土壤生物与土壤有机质

2.2土壤生物与土壤有机质2.2.1土壤生物1、土壤生物多样性A、原生动物：单细胞真核生物，104-105个/g土。鞭毛虫、变形虫B、后生动物：多细胞动物。线虫、蠕虫、蚯蚓、蚂蚁疏松土壤，破碎植物残体C、微生物细菌（bacteria）放线菌（actinomyces）真菌（fungi）藻类(algae)原生动物（protozoon）2、微生物营养类型1）化能有机营养型：异养型，需要有机化合物作为碳源，并从氧化有机化合物的过程中获得能量。大多数细菌、几乎全部真菌和原生动物。2）化能无机营养型：自养型，以CO2为碳源，从氧化无机化合物中取得能量。亚硝酸菌、硝酸菌等。3）光能有机营养型：光能异养型，能量来自于光，需有机化合物作为氢供体以还原CO2，并合成细胞物质。4）光能无机营养型：自养型，利用光能进行光合作用，以无机化合物作为氢供体以还原CO2，并合成细胞物质。藻类、光合细菌微生物作用：调节植物生长的养分循环；产生并消耗CO2，CH4，NO，N2O，CO和H2等；促进团聚体的形成；分解有机废弃物；是新物种基因材料的源和库2.2.2土壤有机质土壤中来源于生命的物质一、为什么研究有机质土壤有机质土壤碳固定与碳循环土壤肥力土壤污染全球变化土壤环境质量温室效应（CO2、CH4）与陆地碳汇问题25035045055065018002000220024002600年大气CO2（ppm）-0.500.511.52碳汇（Pg/yr）大气CO2碳汇认识碳汇的可能变化探索缓解途径，寻找新的碳汇Carbonpool(Pg,1Pg=1015g)不同系统的碳库容量比较TerretrialEcosystem620SOM1500Air760Ocean&Marine38000Rock5000+1000SOMasasupportforbiomassproductionHowimportant?y=35.622Ln(x)-43.085R2=0.950640506070801015202530SOM(g/kg)基础产量/实际产量(%)江苏80年代初期产量与有机质的关系Howimportant?Fauna&MicrobeFaunabiomass&SOCinAhorizony=435.48Ln(x)-1188.3R2=0.9094010020030040050015202530354045SOC(g/g)SoilFaunabiomass(Individual/m2)y=334.03Ln(x)-641.92R2=0.97453003504004505005506006501020304050SOC(g/kg)MicrobialC(mg/kg)CK化肥佛山污泥广州污泥PAEs16.9267.66740.02538.081PAHs9.4366.22110.5858.527硝基苯0.1810.4650.1989.528胺类0.04600.0010.034卤代烃类0.1090.0810.2570.624土壤污染物浓度（mg/kgDM）Howimportant?不同土壤生态系统的有机质森林下，SOM丰富荒漠，SOM少,0.nDT/ha农业土壤：根茬等,nDT/ha102DT/ha作物根系、残茬及根系分泌物农家肥农业土壤有机质来源工业、生活垃圾三种形态：新鲜有机质、半分解有机质、腐殖质二、土壤有机质的某些量的特点1，土壤中有机质含量：0~300g/kg，有机质土壤：200g/kg；矿质土壤：200g/kg；耕作土壤：5~50g/kg；平均：10~20g/kg东北华中、华南华北、西北逐渐降低有机物质的组成：成分复杂1植物残体：主要成分：C、H、O、N、P、S、K烧失量：90%~95%以上，C、H、O、N灰分：P、S、Ca、Mg、K、Si、Zn、Mo、B、Fe、Mn关于土壤有机质的某些量的关系2有机质的构成量和含碳量土壤腐殖质：占有机质~90%；非腐殖物质中：碳水化合物占有机质5%~25%有机质的含碳量：源物质（残体）：40%；胡敏酸：50%；富里酸：40%；土壤有机质平均：58%SOM=SOC*1.7243元素组成COHN%52~5834~393.3~4.83.7~4.1C/N:~12,C/P~100;关于土壤有机质的某些量的关系三.土壤中有机质如何转化？动物微生物有机质微生物CO2、SO42-、NH4+-N、NO-3—N、H2PO4-、HPO42-1、矿化作用兼气：NH4+-N、—SH、有机酸好氧：CH4有机质微生物厌氧土壤呼吸：微生物分解土壤有机质，释放CO2于空气中；矿化作用(mineralization)：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。有机化合物分解的差异单糖、淀粉和简单蛋白质粗蛋白质纤维素、半纤维素脂肪、蜡质木质素土壤有机质的矿化作用A、糖类化合物B、含氮有机化合物水解作用：蛋白质氨基酸氨化作用硝化作用NH2-N----NH3-N------NO2-N、NO3-N分解作用的意义分解产生：CO2、CH4—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腐殖质化过程：进入土壤的有机物质在微生物的作用下转变为比原物质组成更为复杂、结构更为稳定的腐殖质的过程。