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1、环境土壤学第一章第一章土壤的组成、形成和分类土壤的组成、形成和分类土壤的组成 土壤是由固相、液相和气相三相物质组成 的疏松层固相物质的体积约占50%，其中包括38%的矿物 质和12的有机质。液相物质的体积约占1535%，其中 主要是土壤水和溶与水中的物质，气相物质的体积约占 1535%，其个包括氧、 二氧化碳、氮及其它气体。土壤 液相与气相共同存在了固相物质之间， 形成一个整体。 土壤包括土壤矿物质、有机质、土壤空气 和土壤水分 土壤有机质的概念 土壤有机质的构成和来源 土壤有机物的组成 土壤有机质的分解和转化 土壤有机质的腐殖化作用 影响土壤有机质的分解和转化的因素 土壤有机质在生态环境中的
2、作用 土壤有机质的管理与调节土壤有机质土壤有机质：指存在于土壤中的所有含碳的有机物质 ，它包括土壤中各种动、植物残体、微生物及其分解 和合成的各种有机物质。 F广义的土壤有机质指一定含水量的原状土，未经风干 磨碎，在一定压力下通过一定筛孔后（2厘米）测定土 壤有机质含量 F狭义的土壤有机质（腐殖质）指土壤经人为或机械挑 出异源有机物质、生命体形式和非生命体形式中未腐 烂或半腐烂的动植物残体后，风干磨碎，通过一定的 筛孔（2mm），测定的土壤有机物质总量。一般将其分 为非腐殖物质和腐殖物质，腐殖物质又分为胡敏酸（ HA）、富里酸（FA）和胡敏素（Hu）1 土壤有机质概念统计的标本数统计的标本数
3、有机质含量（有机质含量（ ） 土土 类类 32 32 2.07 2.077.05 7.05 黄棕壤、黄褐土黄棕壤、黄褐土 10 10 1.381.386.66 6.66 高山草原土、亚高山草原土高山草原土、亚高山草原土 26 26 4 814 8121.96 21.96 高山草甸土、亚高山草甸土高山草甸土、亚高山草甸土 24 24 2.322.322.98 2.98 砖红壤、赤红壤砖红壤、赤红壤 29 29 2.142.1416.4 16.4 黑土、黑钙土黑土、黑钙土 47 47 0.520.521.95 1.95 红红 壤壤 32 32 2.712.7120.5 20.5 黄黄 壤壤 22
4、22 1.031.0310.69 10.69 褐褐 土土 74 74 2.642.6419.3 19.3 棕色森林土棕色森林土 中国某些自然土壤中有机质含量土壤有机质含量新鲜的有机物质：指那些刚进入土壤，仍保持原来生物体解剖学特征的那些动、植物残体，基本上未受到微生物的分解半腐解的有机物质：指多少受到微生物分解的动植物残休己失去解剖学特征，多为暗褐色碎屑或小块腐殖质：经过微生物改造而成的有机物，是一类特殊的有机化合物，通常已与矿质土粒牢固结合，性质比较稳定2 土壤有机质构成基础土壤学, 熊顺贵, 中国农业科技出版社 ,1996 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
5、下土壤有机质的主要来源。 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。 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。 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。土壤有机质来源 碳水化合物：碳水化合物主要有淀粉、纤维素、半纤维素等多糖类物质 含氮化合物：动、植物残体中主要的含氮化合物是蛋白质，少量比较简单的可溶性氨基酸。植物残体中的叶绿素等 其它 （包括树
6、脂、脂肪、蜡质、木质素、灰分等）3 土壤有机质组成 碳水化合物构成了土壤有机质的5-25%，土壤碳水化合物主要源于植物残体、少量源于微生物和动物残骸 土壤碳水化合物的种类主要有单糖、二糖、低聚糖、多糖、氨基糖、糖醇、糖酸、甲基化糖 土壤碳水化合物的作用：为微生物提供碳源和能源，影响土壤的生物学和生物化学性质碳水化合物土壤表层中90%的氮素为有机态，1米深土层中的有机氮为100-3000g/m2（N）。土壤有机氮包括结合态氨基酸、游离氨基酸、氨基糖和未知态有机氮。土壤中可识别的含氮化合物是氨基酸、氨基糖和核苷类物质含氮物质 简单有机化合物的分解和转化 植物残体的分解和转化 土壤腐殖物质的分解和转
7、化 影响土壤有机质分解和转化的因素4 土壤有机质的分解和转化动植物残体在土壤中有两种去向；一方面是被微生物 分解成筒单的有机化合物，井且有一部分被彻底分解 成为简单矿物质和CO2、NO2、N2、NH3、CH4、H2O等， 这个过程称矿质化过程；另一方面是分解的中间产物 再经过微生物作用，合成高分子有机化合物腐殖 质，这个过程称为腐殖质化过程、这两个过程是相互 对立又相互紧密联系的，为士壤形成过程中最重要的 过程。摘自 南京大学，土壤学基础与土壤地理学单糖在好气条件下，有好气性微生物分解，最终产物为水和在好气条件下，有好气性微生物分解，最终产物为水和二氧化碳，放出的热量多，称氧化作用。其反应如下
8、：二氧化碳，放出的热量多，称氧化作用。其反应如下：C C6 6H H1212O O6 66O6O2 2 6CO6CO2 26H6H2 20 0热量热量 如果在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作用下缓慢分如果在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作用下缓慢分 解，并形成一些还原性气体、有机酸，产生的热量少，称发解，并形成一些还原性气体、有机酸，产生的热量少，称发 酵作用。其反应为：酵作用。其反应为：C C6 6H H1212O O6 6 有机酸有机酸+ +甲烷甲烷+ +氢气氢气+ +热量热量碳水化合物的分解南京大学等，1980，土壤学基础与土壤地理学细菌氧化单糖类物质的主要途径 土壤有机质中的多
