土壤有機質(zhì)課件

1、第二章 土壤有機質(zhì)土壤有機質(zhì)是指：土壤中所有含碳有機物質(zhì)的總稱，包括所有動、植物殘體，微生物體及其分解合成的各種有機物質(zhì)（不同分解階段的各種產(chǎn)物和合成產(chǎn)物）。第一節(jié)：土壤有機質(zhì)第二節(jié)：土壤腐殖質(zhì)第三節(jié)土壤有機質(zhì)的作用和調(diào)節(jié)第1頁，共63頁。第一節(jié)：土壤有機質(zhì)一、土壤有機質(zhì)的含量二、土壤有機質(zhì)的來源三、土壤有機質(zhì)的組成（類型）四、土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化第2頁，共63頁。一、土壤有機質(zhì)的含量土壤學(xué)中，一般把耕層含有機質(zhì)20%以上的土壤,稱為有機質(zhì)土壤，在20%以下的土壤，稱為礦質(zhì)土壤,但耕作土壤中，表層有機質(zhì)的含量通常在5%以下。土壤有機質(zhì)含量與氣候、植被、地形、土壤類型、農(nóng)耕措施密切相關(guān)。不同土壤中含

2、量差異很大。目前，我國土壤有機質(zhì)含量普遍偏低。總體而言,北方土壤有機質(zhì)含量高于南方土壤。第3頁，共63頁。表 中國某些自然土壤中有機質(zhì)含量統(tǒng)計的標(biāo)本數(shù) 有機質(zhì)含量（g/kg） 土 類 32 20.770.5 黃棕壤、黃褐土 10 13.866.6 高山草原土、亞高山草原土 26 48.1219.6 高山草甸土、亞高山草甸土 24 23.229.8 磚紅壤、赤紅壤 29 21.4164 黑土、黑鈣土 47 5.219.5 紅 壤 32 27.1205 黃 壤 22 10.3106.9 褐 土 74 26.4193 棕色森林土 第4頁，共63頁。第5頁，共63頁。土壤有機質(zhì)0.5%5%1.0-2.

3、0%1.5-3.0%第6頁，共63頁。耕層土壤有機質(zhì)含量分級指標(biāo)1級：高于4%；2級：34% ；3級：23%，4級：12%5級：0.61.0%6級：低于0.6%第7頁，共63頁。二、土壤有機質(zhì)的來源土壤有機質(zhì)最初來源微生物。土壤有機質(zhì)主要來源（基本來源）為高等綠色植物的枯枝、落葉、落果、根系等；其次是土壤中動物、微生物的遺體；自然土壤農(nóng)業(yè)土壤 人為施用的有機肥料（工農(nóng)業(yè)廢渣、微生物制品）擴大了土壤有機質(zhì)的來源。第8頁，共63頁。三、土壤有機質(zhì)的類型（組成）進入土壤中的有機物質(zhì)呈現(xiàn)三種狀態(tài)：新鮮的有機物質(zhì)-動、植物殘體，半分解的動、植物殘體，腐殖物質(zhì)（重新合成的更穩(wěn)定、更復(fù)雜的有機質(zhì)腐殖質(zhì)）。土

4、壤有機質(zhì)的類型包括（1）非腐殖質(zhì)物質(zhì)；（2）腐殖質(zhì)第9頁，共63頁。（一）、腐殖質(zhì)與非腐殖質(zhì)物質(zhì)非腐殖質(zhì)物質(zhì)（Non-Humic Substance) 枯枝落葉和半分解的有機殘體等可用機械方法把它們從土壤中分離出，占土壤有機質(zhì)的10-15%；腐殖物質(zhì) （Humic Substance)而腐殖質(zhì)與土粒緊密結(jié)合，不能用機械方法把它們從土壤中分離出，只能用化學(xué)方法從土壤中提取，占土壤有機質(zhì)的8以上，是土壤有機質(zhì)的主體。第10頁，共63頁。（二）.土壤有機質(zhì)的化合物組成1.糖類、有機酸、醛、醇、酮類以及相近的化合物。2.纖維素和半纖維素3.木質(zhì)素4.脂肪、蠟脂、樹脂和單寧5.含氮化合物化學(xué)元素組成：土

