1、第四章第四章 土壤有機(jī)質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分 在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著很重要的作用和意義一方面它含有植物生長(zhǎng)所需要的各種營(yíng)養(yǎng)元素，是土壤微生物生命活動(dòng)的能源，對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)都有著深刻的影響土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬、農(nóng)藥等各種有機(jī)、無機(jī)污染物的行為都有顯著的影響，而且土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)全球碳平衡起著重要作用，被認(rèn)為是影響-全球“溫室效應(yīng)”，的主要因素土壤有機(jī)質(zhì)指存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物質(zhì)，它包括土壤中各種動(dòng)、植物殘?bào)w，微生物體及其分解和合成的各種有機(jī)物質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 土壤有機(jī)質(zhì)的來源、含量及其組成土壤有機(jī)質(zhì)的來源、含量及其組成 一、土壤有機(jī)質(zhì)的來

2、源一、土壤有機(jī)質(zhì)的來源動(dòng)、植物殘?bào)w動(dòng)、植物的分泌物和排泄物人為施入土壤中的各種有機(jī)肥料我國(guó)不同自然植被下進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量變異很大熱帶雨林凋落物干物質(zhì)量16700kg/(hm2年)亞熱帶常綠闊葉和落葉闊葉林暖溫帶落葉闊葉林溫帶針闊混交林寒溫帶針葉林荒漠植物二、土壤有機(jī)質(zhì)的含量及其組成二、土壤有機(jī)質(zhì)的含量及其組成有機(jī)質(zhì)的含量在不同土壤中差異很大，高的可達(dá)20或30以上(如泥炭土、一些森林土壤等)，低的不足0.5(如一些漠境土和砂質(zhì)土壤)。在土壤學(xué)中，一般把耕層含有機(jī)質(zhì)20以上的土壤，稱為有機(jī)質(zhì)土壤，含有機(jī)質(zhì)在20以下的土壤，稱為礦質(zhì)土壤土綱面積(103km2)0-100cm 土層中有機(jī)碳0-1

3、5cm 土層中有機(jī)碳Mg/hm2總量1015g占全球%范圍%代表值%新成土149219914890.06-6.0-始成土21580163352220.06-6.0-有機(jī)土174520453572312-5747暗色土25523067851.2-106變性土3287581910.5-1.80.9旱成土317433511070.1-1.00.6軟土54801317350.9-4.02.4灰化土48781467151.5-5.02.0淋溶土182836912780.5-3.81.4老成土113309310570.9-3.31.4氧化土1177210111980.9-3.02.0其它764424181

4、-總計(jì)1352151576100表2-1 全球土壤0-100cm和0-15cm土層中有機(jī)碳含量 土壤有機(jī)質(zhì)的主要元素組成是C、O、H、N，分別占52-58、34-39、3.3-4.8和3.7-4.1，其次是P和S，C/N比大約在10左右。土壤有機(jī)物質(zhì)中主要的化合物組成是類木質(zhì)素和蛋白質(zhì)，其次是半纖維素、纖維素以及乙醚和乙醇可溶性化合物。與植物組織相比，土壤有機(jī)質(zhì)中木質(zhì)素和蛋白質(zhì)含量顯著增加，而纖維素和半纖維素含量則明顯減少土壤腐殖質(zhì)非腐殖物質(zhì)Non-humic substances腐殖物質(zhì)Humic substances土壤腐殖質(zhì)(humus)是除未分解和半分解動(dòng)、植物殘?bào)w及微生物體以外的有機(jī)

