无机复合体的方式在。通常52%～98%的土壤有机质集中在黏粒部分。土壤有机—无机复合体主要键合机理：范德华力、阳离子键桥、氢键、静电吸