5、壤有機質(zhì)的基本元素組成是C、H、O、N，C/N比大約在1012之間。第11頁，共63頁。四、 土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程礦質(zhì)化過程： (Mineralization)*就是有機質(zhì)被分解成簡單的無機化合物，釋放出礦質(zhì)營養(yǎng)的過程腐殖化過程： (Humification)*使簡單的有機化合物形成新的、較穩(wěn)定的有機化合物（腐殖質(zhì)），使有機質(zhì)及其養(yǎng)分保蓄起來的過程第12頁，共63頁。土壤有機質(zhì)（碳）的轉(zhuǎn)化第13頁，共63頁。（一）土壤有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程1.含碳有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化土壤有機質(zhì)中的碳水化合物如纖維素、半纖維素、淀粉等糖類，在微生物分泌的糖類水解酶的作用下，首先水解為單糖： (C6H10O5)nnH2On

6、C6H12O6如果在好氣條件下，有好氣性微生物分解，最終產(chǎn)物為水和二氧化碳，放出的熱量多，稱氧化作用。其反應(yīng)如下：nC6H12O66O2 6CO26H20熱量如果在通氣不良的條件下，則在嫌氣性微生物作用下緩慢分解，并形成一些還原性氣體、有機酸，產(chǎn)生的熱量少，稱發(fā)酵作用。第14頁，共63頁。糖類的分解多糖（淀粉和纖維素） 葡萄糖 酒精 醋酸 CO2+H2O （好氣分解） 丁酸 甲烷 + CO2 （嫌氣分解） 第15頁，共63頁。2.含氮有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化含氮有機物是土壤中氮素的主要貯藏狀態(tài)，包括蛋白質(zhì)、氨基酸、腐殖質(zhì)等。(1)水解作用蛋白質(zhì)在微生物分泌的蛋白質(zhì)水解酶作用下，分解成氨基酸的作用稱水解作

7、用。蛋白質(zhì) 氨基酸第16頁，共63頁。(2)氨化作用分解含氮有機物產(chǎn)生氨的生物學(xué)過程稱氨化作用。CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3（氧化）CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3 （還原）CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3（水解）第17頁，共63頁。3.硝化作用氨態(tài)氮被微生物氧化成亞硝酸，并進一步氧化成硝酸的過程，稱硝化作用。第一階段，氨被亞硝酸細(xì)菌氧化成亞硝酸；NH23O2 2HNO22H2O熱量第二階段，亞硝酸被硝化細(xì)菌氧化成硝酸。2HNO2 O2 2HNO3熱量 第18頁，共63頁。（4）反硝化作用NO3在無氧或微氧條件 在細(xì)菌作用下生成N2O和

8、N2的過程，稱反硝化作用（硝酸鹽還原過程）。其反應(yīng)如下：C6H12O624KNO324KHCO36CO212N218H2O反硝化細(xì)菌第19頁，共63頁。3.含磷有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化土壤中含磷有機物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它們在有機磷細(xì)菌的作用下進行分解：磷細(xì)菌 水解 KNaCa2核蛋白質(zhì) 磷酸 磷酸鹽產(chǎn)生的磷酸鹽是植物可吸收的磷素養(yǎng)分，但在酸性或石灰性土壤中易與Fe、Al、Ca、Mg等生成難溶性的磷酸鹽，降低其有效性。在缺氧條件下磷酸又被還原為磷化氫，其反應(yīng)如下：H3PO4 H3PO3 H3PO2 PH3第20頁，共63頁。4.含硫有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化一般能分解含氮有機物的氨化細(xì)菌，都能分解有