5、物質(zhì)的總稱腐殖物質(zhì)是經(jīng)土壤微生物作用后，由多酚和多醌類物質(zhì)聚合而成的含芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的、新形成的黃色至棕黑色的非晶形高分子有機(jī)化合物。它是土壤有機(jī)質(zhì)的主體，也是土壤有機(jī)質(zhì)中最難降解的組分，一般占土壤有機(jī)質(zhì)的60-80第二節(jié)第二節(jié) 土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化一、簡(jiǎn)單有機(jī)化合物的分解和轉(zhuǎn)化一、簡(jiǎn)單有機(jī)化合物的分解和轉(zhuǎn)化有機(jī)化合物進(jìn)入土壤后，一方面在微生物酶的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，徹底分解而最終釋放出二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫等營(yíng)養(yǎng)元素在一系列特定反應(yīng)后，釋放成為植物可利用的礦質(zhì)養(yǎng)料，這一過程稱為有機(jī)質(zhì)的礦化過程R-(C,4H)+2O2CO2+2H2O+能量各種有機(jī)化合物通過微生

6、物的合成或在原植物組織中的聚合轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成和結(jié)構(gòu)比原來有機(jī)化合物更為復(fù)雜的新的有機(jī)化合物，這一過程稱為腐殖化過程在碳水化合物中，糖和淀粉容易降解，終端產(chǎn)物是二氧化碳和水，而纖維素和半纖維素不容易降解。蛋白質(zhì)比較容易降解，降解產(chǎn)物除二氧化碳和水以外，還有甘氨酸(CH2NH2COOH)、半光氨酸(CH2HSCHNH2COOH)等氨基酸，這些含氮和硫的化合物進(jìn)一步降解最后還產(chǎn)生NH4+、NO3-、S042-等簡(jiǎn)單無機(jī)離子， 木質(zhì)素是一類復(fù)雜的酚類聚合物，比碳水化合物要穩(wěn)定得多，容易在土壤中積累有機(jī)化合物的分解從易到難的排列次序?yàn)? 2 4 6 8 10 12 14時(shí)間/年酚10 (5)木質(zhì)素50 (4

7、0)蠟25(5)纖維素75 (20)半纖維素90 (15)糖類99 (15)SM10050101剩余率 (%)在好氧條件下，微生物活動(dòng)旺盛，分解作用進(jìn)行得較快，最后大部分有機(jī)物質(zhì)變成CO2和H20，而N、P、S等則以NH4+、NO3-、HP042-、H2P04-、S042-等礦質(zhì)鹽類釋放出來。但在嫌氣條件下，好氧微生物的活動(dòng)受到抑制，分解作用進(jìn)行得既慢又不徹底，這樣有機(jī)質(zhì)消失得較慢而在土壤中大量積累，同時(shí)往往還產(chǎn)生有機(jī)酸、乙醇等中間產(chǎn)物。在極嫌氣的情況下，還產(chǎn)生CH4、H2等還原物質(zhì)，其中的養(yǎng)料和能量釋放很少，對(duì)植物生長(zhǎng)不利有機(jī)化合物在嫌氣條件下的分解過程可以丙酸為例用下列式子來表示：4C2H

8、5COOH+2H2O 4CH3COOH+CO2+CH4CH3COOH CO2+CH4CO2+4H2 2H2O+CH4但無論是在好氧條件還是在嫌氧條件下，有機(jī)物質(zhì)降解的終端產(chǎn)物主要是二氧化碳，二氧化碳的釋放速率通常是衡量土壤有機(jī)質(zhì)分解率和微生物活性的重要指標(biāo)。二、影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的因素二、影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的因素有機(jī)質(zhì)是土壤中最活躍的物質(zhì)組成。一方面，外來有機(jī)物質(zhì)不斷地輸入土壤，并經(jīng)微生物的分解和轉(zhuǎn)化形成新的腐殖質(zhì)；另一方面，土壤原有有機(jī)質(zhì)不斷地被分解和礦化，離開土壤。進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)主要由每年加入土壤中動(dòng)植物殘?bào)w的數(shù)量和類型決定，而土壤有機(jī)質(zhì)的損失則主要取決于土壤有機(jī)質(zhì)的氧化及