9、糖如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解为单糖 ：(C6H10O5)nnH2OnC6H12O6 单糖重复单糖的有氧和无氧分解步骤多糖的分解 含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态，包括蛋白质、氨基酸、腐殖质等 蛋白质在土壤中的转化作用主要有氨化作用、硝化作用和反硝化作用 蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸 的作用称水解作用。 蛋白质 氨基酸 氨化作用：氨基酸经过微生物的作用，放出氨的过程。含氮有机质的分解几种氨化作用氨态氮被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。这一作用可分为两个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；
10、第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。其反应如下：2NH33O2 2HNO22H2O热量2HNO2O2 2HNO3热量 硝化作用细菌在无氧或微氧条件下以NO3或NO2作为呼吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过程，称反硝化作用。其反应如下：反硝化细菌C6H12O624KNO324KHCO36CO212N218H2O反硝化作用土壤、生物和大气之间的N素循环南京大学等，1980，土壤学基础与土壤地理学土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸 、核素等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解 ： 磷细菌水解KNaCa2核蛋白质 磷酸 磷酸盐含磷有机物的分解产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，
11、但在酸性 或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性 的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸又被 还原为磷化氢，其反应如下：H H3 3POPO4 4 H H3 3POPO3 3 H H3 3POPO2 2 PHPH3 3 土壤磷化物的转化 植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物 的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都 能分解有机硫化物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质 硫氨基酸 H2S 还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化 作用。其反应如下：2H2SO2 2H2O2S2S3O22H2O 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作
12、用，形成硫酸盐 ，硫酸盐是植物可吸收的养分含硫有机物的分解自然界中S的转化土壤腐殖质的形成：是一个复杂的过程，大致可分为 两个阶段 第一阶段：有机残体在微生物分解作用下，其中一部分 彻底矿化，最终生成CO2、H2O、NH3、H2S等无机化合物。另 一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合 物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖质的材料 第二阶段，合成阶段：上述土壤腐殖质的组成部分，在 微生物的作用下经缩合形成腐殖质的基本单元。先是多元 酚在微生物的作用下氧化为醌，然后醌再与含氮化合物缩 合成原始腐殖质5 土壤有机质的腐殖化作用基础土壤学基础土壤学腐殖质的形成过程基础土壤学土壤腐殖质由腐殖
13、物质和非腐殖物质组成，通常占土壤有土壤腐殖质由腐殖物质和非腐殖物质组成，通常占土壤有机质的机质的90%90%以上。以上。非腐殖物质非腐殖物质为有特定物理化学性质、结构已知的有机化合物，为有特定物理化学性质、结构已知的有机化合物，其中一些是经过微生物改变的植物有机化合物，而另一些则是其中一些是经过微生物改变的植物有机化合物，而另一些则是微生物合成的有机化合物。主要有包括碳水化合物、含氮物质微生物合成的有机化合物。主要有包括碳水化合物、含氮物质等。非腐殖物质约占土壤腐殖质的等。非腐殖物质约占土壤腐殖质的20%-30%20%-30%，其中碳水化合物，其中碳水化合物占占5-25%5-25%。腐殖物质腐
14、殖物质是经过土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合是经过土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难子有机化合物。是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，一般占有机质的降解的组分，一般占有机质的60-80%60-80%。腐殖质的种类土壤有机质分组黄昌勇 土壤学 基础土壤学-熊 顺贵 土壤胡敏酸、富里酸是土壤腐殖物质的最重要组分，胡敏 素是被粘粒固定，一般条件下不能被碱提取的胡敏酸或富 里酸 李学垣 土壤化学土壤有机质分组 温
15、度：一般在035摄氏度，温度每升高10 摄氏度，土壤有机质的最大分解速率提高2 -3倍。 土壤水分和通气状况：最适水势在-0.03- 0.1MPa之间；干湿交替作用 好气嫌气细菌 的作用 植物残体的特性：新鲜的易分解；C/N 土壤特征：粘粒含量（正相关）；pH6 影响土壤有机质分解和转化的因素植物组织与土壤有机质的组分比较一些有机质的C、N含量及C/N适宜土壤微生物活动的pH值 有机质与重金属离子的作用：各种功能基对 金属离子的亲和力：-NH2 （胺基）-N=N（偶 氮化合物）N(环氮）COO-（羧基）-O-（ 醚基）-C=O（羰基） 有机质对农药等有机污染物的固定作用：土 壤有机质对农药的固定与腐殖物质功能基的 数量、类型和空间排列密切相关，也与农药 本身的性质有关。 土壤有机质对全球C平衡的影响：据估计：全 球土壤有机质的总C量在14*101715*1017g，大 约是陆地生物总C量的2.53倍。7 有机质在生态环境上的作用共同性质共同性质：胡敏酸和富里酸同属于