9、機硫化物，產(chǎn)生硫化氫，其反應(yīng)如下：蛋白質(zhì) 硫氨基酸 H2S被硫化細(xì)菌氧化成硫酸的過程，稱硫化作用。其反應(yīng)如下：2H2SO2 2H2O2S2S3O22H2O 2H2SO4第21頁，共63頁。主要是含硫蛋白質(zhì)；含S有機物 含S氨基酸 S H2SO4（好氣條件） H2S H2S累積（嫌氣條件） 第22頁，共63頁。(二)土壤有機質(zhì)的腐殖化過程 Humification)土壤腐殖質(zhì)的形成是一個復(fù)雜的過程，大致可分為兩個階段。第一階段：有機殘體在微生物分解作用下，其中一部分徹底礦化，最終生成CO2、H2O、NH3、H2S等無機化合物。另一部分轉(zhuǎn)化為較簡單的有機化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等）

10、，提供了形成腐殖質(zhì)的材料。第二階段：在微生物的作用下經(jīng)縮合形成腐殖質(zhì)的基本單元。先是多元酚在微生物的作用下氧化為醌，然后醌再與含氮化合物縮合成原始腐殖質(zhì)。第23頁，共63頁。土壤腐殖質(zhì)形成過程中的轉(zhuǎn)化途徑第24頁，共63頁。進入土壤的有機質(zhì)在微生物進行的生化過程和一些純化學(xué)過程的共同作用下，形成腐殖質(zhì)的過程。腐殖質(zhì)是由土壤有機物質(zhì)分解產(chǎn)物重新合成而成的。其形成是一個復(fù)雜的、多途徑的過程。目前關(guān)于腐殖質(zhì)形成的主要學(xué)說有四：糖-胺縮合學(xué)說、多酚學(xué)說、起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說、木質(zhì)素學(xué)說。這幾種途徑在土壤中可能都存在，但在不同條件下的重要性不同。第25頁，共63頁。（三）、影響土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素 有

11、機殘體 的特性 土壤水分和通氣狀況 溫 度土壤特性C/N比值 最適水勢0.1 0.03Mpa0 35OM、pH、Eh值等第26頁，共63頁。（一）C/N1.微生物體組織的C/N=5/12.微生物適宜的C/N=25/13.進入土壤中的有機殘體的C/N不同（1）幼嫩組織和豆科植物C/N=1020/1（2）禾本科老秸稈C/N=6080/1不同C/N的有機殘體在土壤中分解的速度？禾本科老秸稈直接還田，往往使下茬幼苗生長不良？-“綠肥”？4.進入土壤中的有機殘體的C/N不同，最終要使土壤C/N穩(wěn)定在10/1左右。第27頁，共63頁。有機殘體的C/N比C/N=25：1時，最有利于有機殘體的分解C/N25:

12、1時，微生物會與植物爭奪有效N,造成植物氮素缺乏-？表現(xiàn)？第28頁，共63頁。土壤有機質(zhì)（碳）的轉(zhuǎn)化土壤有機質(zhì)含量并非可以無限提高，在穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)中最終達到一個穩(wěn)定值。第29頁，共63頁。第二節(jié)土壤腐殖質(zhì)一、腐殖質(zhì)的分離與組成二、土壤腐殖質(zhì)在土壤中存在形態(tài)二、土壤腐殖質(zhì)的性質(zhì)四、我國主要土壤腐殖質(zhì)的特征第30頁，共63頁。土壤腐殖質(zhì)本身不是一種單一的化合物，而是由多種化合物形成的聚縮物，其主體為腐殖酸及其鹽，占腐殖質(zhì)的8590，稱為腐殖物質(zhì)。其余為微生物代謝所產(chǎn)生的較簡單的化合物，因與腐殖酸緊密結(jié)合難以分離，故與腐殖酸合稱為腐殖質(zhì)。 第31頁，共63頁。 根據(jù)腐殖質(zhì)在不同溶劑中的溶解度和顏色