9、土壤侵蝕的程度。進(jìn)人土壤的有機(jī)物質(zhì)與有機(jī)碳從土壤中損失之間的平衡決定了土壤有機(jī)質(zhì)的含量。凡是能影響微生物活動(dòng)及其生理作用的因素都會(huì)影響有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化1、溫度、溫度溫度影響到植物的生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)的微生物降解。一般說來，在0C以下，土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率很小。在0-35溫度范圍內(nèi)，提高溫度能促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的分解，加速土壤微生物的生物周轉(zhuǎn)。溫度每升高10C，土壤有機(jī)質(zhì)的最大分解速率提高2-3倍。一般土壤微生物活動(dòng)的最適宜溫度范圍約為25-35C，超出這個(gè)范圍，微生物的活動(dòng)就受到明顯的抑制2、土壤水分、土壤水分土壤水分對(duì)有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的影響是復(fù)雜的。土壤中微生物的活動(dòng)需要適宜的土壤含水量，但過多的水

10、分導(dǎo)致進(jìn)入土壤的氧氣減少，從而改變土壤有機(jī)物質(zhì)的分解過程和產(chǎn)物。當(dāng)土壤處于嫌氣狀態(tài)時(shí)，大多數(shù)分解有機(jī)質(zhì)的好氧微生物停止活動(dòng)，從而導(dǎo)致未分解有機(jī)質(zhì)的積累。植物殘?bào)w分解的最適水勢(shì)在-0.03-0.1MPa之間，當(dāng)水勢(shì)降到-0.3MPa以下，細(xì)菌呼吸作用迅速降低，而真菌一直到-4-5MPa時(shí)可能還有活性3、通氣狀況通氣狀況土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化也受土壤干濕交替作用的影響。干濕交替作用使土壤呼吸強(qiáng)度在很短時(shí)間內(nèi)大幅度地提高，并使其在幾天內(nèi)保持穩(wěn)定的土壤呼吸強(qiáng)度，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用。另一方面干濕交替作用會(huì)引起土壤膠體，尤其是蒙脫石、蛭石等粘土礦物的收縮和膨脹作用，使土壤團(tuán)聚體崩潰，其結(jié)果一是使

11、原先不能被分解的有機(jī)物質(zhì)因團(tuán)聚體的分散而能被微生物分解；二是干燥引起部分土壤微生物死亡4、植物殘?bào)w的特性、植物殘?bào)w的特性新鮮多汁的有機(jī)物質(zhì)比干枯稿稈易于分解， 有機(jī)物質(zhì)的細(xì)碎程度影響其與外界因素的接觸面，而影響其礦化速率。有機(jī)物質(zhì)組成的碳氮比(C/N)對(duì)其分解速度影響很大。 植物體的C/N變異很大，豆科植物和幼葉的C/N在10：1到30:1，而一些植物鋸屑的C/N可高達(dá)600:1。這與植物種類、生長(zhǎng)時(shí)期、土壤養(yǎng)分狀況等有關(guān)5、土壤特性、土壤特性 土壤質(zhì)地在局部范圍內(nèi)影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量。土壤有機(jī)質(zhì)的含量與其粘粒含量具有極顯著的正相關(guān)，粘質(zhì)和粉砂質(zhì)土壤通常比砂質(zhì)土壤含有更多的有機(jī)質(zhì)。腐殖質(zhì)與粘粒

12、膠體結(jié)合形成的粘粒一腐殖質(zhì)復(fù)合體，可防止有機(jī)質(zhì)遭受分解，免受微生物的破壞。土壤pH也通過影響微生物的活性而影響有機(jī)質(zhì)的降解。各種微生物都有其最適宜于活動(dòng)的pH范圍，大多數(shù)細(xì)菌活動(dòng)的最適pH，在中性附近(pH6.5-7.5)，放線菌的最適pH略偏向堿性一側(cè)，而真菌則最適于酸性條件下(pH3-6)活動(dòng)。pH過低(8.5)對(duì)一般的微生物都不大適宜。10 20 30 40 50 60 70 80 90 100X /kgm-2沼澤K=0.01K=0.1K=1熱帶雨林草地落葉林針葉林凍原I/(kgm-2)402第三節(jié)第三節(jié) 土壤腐殖物質(zhì)的形成和性質(zhì)土壤腐殖物質(zhì)的形成和性質(zhì)一、土壤腐殖物質(zhì)的形成一、土壤腐殖

