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全文电子教材土壤与土壤资源学（上篇：土壤学）林学专业第四章土壤有机质第一节土壤有机质的来源、组成和类型土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分，但它对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要作用的意义。一方面，它含有植物生长所需要的各种营养元素（最主要的），也是土壤微生物活动的能源，对土壤物理、化学和生物学性质能有着深刻的影响。另一方面，土壤有机质对重金属、农药等各种有机、无机污染物的行为能有显著的影响。而且土壤有机质对全球碳平衡起着重要的作用，被认为是影响全球温室效应的重要因素。土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机化合物。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。我国地域辽阔，由于各地的自然条件和农林业经营水平不同，土壤有机质的含量差异较大。低者少于1%，多者可高达20%。土壤有机质含量的多少，基本上可以反映土壤肥力水平的高低。一、土壤有机质的来源土壤有机质是指土壤中含碳的有机化合物。土壤中有机质的来源十分广泛。（1）植物残体：包括各类植物的凋落物、死亡的植物体及根系。这是自然状态下土壤有机质的主要来源。对森林土壤尤为重要。森林土壤相对农业土壤而言具有大量的凋落物和庞大的树木根系等特点。我国林业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，暧温带落时阔时林，温带针阔混交林，寒温带针叶林。热带雨林凋落物干物质量可达16700Kg/(km2·a),而荒漠植物群落凋落物干物质量仅为530kg/(nm2·a).（2）动物、微生物残体：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。（3）动物、植物、微生物的排泄物和分泌物：土壤有机质的这部分来源虽然量很少，但对土壤有机质的转化起着非常重要的作用。（4）人为施入土壤中的各种有机肥料（绿肥、堆肥、沤肥等），工农业和生活废水，废渣等，还有各种微生物制品，有机农药等。二、土壤有机质的含量土壤有机质的含量在不同土壤中差异很大，含量高的可达20％或30％以上（如泥炭土，某些肥沃的森林土壤等），含量低的不足1％或0.5％（如荒漠土和风沙土等）。在土壤学中，一般把耕作层中含有机质20％以上的土壤称为有机质土壤，含有机质在20％以下的土壤称为矿质土壤。一般情况下，耕作层土壤有机质含量通常在5%以上。全球土壤0?/FONT100cm和0?/FONT15cm土层中有机碳的含量（有机质的含碳量平均为58％，所以土壤有机质的含量大致是有机碳含量的1.724倍）情况见表4-1/FONT1表4-1全球土壤0-100cm和0-15cm土层中有机碳的含量土纲面积（103km2）0-100cm土层中的有机碳0-15cm土层中有机碳Mg/hm2总量1015g占全球%范围（％）代表值（％）新成土始成土有机土暗色土变性土旱成土软土灰化土淋溶土老成土氧化土其它14921215801745255232873174354804878182831133011772764499.148916335222204535723306785581913511071317351467156912789310571011198241810.06~6.0—0.06~6.0—12~57471.2~1060.5~1.80.90.1~1.00.60.9~4.02.41.5~5.02.00.5~3.81.40.9~3.31.40.9~3.02.0?/FONT—总计1352151576100（引自黄昌勇《土壤学》2002年）三、土壤有机质的组成（一）土壤有机质的类型进入土壤中的有机质一般以三种类型状态存在。（1）新鲜的有机物：指那些进入土壤中尚未被微生物分解的动、植物残体。它们仍保留着原有的形态等特征。