13、可分離出胡敏素、胡敏酸和富啡酸3種性質(zhì)不同的腐殖質(zhì)。NaOH或NH4OH 稀溶液處理 不溶解的腐殖質(zhì) 胡敏素 （黑腐素）溶解的暗褐色溶液 HCl或 H2SO4處理 褐色沉淀 胡敏酸 （褐腐酸） 黃色溶液 富啡酸（黃腐酸） 土壤一、腐殖質(zhì)的分離與組成第32頁，共63頁。土壤腐殖質(zhì)的分離、提取與組分 土壤(去除有機殘體) 用0.1MNaOH提取,過濾 黑色溶液 胡敏素黑色殘渣 用HCl調(diào)節(jié)到pH2溶液-富里酸 沉淀-胡敏酸第33頁，共63頁。分子結(jié)構(gòu)和分子量 -腐植酸的核心組成份是芳香族化合物，此外還有氨基酸、多肽及碳水化合物。-富里酸含羧基比胡敏酸多，所以酸性較強。 -富里酸的分子比胡敏酸小，結(jié)

14、構(gòu)較簡單。胡敏酸分子量大，平均可大于2500，富里酸的分子量較胡敏酸小（6801450）。 第34頁，共63頁。Flaig的胡敏酸模型第35頁，共63頁。Stevenson的胡敏酸模型第36頁，共63頁。Schulten的胡敏酸低(3)聚物分子的優(yōu)化3D結(jié)構(gòu)模型第37頁，共63頁。Schulten的胡敏酸低(10)聚物分子的優(yōu)化3D結(jié)構(gòu)模型第38頁，共63頁。Schnitzer和Khan的富里酸模型第39頁，共63頁。二、土壤腐殖質(zhì)在土壤中存在形態(tài)（）游離態(tài)的腐殖質(zhì)，在一般土壤中占極少部分。（）與礦物中強鹽基化合成穩(wěn)定的鹽類，主要為腐殖酸鈣鎂等。 （）與含水三氧化物化合成復(fù)雜的凝膠體。 （）與

15、粘粒結(jié)合成有機無機復(fù)合體。第40頁，共63頁。粘粒結(jié)合成有機無機復(fù)合體。用密度為1.8-2.0的重液提取土壤，分為重組（70%-95%）和輕組（5%-30%）。復(fù)合體為重組。重組又分為松結(jié)合態(tài)（10%）；穩(wěn)結(jié)合態(tài)(2030%)和緊結(jié)合態(tài)(60-70%).第41頁，共63頁。三、腐殖質(zhì)的性質(zhì)1腐殖質(zhì)不是一種純的化合物，而是代表一類有著特殊化學(xué)和生物性，構(gòu)造復(fù)雜的高分子有機化合物。2腐殖質(zhì)的元素成分，主要是C、H、O、N、P、S、Ca等。腐殖質(zhì)含碳量約為5660，平均為58。含氮量約為36(平均為5.6)，其碳/氮比例大致為1012/1，灰分占0.6。3腐殖質(zhì)是一種黑色或棕色的有機膠體。它的化學(xué)構(gòu)

16、造式雖然還沒有確定，但它們有若干共同點是可以肯定的，即分子巨大，以芳香族核為主體，附以各種功能團，并有含氮的環(huán)狀化合物。其中主要的功能團為羥基（一OH）、羧基（一COOH）、甲氧基（一OCH3）等。第42頁，共63頁。4.腐殖質(zhì)帶電性：腐殖質(zhì)帶有電荷，并且是兩性膠體，在通常情況下，它所帶的電荷是負(fù)的。腐殖質(zhì)的負(fù)電荷屬于可變電荷，CEC在200-500cmol/kg之間，比無機膠體大。第43頁，共63頁。、溶解性和凝聚性 -胡敏酸不溶解于水，但其鉀、鈉、銨鹽可以溶于水。-富里酸的水溶性比胡敏酸高的多。腐殖質(zhì)是帶負(fù)電荷的有機膠體，根據(jù)電荷同性相斥的原理，所以新形成的腐殖質(zhì)膠粒在水中呈分散的镕膠液，