13、物質(zhì)的形成土壤腐殖物質(zhì)的形成過程稱為腐殖化作用。腐殖化作用是一系列極端復(fù)雜過程的總稱，其中主要的是由微生物為主導(dǎo)的生物和生物化學(xué)過程，還有一些純化學(xué)的反應(yīng)第一階段是植物殘?bào)w分解產(chǎn)生簡(jiǎn)單的有機(jī)碳化合物第二階段是通過微生物對(duì)這些有機(jī)化合物的代謝作用及反復(fù)的循環(huán)，增殖微生物細(xì)胞第三階段是通過微生物合成的多酚和醌或來自植物的類木質(zhì)素，聚合形成高分子多聚化合物，即腐殖物質(zhì)土壤腐殖物質(zhì)的形成過程 土壤腐殖物質(zhì)一粘土礦物復(fù)合體土壤腐殖物質(zhì)一粘土礦物復(fù)合體二、二、土壤腐殖酸的分組土壤腐殖酸的分組腐殖物質(zhì)是一類組成和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜的天然高分子聚合物，其主體是各種腐殖酸及其與金屬離子相結(jié)合的鹽類，它與土壤礦物質(zhì)部分

14、密切結(jié)合形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，因而難溶于水腐殖物質(zhì)不溶性腐殖物質(zhì)（胡敏素）可溶性腐殖物質(zhì)沉淀物（胡敏酸）溶液（富啡酸） 四、土壤腐殖酸的性質(zhì)四、土壤腐殖酸的性質(zhì)1、腐殖酸的物理性質(zhì)腐殖酸的物理性質(zhì)腐殖酸的分子量因土壤類型及腐殖酸組成的不同而異， 變動(dòng)范圍為幾至幾百萬之間同一土壤中，富啡酸的平均分子量最小，胡敏素的平均分子量最大，胡敏酸則處于富啡酸和胡敏素之間大小與形態(tài)大小與形態(tài)土壤胡敏酸的直徑范圍在1-0.001m之間，富啡酸則更小些腐殖酸分子可能均為短棒形。芳香基和烷基結(jié)構(gòu)的存在使得腐殖酸分子具有伸曲性，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部有很多交聯(lián)構(gòu)造，物理性空隙能凹陷一些有機(jī)和無機(jī)化合物。腐殖酸的整體結(jié)構(gòu)并不緊密

15、，整個(gè)分子表現(xiàn)出非晶質(zhì)特征，具有較大的比表面積，高達(dá)2000m2/g，遠(yuǎn)大于粘土礦物和金屬氧化物的表面積腐殖酸是一種親水膠體，有強(qiáng)大的吸水能力，單位重量腐殖物質(zhì)的持水量是硅酸鹽粘土礦物的4-5倍，最大吸水量可以超過其本身重量的500顏色顏色腐殖物質(zhì)的整體呈黑色，而其不同組分腐殖酸的顏色則略有深淺之別。富啡酸顏色較淡，呈黃色至棕紅色，而胡敏酸的顏色較深，為棕黑色至黑色，這是由于它們各自的分子量的大小和發(fā)色基團(tuán)組成及其比例不同所引起的。腐殖酸的光密度與其分子量大小和分子的芳構(gòu)化程度大體呈正相關(guān)2、腐殖酸的化學(xué)性質(zhì)、腐殖酸的化學(xué)性質(zhì)腐殖酸的主要元素組成是碳、氫、氧、氮、硫，此外還含有少量的鈣、鎂、鐵

