第二章土壤有机质

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1、第二章土壤有机质 教学目标 土壤有机质概述 2 土壤有机质的转化 3 土壤腐殖质的形成 4 土壤有机质对土壤肥力的影响 5 提高土壤有机质的原则和途径 第一节土壤有机质的来源 含量及其组成 第二节土壤有机质的分解和转化 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 第四节土壤有机质的作用及管理 概念 土壤有机质 soilorganicmatter SOM 土壤有机质是土壤中的各种动植物残体 在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物 第一节土壤有机质的来源 含量及其组成 土壤有机质 soilorganicmatter 0 5 7 0 5 2 0 5 土壤有机质的含量我国耕地土壤表层有机质的平均含量为2

2、0 华北地区土壤大多在1 0 左右 西北地区 1 0 南方水田土壤为1 5 3 5 东北的黑土可高达8 10 一 含量及组成 1 有机质含量一般含量在0 5 5 之间 泥炭土可高达20 或30 以上漠境土和砂质土壤不足0 5 2 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 碳占52 58 氧占34 39 氢占3 3 4 8 氮占3 7 4 1 其次是硫磷 C N比大约在10 12之间 2 有机质的组成 2 化合物组成可分为 腐殖物质 HumicSubstance 60 80 非腐殖物质 Non HumicSubstance 20 30 常见的化合物有纤维素 半纤

3、维素 蛋白质 木质素及脂类 2 有机质的组成 3 存在形态 新鲜的动 植物残体半分解的动 植物残体腐殖物质 土壤中的有机物质 土壤有机质 影响土壤有机质含量的因素 影响因子分析 六大成土因子土壤有机质形成的过程即土壤形成过程 六大成土因子 地形 母质 植被 气候 生产措施和时间源 流分析 投入 产出分析 土壤有机质的来源土壤有机质的分解和转化 二 土壤有机质的来源 微生物动物来源植物来源工农业副产品 农业土壤中 土壤有机质的来源 主要有 作物的根茬 还田的秸杆和翻压绿肥 人畜奋尿 工农副产品的下脚料 城市生活垃圾 污水 土壤微生物 动物的遗体及其分泌物 人为使用各种有机肥料 有机物质的转化可分

4、为矿质化和腐殖化两个过程 矿质化是复杂的有机物质分解为简单无机化合物 CO2和H2O 的过程 并释放出矿质养分和热量 腐殖化是分解中间产物后又合成更复杂 稳定 胶状的高分子聚合物的过程 它使有机质和养分得以保存起来 土壤有机质分解与合成示意图 第二节土壤有机质的分解和转化 一 矿化过程与腐殖化过程1 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 腐殖化过程 Humification 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

5、 图4 1有机质的分解与合成示意图 激发作用 Primingeffect 土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解 这种矿化作用称之激发作用 激发效应可以是正 也可以是负 在好氧条件下 微生物活动旺盛 分解作用可进行较快而彻底 有机物质 CO2和H2O 而N P S等则以矿质盐类释放出来 在嫌气条件下 好氧微生物的活动受到抑制 分解作用进行得既慢又不彻底 同时往往还产生有机酸 乙醇等中间产物 在极端嫌气的情况下 还产生CH4 H2等还原物质 其中的养料和能量释放很少 对植物生长不利 注意 土壤有机质的转化 不含氮的碳水化合物的转化碳水化合物中 简单的糖类容易分解 而多糖则较难分解 纤维

6、素 半纤维素 脂肪 蜡质分解缓慢 最难分解的是木质素 在其专性细菌作用下 也能缓慢分解 含氮有机物质的转化氨化作用有机态氮的氨化包括蛋白质物质水解转化为简单的氨基酸和氨基酸脱氨基过程 硝化作用土壤中的氨在亚硝酸细菌的作用下氧化成亚硝酸 再经硝化细菌作用氧化成硝酸 反硝化作用土壤中的氮在反硝化细菌作用下 还原成N2进入大气 造成氮素损失 一 土壤生物的组成与活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 二 影响有机物质的分解和转化的因素 二 土壤特性1 质地粘粒含量越高 有机质含量也越高 2 pH值中性 钙质丰富较好 pH6 5 7 5 3 水分最