对森林土壤而言，一般指枯凋落物的L层（Litter）。相当于土壤剖面形态记述中的A。。层。（2）分解的有机物：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，呈褐色。包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。对森林土壤而言，一般指枯凋落物层中的F层（Fermetation）。此层一般在土壤剖面形态记述中为A。层（3）腐殖质：指有机质经过微生物分解后并再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质。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，占土壤有机质总量的85％?/FONT90％。对森林土壤而言，一般指枯落物层中H层（Humus）。在土壤剖面形态记述中，通常与上述的F层共同记为A。层。（二）生物有机质的组成土壤有机质的组成决定于进入土壤的有机物质的组成，进入土壤的有机物质的组成相当复杂。各种动、植物残体的化学成分和含量因动、植物种类、器官、年龄等不同而有很大的差异。一般情况下，动植物残体主要的有机化合物有碳水化合物、木素、蛋白质、树脂、蜡质等。土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N，分别占52％?/FONT58％、34％?/FONT39％、3.3％?/FONT4.8％。（1）碳水化合物碳水化合物是土壤有机质中最主要的有机化合物，碳水化合物的含量大约占有机质总量的15?/FONT27％。包括糖类、纤维素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。糖类有葡萄糖、半乳糖、六碳糖、木糖、阿拉伯糖、氨基半乳糖等。虽然各主要自然土类间植被、气候条件等差异悬殊，但上述各糖的相对含量都很相近，在剖面分布上，无论其绝对含量或相对含量均随深度而降低。纤维素和半纤维素为植物细胞壁的主要成分，木本植物残体含量较高，两者均不溶于水，也不易化学分解和微生物分解。果胶质在化学组成和构造上和半纤维素相似，常与半纤维素伴存。甲壳质属多糖类，和纤维素相似，但含有氮，在真菌的细胞膜、甲壳类和昆虫类的介壳中大量存在，甲壳质的元素组成或为（C8H13O5N4）n（2）木素木素是木质部的主要组成部分，是一种芳香性的聚合物。较纤维素含有更多的碳，与纤维素、半纤维素元素组成的差别如表4?/FONT2。木素在林木中的含量约占30％，木素的化学构造尚未完全清楚，关于木素中是否含氮的问题目前尚未阐明，木素很难被微生物分解。但在土壤中可不断被真菌、放线菌所分解。由C14研究指出，有机物质的分解顺序为：葡萄糖半纤维素纤维素木素（3）含氮化合物动植物残体中主要含氮物质是蛋白质，它是构成原生质和细胞核的主要成分，在各植物器官中的含量变化很大，见表4?/FONT3表4-2不同植物、器官中蛋白质含量（％）针叶、阔叶3.5—9.2苔藓4.5—8.0禾木科植物茎杆3.5—4.7蛋白质的元素组成除碳、氢、氧外，还含有氮（平均为10％），某些蛋白质中还含有硫（0.3％?/FONT2.4％）或磷（0.8％）。蛋白质是由各种氨基酸构成的。一般含氮化合物易为微生物分解，生物体中常有一少部分比较简单的可溶性氨基酸可为微生物直接吸收，但大部分的含氮化合物需要经过微生物分解后才能被利用。（4）树脂、蜡质、脂肪、单宁、灰分物质树脂、蜡质、脂肪等有机化合物均不溶于水，而溶于醇、醚及苯中，都是复杂的化合物。单宁物质有很多种，主要都是多元酚的衍生物，易溶于水，易氧化，与蛋白质结合形成不溶性的，不易腐烂的稳定化合物。木本植物木材及树皮中富含单宁，而草本植物及低等生物中则含量很少。植物残留体燃烧后所留下的灰为灰分物质，其主要元素为钙、镁、钾、钠、硅、磷、硫、铁、铝、锰等，此外还有少量的碘、锌、硼、氟等元素。这些元素在植物生活中有着巨大的意义。第二节土壤有机质的矿质化一、矿化过程及影响因素（一）土壤有机质的矿化过程土壤有机质的矿化过程：土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合物的过程。