腐殖物质：土壤中特有的、分子结构复杂的一类有机大分子。2,腐殖质化过程腐殖物质(humus)：土壤中特有的、分子结构复杂的一类有机大分子。特点：颜色：暗色；分子量：很大；形状：伸曲性，短棒形，比表面积很大（~2000m2/g)；亲水性：吸水容量大，分两个阶段：（1）产生原材料---含有芳核结构的物质（木质素、酚）（2）合成阶段：腐殖质化系数：每克重的新鲜有机质加入土壤中经过一年转变为腐殖质的克数。旱田：0.2-0.3;水田：0.25-0.40多酚氧化酶微生物腐质酸醌缩合多元酚土壤NaOH(不溶解)溶液酸化过滤过滤褐色沉淀—胡敏酸（褐腐酸）浅黄色溶液—富里酸（黄腐酸）胡敏素富里酸胡敏酸腐殖酸的人为分离方法微生物矿化作用腐殖化作用土壤有机质的转化过程CO2、H2O矿质养分CH4、H2S有机酸等多元酚，氨基酸、醌胡敏酸土壤有机质分解作用缩合SOM=不同分解程度的源物质和不同合成及缩合程度的新物质源物质(bio-origin):碳水化合物、木质素、蛋白质、树脂、蜡质等；新物质（腐殖物质，humus)：腐殖物质：胡敏酸、富哩酸、胡敏素土壤有机质含量并不总是不变的SOC(g/kg)1112131419801985199019952000CalenderYearMeanSOC(g/kg)空间和时间上，土壤有机质水平存在变化或波动有机质平衡：秸秆还田不能无限提高土壤有机质含量SOCincrease00.511.522.5301000200030004000RiceStrawinput(kgDM/ha)SOCrise(g/kg)微生物活动响应于温度变化无分解：≤0℃；分解随温度而加强：0-35℃；升温10℃，分解速率提高2~3倍最适分解温度：20~35℃四、影响土壤中有机质分解转化的因素：温度微生物适宜的含水量-0.03Mpa,厌气分解；-0.03~-0.1Mpa,适宜分解；0.3MPa,分解迅速降低；-4MPa,onlyfungi但是，频繁的干湿交替，强烈促进分解四、影响土壤中有机质分解转化的因素：水分（1）物理性质：含汁性、致密性、破碎性；（2）化学性质：C/N,材料间差异巨大(微生物平均C/N:8,同化25份C相当于分解1份氮—施秸秆时补氮)土壤C/N:耕作土壤8~15（平均10~12）；湿润温带土壤：10~12南方红黄壤：~20四、影响土壤中有机质分解转化的因素：有机源物质性质某些物质的碳氮比(C/N)C(%)N(%)C/N锯屑500.1500麦秸380.580玉米茎400.757黑麦草401.137苜蓿草40313激发效应：因为新鲜可分解的有机物的一定量加入，促进了土壤原有有机质的分解，从而释放更多的养分。正效应：养分矿化、植物吸收；微生物活动促进；负效应：加速土壤有机质库的消解，释放某些不利元素。四、影响土壤中有机质分解转化的因素：新鲜物质加入土壤质地：砂质土壤较利于有机质分解:有机质的黏粒保护作用中性土壤有利于有机质矿化：酸性土壤补钙-施石灰等于施肥四、影响土壤中有机质分解转化的因素：土壤性质有机质的黏粒保护作用东海县SOC(g/kg)&〈0.01mmy=0.0084x+2.5683R2=0.8133024681012020040060080010000.01mm,%SOC,g/kgy=-0.026x+33.923R2=0.5234151719212325273004005006000.01mm,g/kgSOC(g/kg)01234024681012Feo(g/kg)SOC(g/kg)渗育水稻土中SOC与无定型氧化铁（中国土壤,2000)湖南高产水稻土中SOC与物理性黏粒氧化铁保护作用（水稻土）五、腐殖质的基本性质分子量：变异很大.越复杂，分子量越大；分子空间体积：黏粒级(纳米nm~微米um)间；形状：伸曲性，短棒形，交联构造引起的空隙，比表面积很大（~2000m2/g);亲水性：吸水容量大，单位重量下是黏土的4~5倍，可以达到本身质量的500%；颜色：暗色，棕色到黑色腐殖质的化学功能基团酸性功能基：羧基(R-COOH和酚羟基(酚-OH);中性功能基：醇羟基(R-CH2-OH)、醚基(R-CH2-O-CH2-R)、酮基(R-C=O-R)、醛基(R-C=O-H)和酯(R-C=O-R-O)；碱性功能基：胺(R-CH2-NH2)、酰胺(R-C=O-NH-R);2）吸水性、溶解性：褐腐酸不溶于水，与K、Na、NH4+等一价盐类可溶，黄腐酸溶解度较大，腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，可超本身500%。3）稳定性：属高分子聚合物，稳定抗分解力强，植物残体半衰期年周转速率：1%左右，平均更新周期100年水平；年龄：富啡酸：500年内；胡敏酸：1000~2500年；胡敏素：1000年.土壤腐殖质最老：8000年六、有机质在土壤肥力中的作用a.提供作物及微生物需要的养分Ｎ、Ｃ源及微量元素等，植物生长所需氮：土壤，肥料b.增强土壤的保肥性能带电性主要是带负电，吸附阳离子c.促进团粒结构的形成，改善物理性质腐殖质是种胶体，包被于矿质土粒的外表，松软，絮状，多孔d.促进作物生长极低浓度的腐殖质分子，对植物有刺激作用e.消除土壤污染与农药、重金属络合，减少毒害。