7、适湿度 土壤持水量的50 80 低洼 积水有利于有机质的积累4 通气性通气不良易有机质累积5 温度最适宜温度大约为25 35 土壤的水 气 热条件通气良好 氧气充足 温度适宜 田间持水量60 80 微生物活动旺盛 有利于有机质矿化作用 植物残体的特性禾本科 C N80 100 1 难转化 豆科类作物易转化 在细菌的生命过程中 分解有机质时满足其合适的C N比值一般为25 1 25 1时 有充足的氮素 分解速率较快 也能提供农作物所需氮素 反之 氮素不足 与作物争氮的局面 因此 实践中50公斤禾本科秸秆还田时需补充1公斤尿素 土壤pH值中性 6 5 7 5 有机物质组成的碳氮比 C N 对其分解

8、速度影响很大 以25或30 1较为合适 C N降至大约25 1以下 微生物不再利用土壤中的有效氮 相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮 2 C N比 动画演示 新鲜程度破碎程度紧实程度 三 植物残体的特性 1 物理状态 土壤腐殖质形成的两个阶段 第一个阶段是植物残体分解产生简单的有机碳化合物 第二阶段是通过微生物对这些有机化合物的代谢作用和反复的循环利用 合成的多元酚和醌 或来自植物的类木质素 聚合形成高分子的多聚化合物 即腐殖质 第三节土壤腐殖物质的形成和性质 一 土壤腐殖物质的形成 土壤腐殖质形成的四种途径 腐殖质是由木质素衍生而成的 微生物对木质素进行不完全分解 其残余物构成了腐殖质

9、的一部分 木质素分解生成酚醛和酸 在微生物酶的作用下转化为醌 醌与氨基化合物聚合 形成类腐植酸的大分子物质 认为多元酚是由微生物从木质素碳源 如纤维素 合成的 多元酚再经酶的作用氧化为醌 并转化为腐植酸类物质 微生物的代谢产生糖和氨基酸 再经非酶性的聚合作用形成棕色的含氮聚合物 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 选定一年为期限的原因 是因为进入土壤中的有机物质在第1 3个月分解速率最快 以后逐渐变慢 一年以后趋于稳定 土壤有机质的腐殖化系数一般在0 2 0 5之间 旱地土壤较低 多为0 2 0 25 水田较高 为0 25 0 4 腐殖质的组成 土壤有机无机复合体示意

10、图 二 土壤腐殖质的性质 一 物理性质1 颜色与光学性质黑褐色 富里酸呈淡黄色 胡敏酸呈褐色 腐殖质不分组时 整体溶液呈黑色 胡敏酸色深 呈棕褐色 富里酸色浅 呈淡黄色 多数腐植酸都有荧光效应 不同组分荧光效应不同 2 溶解性富里酸溶于水 酸 碱 胡敏酸不溶于水和酸 但溶于碱 富里酸的一价 二价盐溶于水 三价盐几乎不溶于水 胡敏酸的一价盐溶于水 但二价 三价盐几乎不溶于水 3 吸水性最大吸水量可以超过500 腐植酸是强吸水胶体 弱酸 溶于碱性溶液 酸性溶液中溶解度低 4 腐殖质的分子结构 1 腐殖酸的分子量有较大的差异 分子量大小与单体分子的缩合度有关腐植酸结构松散 含有大量的微细孔隙 2 腐

11、殖酸的分子形状pH2 3纤维 纤维束状4 7网状 海绵状8 9页状 10粒状5 胶体特性土壤有机胶体的主要组成部分 二 腐殖酸的化学性质 我国主要土壤腐殖酸的元素组成 习惯上以58 为其平均值 故计算有机质的含量时 一般以1 724为折算系数 1 多元素组成化合物主要有C N O H S等 还有P K Ca Mg等灰分元素 腐殖酸主要由酚醌化合物 含氮化合物组成 富里酸的碳 氮含量比胡敏酸低 氧比胡敏酸高 2 含有多种官能团 羧基 酚羟基 羰基 醌基 醇羟基 甲氧基等 腐殖质的含氧官能团含量 mmolM kg 1 在腐殖酸的官能团中最重要的是含氧官能团 胡敏酸所含酚羟基数量较富里酸多 而富里酸