土壤有机质的矿化过程分为化学的转化过程、活动物的转化过程和微生物的转化过程。这一过程使土壤有机质转化为二氧化碳、水、氨和矿质养分（磷、硫、钾、钙、镁等简单化合物或离子），同时释放出能量。这一过程为植物和土壤微生物提供了养分和活动能量，并直接或间接地影响着土壤性质，同时也为合成腐殖质提供了物质基础。(1)土壤有机质的化学的转化过程土壤有机质的化学的转化过程的含义是广义的，实际上包括着生物学及物理化学的变化。1.水的淋溶作用：降水可将土壤有机质中可溶性的物质洗出。这些物质包括简单的糖、有机酸及其盐类、氨基酸、蛋白质及无机盐等。约占5％—10％水溶性物质淋溶的程度决定于气候条件（主要是降水量）。淋溶出的物质可促进微生物发育，从而促进其残余有机物的分解。这一过程对森林土壤尤为重要，因森林下常有下渗水流可将地表有机质（枯落物）中可溶性物质带入地下供林木根系吸收。2.酶的作用：土壤中酶的来源有三个方面：一是植物根系分泌酶，二是微生物分泌酶，三是土壤动物区系分泌释放酶。土壤中已发现的酶有50?/FONT60种。研究较多的有氧化还原酶、转化酶和水解酶等。酶是有机体代谢的动力，因此，可以想象酶在土壤有机质转化过程中所起的巨大作用。(2)土壤有机质活动物的转化过程从原生动物到脊椎动物，大多数以植物及植物残体为食。在森林土壤中，生活着大量的各类动物，如温带针阔混交林下每公顷蚯蚓可达258万条等，可见活动物对有机质的转化起着极为重要的作用。1.机械的转化：动物将植物或残体碎解，或将植物残体进行机械的搬进及与土粒混合，均可促进有机物被微生物分解。2.化学的转化：经过动物吞食的有机物（植物残体）未被动物吸收部分，经过肠道，以排泄物或粪便的形式排到体外，已经经过动物体内分解或半分解。土壤动物中蚯蚓的分解作用最大，因此，在某种程度上，可用土壤中蚯蚓的数量来评价土壤肥力的高低。(3)土壤有机质的微生物转化过程土壤有机质的微生物的转化过程是土壤有机质转化的最重要的，最积极的进程。1微生物对不含氮的有机物生转化不含氮的有机物主要指碳水化合物，主要包括糖类、纤维素、半纤维素、脂肪、木素等、简单糖类容易分解，而多糖类则较难分解；淀粉、半纤维素、纤维素、脂肪等分解缓慢，木素最难分解，但在表性细菌的作用下可缓慢分解。（C6H10O5）n+nH2o→nC6H12O6葡萄糖在好气条件下，在酵母菌和醋酸细菌等微生物作用下，生成简单的有机酸（醋酸、草酸等）、醇类、酮类。这些中间物质在空气流通的土壤环境中继续氧化，最后完全分解成二氧化碳和水，同时放出热量。土壤碳水化合物分解过程是极其复杂的，在不同的环境条件下，受不同类型微生物的作用，产生不同的分解过程。这种分解进程实质上是能量释放过程，这些能量是促进土壤中各种生物化学过程的基本动力，是土壤微生物生命活动所需能量的重要来源。一般来说，在嫌气条件下，各种碳水化合物分解形成还原性产物时释放出的能量，比在好气条件下所释放的能量要少得多，所产生的CH4、H2等还原物质对植物生长不利。2微生物对含氮的有机物转化土壤中含氮有机物可分为两种类型：一是蛋白质类型，如各种类型的蛋白质；二是非蛋白质型，如几丁质、尿素和叶绿素等。土壤中含氮的有机物在土壤微生物作用下，最终分解为无机态氮（NH4+?/FONTN和NO3-—N）①水解过程蛋白质在微生物所分泌的蛋白质水解酶的作用下，分解成为简单的氨基酸类含氮化合物。蛋白质→水解蛋白质→消化蛋白质→多肽→氨基酸②氨化过程蛋白质水解生成的氨基酸在多种微生物及其分泌酶的作用下，产生氨的过程。氨化过程在好气、嫌气条件下均可进行，只是不同种类微生物的作用不同。③硝化过程在通气良好的情况下，氨化作用产生的氨在土壤微生物的作用下，可经过亚硝酸的中间阶段，进一步氧化成硝酸，这个由氨经微生物作用氧化成硝酸的作用叫做硝化作用。将硝酸盐转化成亚硝酸盐的作用称为亚硝化作用。硝化过程是一个氧化过程，由于亚硝酸转化为硝酸的速度一般比氨转化为亚硝酸的速度快得多，因此土壤中亚硝酸盐的含量在通常情况下是比较少的。亚硝化过程只有在通气不良或土壤中含有大量新鲜有机物及大量硝酸盐的发生，从林业生产上看，此过程有害，是降低土壤肥力的过程，因此应尽量避免。④反硝化