16、、硅等灰分元素。不同土壤中腐殖酸的元素組成不完全相同，有的甚至相差很大。腐殖質(zhì)含碳55-60，平均為58，氮3-6，平均為5.6，C/N比值為10:1-12:1 腐殖酸分子中含各種功能基。其中主要是含氧的酸性功能基，包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基(R-COOH)和酚羥基(酚-OH)，其中羧基是最重要的功能基團(tuán)。此外，腐殖物質(zhì)中還存在一些中性和堿性功能基，中性功能基主要有醇羥基(R-CH2-OH)、醚基(R-CH2-O-H2-R)、酮基(R-C=O(-R)、醛基(R-C=O(H)和酯(R-C=O(-OR)，堿性功能基主要有胺(R-CH2-NH2)和酰胺(R-C=O(-NH-R)。富啡酸的羧基和

17、酚羥基含量以及羧基的解離度均較胡敏酸高，醌基較胡敏酸低；胡敏素的醇羥基比富啡酸和胡敏酸高，但富啡酸中羰基含量最高。我國(guó)各主要土壤中胡敏酸的羧基含量在270480cmol/kg之間，醇羥基在220-430cmol/kg，醌基在90-189cmo1/kg之間。富啡酸的羧基含量為640-850cmol/kg，是胡敏酸的2倍左右，富啡酸的醇羥基和醌基的含量分別在500-600和50-60cmol/kg之間。 以單位重量計(jì)算，腐殖酸因帶負(fù)電荷而產(chǎn)生的陽離子交換量(CEC)為500-1200cmol(+)/kg，以單位體積計(jì)算，CEC為40-80cmol(+)/L，遠(yuǎn)超過土壤硅酸鹽粘土礦物對(duì)土壤CEC的貢

18、獻(xiàn)。 3、腐殖酸的分子結(jié)構(gòu)特征、腐殖酸的分子結(jié)構(gòu)特征腐殖酸是高分子聚合物，其分子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，是由脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)成分聚合而成的高分子化合物第四節(jié)第四節(jié) 土壤有機(jī)質(zhì)的作用及管理土壤有機(jī)質(zhì)的作用及管理一、有機(jī)質(zhì)在土壤肥力上的作用一、有機(jī)質(zhì)在土壤肥力上的作用有機(jī)質(zhì)在土壤肥力上的作用是多方面的，它的含量是土壤肥力水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)1、提供植物需要的養(yǎng)分、提供植物需要的養(yǎng)分 土壤有機(jī)質(zhì)是作物所需的氮、磷、硫、微量元素等各種養(yǎng)分的主要來源2、改善土壤肥力特性、改善土壤肥力特性有機(jī)質(zhì)通過影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)而改善土壤肥力特性物理性質(zhì)物理性質(zhì)土壤團(tuán)聚體的形成過程和穩(wěn)定性、土壤的通氣透水性、土壤有效水、土壤耕性等化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 土壤吸附性、酸堿性、 養(yǎng)分有效性生物性質(zhì)生物性質(zhì) 土壤微生物生命活動(dòng)所需養(yǎng)分和能量的主要來源二、有機(jī)質(zhì)在生態(tài)環(huán)境上的作用二、有機(jī)質(zhì)在生態(tài)環(huán)境上的作用1、有機(jī)質(zhì)與重金屬離子的作用有機(jī)質(zhì)與重金屬離子的作用 土壤腐殖物質(zhì)含有多種功能基，這些功能基對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)絡(luò)合和富集能力。土壤有機(jī)質(zhì)與重金屬離子的絡(luò)合作用對(duì)土壤和水體中重金屬離子的固定和遷移有極其重要的影響。各種功能基對(duì)金屬離子的親和力為:O- -NH2 一N=N N COO- -O- -C=