17、但增加電解質(zhì)濃度或高價離子，則電性中和而相互凝聚，形成凝膠。腐殖質(zhì)在凝聚過程中可使土粒膠結(jié)在一起，形成結(jié)構(gòu)體。另外，腐殖質(zhì)是一種親水膠體，可以通過于燥冰凍脫水變性，形成凝膠。腐殖質(zhì)這種變性是不可逆的，所以能成水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)。第44頁，共63頁。6.吸水性：腐殖質(zhì)是一種親水膠體，有強大的吸水能力，單位質(zhì)量腐殖質(zhì)的持水量是硅酸鹽粘土礦物的45倍，最大吸水量可以超過500%。最大吸濕水量可達本身一倍以上。7.穩(wěn)定性 ：。腐殖質(zhì)不同于土壤中動植物殘體的有機組分，它的化學(xué)穩(wěn)定性強，對微生物分解的抵抗能力大，分解周轉(zhuǎn)的時間長，在溫帶條件下，一般植物殘體的半分解周期少于三個月，植物殘體新形成的土壤OM半分解

18、周期為49年，而胡敏酸的平均停留時間為7803000年，富里酸為200630年。年礦化率平均1% 3%之間第45頁，共63頁。四、我國主要土壤腐殖質(zhì)的特征黃土母質(zhì)在干旱條件下發(fā)育的土壤所含的腐殖酸以褐腐酸為主，且多與Ca2+結(jié)合。按C量計算，全部褐腐酸約占腐殖質(zhì)的38%-56%。淋溶黑土腐殖質(zhì)中，褐腐酸僅占30%左右，且有相當(dāng)數(shù)量與P2O5結(jié)合，紅壤中褐腐酸的含量僅6%-7%，且多呈游離態(tài)存在。HA/FA是土壤腐殖質(zhì)的組成和性質(zhì)的指標(biāo)之一，可作為土壤肥力與熟化程度的標(biāo)志 。HA/FA比的大小變化規(guī)律？南北變化、森林植被與草原植被、石灰性土壤、水田與旱地第46頁，共63頁。第四節(jié) 土壤有機質(zhì)的作

19、用和調(diào)節(jié) 一、土壤有機質(zhì)的作用（一）植物養(yǎng)分的重要來源; (二）提高士壤的蓄水保肥和緩沖能力; （三）改善土壤的物理性質(zhì); （四）促進微生物的生命活動; （五）促進植物的生長發(fā)育; 第47頁，共63頁。（一）植物養(yǎng)分的重要來源土壤有機質(zhì)含有大量而全面的植物養(yǎng)分，、和微量元素等，特別是氮素，土壤中的氮素95以上是有機態(tài)的，經(jīng)微生物分解后，轉(zhuǎn)化為植物可直接吸收利用的速效氮。有機質(zhì)分解釋放出各種大量或微量元素，各種元素的比例更符合植物的需要。第48頁，共63頁。（二）提高士壤的蓄水保肥和緩沖能力 腐殖質(zhì)本身疏松多孔,具有很強的蓄水能力。土壤中的粘粒吸水力一般為5060，而腐殖質(zhì)可高達400600?？?/p>