12、的羟基含量比胡敏酸多 羧基和酚羧基都可解离出H 是酸度的主要来源 羟基和酚羟基的总量称腐植酸总酸度 一般富里酸的总酸度比胡敏酸要大 3 腐殖酸具有络合性 络合物的稳定性随pH值的升高而增大 在pH4 8时能与Fe Al Ca等离子形成可溶性络合物 但在中性或碱性条件下会产生沉淀 所有腐殖物质都含有甲氧基和羟基腐殖酸的稳定 4 腐殖酸具有电性 腐殖酸是一种两性胶体 即可以带负电荷 也可以带正电荷 而通常以带负电荷为主 腐殖质的负电荷数量随pH质的升高而升高 5 腐殖质具有稳定性与变异性 1 稳定性在温带条件下 一般植物残体的半分解周期少于3个月 植物残体形成的新的有机质的半分解期为4 7 9年

13、而胡敏酸的平均停留时间为780 3000年 富里酸的平均停留为200 630年 腐植酸的化学稳定性高 抗微生物分解的能力较强 因此分解速率非常缓慢 一般腐植酸的年矿化速率平均在1 一2 但新旧程度不同的腐植酸分解的速度有很大的差异 课堂测试1 土壤有机质是化学中已有的有机化合物 2 土壤有机质的转化是受微生物控制的一系列生化反应 3 C N高会抑制有机质的分解 4 HA的酸性比FA强 分子量比FA高 稳定性比F 高 5 一般南方土壤有机质的 而北方大与 6 一般随着土壤熟化度的提高 也提高 7 土壤施用的有机肥越多 土壤有机质含量提高的也越高 8 有机质的转化是先矿化后腐殖化 两个过程是矛盾对

14、立的 9 土壤微生物主要分解碳水化合物 不分解腐殖质 10 土壤有机质在土壤中是完全独立存在的 氮素营养 土壤有机质中的氮素占全氮的90 98 磷素营养 土壤有机质中的磷素占全磷的20 50 其他营养 K Na Ca Mg S Fe Si等营养元素 第四节土壤有机质的作用及管理 一 土壤有机质的作用 一 在土壤肥力上的作用1 提供植物需要的养分碳素营养 碳素循环是地球生态平衡的基础 土壤每年释放的CO2达1 35 1011吨 相当于陆地植物的需要量 2 改善土壤肥力特性物理方面 促进团粒结构形成 改善土壤物理性状 促进良好结构体形成 降低土壤粘性 改善土壤耕性 降低土壤砂性 提高保蓄性 促进土

15、壤升温 化学方面 影响土壤的表面性质 影响土壤的电荷性质 增强土壤保肥性 影响土壤的络合性质 增强土壤缓冲性生物方面 影响根系的生长 影响植物的抗旱性 影响植物的物质合成与运输 抗病作用 二 有机质在生态环境上的作用1 有机质对重金属污染的影响腐殖酸是重金属离子的络合剂 以Cr3 为例 吸附和络合重金属离子 降低其生物有效性 2 有机物质对农药污染的影响减少土壤中农药的残留量和毒害 一定浓度下 能促进微生物和植物的生理活性 三 有机质在其它方面的作用 二 土壤有机质的管理 土壤有机质 碳 的动态平衡 土壤有机质含量并非可以无限提高 在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值 1 提高土壤有机质含量时

16、的原则恢复和提高土壤有机质的迫切性 化肥比重大提高土壤有机质的原则 坚持两个原则生态平衡原则在各种条件和环境状态相对稳定时 土壤有机质的矿质化和腐殖质化处于相对平衡状态 故土壤有机质的含量一般较稳定 因为土壤有机质含量是有机物质合成与分解的生物活动和环境条件长期相互作用的结果 经济原则在一定条件下 随加入有机物的增多 土壤微生物的数量也大量增加 分解的有机物质相应也越多 这样加入的有机物质大量被分解 从效益上看是不经济的 所以 并不是有机肥越多越好 主要的有机肥源包括 绿肥 粪肥 厩肥 堆肥 沤肥 饼肥 蚕沙 鱼肥 河泥 塘泥 青草 幼嫩枝叶 有机 无机肥料配合施用 2 施用有机肥 2 提高有机质含量的措施 1 合理耕作制度 退化或熟化 合理的耕作制度可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平 免耕技术 合理轮作 间作套作等 4 秸秆还田直接还田 堆腐还田 过腹还田 废渣还田 如食用菌废渣 要注意秸秆的C N比 破碎度 埋压深度以及土壤墒情 播种期远近 化肥施用量等 休闲绿肥 套作绿肥养用结合 因地制宜 充分用地 积极养地 养用结合 3 种植绿肥绿肥 把还在生长的豆科绿色植物体翻入土壤