20、以大大提高土壤的保水能力； -腐殖質(zhì)的CEC是粘粒的2-3倍，可以明顯提高土壤吸附陽離子的能力第49頁，共63頁。提高土壤保水、保肥能力 -腐殖質(zhì)有極強的吸水能力，可以大大提高土壤的保水能力； -腐殖質(zhì)的CEC是粘粒的2-3倍，可以明顯提高土壤吸附陽離子的能力。 -通過基團上H+離子的解離或吸附，可以緩沖土壤酸堿性的變化。-有機質(zhì)分解產(chǎn)生有機酸，有機酸通過絡(luò)合作用和溶解作用而提高土壤養(yǎng)分的有效性。第50頁，共63頁。（三）改善土壤的物理性質(zhì)新鮮有機質(zhì)是土壤團聚體主要的膠結(jié)劑，在鈣離子的作用下，能夠形成穩(wěn)定性團聚體，腐殖質(zhì)顏色深，能吸收大量的太陽輻射熱，同時有機質(zhì)分解時也能釋放熱，所以有機質(zhì)在一

21、定條件下能提高土壤溫度。腐殖質(zhì)的粘結(jié)力大于砂粒，小于粘粒，因此可以改善砂土或粘土的粘結(jié)性及耕性。 -促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，從而改善通透性； -加深土色，提高土壤吸熱能力，增溫。第51頁，共63頁。（四）促進微生物的生命活動 土壤有機質(zhì)能為微生物生活提供能量和養(yǎng)分，同時又能調(diào)節(jié)土壤水、氣熱及酸堿狀況。 （五）促進植物的生長發(fā)育 胡敏酸具有芳香族的多元酚官能團，可以加強植物的呼吸過程，提高細(xì)胞膜的透性，促進養(yǎng)分進入植物體，還能促進新陳代謝，細(xì)胞分裂，加速根系和地上部分的生長。（六）其他方面的作用 腐殖質(zhì)中含維生素、抗生素和激素，可增強植物抗病免疫能力，胡敏酸還有助于消除土壤中農(nóng)藥殘毒及重金屬離子的污

22、染。另外，腐殖質(zhì)還有利于鹽、堿土的改良。 第52頁，共63頁。有機質(zhì)在生態(tài)環(huán)境上的作用1.有機質(zhì)對重金屬污染的影響：腐殖酸是重金屬離子的絡(luò)合劑。2.有機物質(zhì)對農(nóng)藥污染的影響3.土壤有機質(zhì)對全球碳平衡的影響第53頁，共63頁。第54頁，共63頁。二、 土壤有機質(zhì)的平衡及管理一、土壤有機質(zhì)的平衡 土壤有機質(zhì)的平衡取決于有機質(zhì)的添加量和有機質(zhì)的礦化分解消耗量。 第55頁，共63頁。激發(fā)作用*（ Priming effect)：由于加入新鮮有機物質(zhì)使土壤有機質(zhì)礦化速率加快（正激發(fā)）或變慢（負(fù)激發(fā)）的效應(yīng)稱之激發(fā)作用，也叫起爆效應(yīng)。激發(fā)效應(yīng)可以是正、也可以是負(fù)。激發(fā)比率：加入新鮮有機物質(zhì)后土壤有機物質(zhì)礦

23、化量與加入前的礦化量之比。激發(fā)比率 1，正激發(fā)，不僅沒有提高土壤有機含量，反而減少了；激發(fā)比率1,負(fù)激發(fā)，可以增腐殖質(zhì)含量激發(fā)比率受一系列因素影響問題：給土壤使入有機肥，就一定能提高土壤腐殖質(zhì)含量嗎？第56頁，共63頁。1、有機質(zhì)的年礦化量（Y） =表土有機質(zhì)總量*礦化率 有機質(zhì)的礦化率：每年因礦化作用而消耗的土壤有機質(zhì)占土壤有機質(zhì)總量的百分率。第57頁，共63頁。單位重量有機碳在土壤中分解一年后殘留碳的分?jǐn)?shù)，稱為腐殖化系數(shù)。 腐殖化系數(shù)：通常將每克有機物（干重）施入土壤后，所能分解轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)的克數(shù)（干重），稱之為腐殖化系數(shù)。通常為0.2-0.4之間，同一物質(zhì)的腐殖化系數(shù)，因不同的生物、氣候條件、