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1、第二节第二节 土壤有机质土壤有机质n n土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其重要的作用。这主要体现在两个方面：一方面它是重要的作用。这主要体现在两个方面：一方面它是重要的作用。这主要体现在两个方面：一方面它是重要的作用。这主要体现在两个方面：一方面它是
2、土壤土壤土壤土壤肥力的重要物质基础肥力的重要物质基础肥力的重要物质基础肥力的重要物质基础，而土壤肥力是土壤的本质属性；，而土壤肥力是土壤的本质属性；，而土壤肥力是土壤的本质属性；，而土壤肥力是土壤的本质属性；另一方面，它另一方面，它另一方面，它另一方面，它也是土壤形成的主要标志也是土壤形成的主要标志也是土壤形成的主要标志也是土壤形成的主要标志。深厚的含腐殖。深厚的含腐殖。深厚的含腐殖。深厚的含腐殖质结构层的出现是土壤形成的标志之一。质结构层的出现是土壤形成的标志之一。质结构层的出现是土壤形成的标志之一。质结构层的出现是土壤形成的标志之一。 级土壤地理学广义：土壤中的各种动植物残体、及微生物分解
3、和合成的化广义：土壤中的各种动植物残体、及微生物分解和合成的化合物。合物。狭义：有机残体经微生物作用形成的一类特殊、复杂、性质狭义：有机残体经微生物作用形成的一类特殊、复杂、性质比较稳定的高分子有机化合物，即土壤腐殖质。比较稳定的高分子有机化合物，即土壤腐殖质。一、土壤有机质一、土壤有机质(soil organic matter)概念概念级土壤地理学 1、植物残体、植物残体:包括各类植物的凋落物、死亡的植物体及根系。这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。是自然状态下土壤有机质的主要来源。2、动物、微生物残体：包括土壤动物和为土壤动物的残体，及各、动物、
4、微生物残体：包括土壤动物和为土壤动物的残体，及各种微生物的残体。种微生物的残体。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、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。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、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。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、土壤有机质的来源二、土壤有机质的来源级土壤地理学 土土壤壤有有机
5、机质质主主要要来来源源是是各各种种植植物物残残体体(redidue: dead plant part)，其其化化学学组组成成和和各各种种成成分分的的含含量量，因因植植物物种种类类、器器官官、年年龄龄等等的的不不同同而而有有很很大大差差异异，从从而而导导致致土土壤壤有有机机质质的差异。的差异。 Forest soil（森林土壤森林土壤)：枯枝落叶枯枝落叶(lither) Steppe soil（草原土壤草原土壤)：草、根系：草、根系(grass and root system) Cultivated soil（耕作土壤耕作土壤)：作物残茬：作物残茬(crop residue)、 施用的有施用的有
6、 机肥机肥 Forest soil（森林土壤（森林土壤)：酸性有机质酸性有机质(acid organic mater) Steppe soil（草原土壤（草原土壤)：中性有机质中性有机质(neutral organic mater)级土壤地理学动物动物大型动物大型动物微型动物：线虫、原生动物微型动物：线虫、原生动物植食动物植食动物肉食动物：鼹鼠、蜘蛛肉食动物：鼹鼠、蜘蛛啮齿类：鼠类啮齿类：鼠类节肢动物：弾尾虫、蜈蚣、蚂蚁、节肢动物：弾尾虫、蜈蚣、蚂蚁、甲虫等甲虫等环节动物：蚯蚓环节动物：蚯蚓微生物：藻类、真菌、放线菌、细菌微生物：藻类、真菌、放线菌、细菌土壤土壤生物生物级土壤地理学“sprin
7、gtail”springtails are microarthropods（小截肢动物） that live in the litter or in the pore space of the upper 10-15 cm of soil. They are saprophagous（食腐的） and feed mainly on fungi, bacteria and algae （藻类）growing on decomposing plant litter .扩展阅读级土壤地理学Granular casts on the soil surface of an African soil.级土
8、壤地理学An earthworm gallery in the Colombian savannah filled with casts and a root following the pathway opened by the earthworm. Root hairs are attached to the cast where higher availability of nutrients (C, N and P) exists compared with the surrounding soil.级土壤地理学讨论：土壤中生物作用?扩展阅读级土壤地理学Cycling nutrient
9、snPlants primarily need simple inorganic forms of each nutrient. Soil organisms create many of these plant-available nutrients and help store nutrients in the soil as organic compounds. nDecomposition is the breakdown of plant and animal residue into different organic and inorganic compounds. 级土壤地理学
10、Soil organisms play an important role in the formation of a good soil structure.nAs spring turns to summer and the soil heats up, fungi grow long hyphae that surround soil particles and hold them together in soil aggregates. Some bacteria produce sticky substances that also help bind soil together.
11、nArthropods（节肢动物） and earthworms consume soil, digest the bacteria, and excrete a clump of soil coated with secretions（分泌物） from the gut.nBeetles（甲虫） and earthwormsto aerate the soil and create nutrient-lined channels for roots and water to move through. 级土壤地理学nSix等综述了土壤团聚体与土壤生物和有机质之间的关系,土壤动物包括蚯蚓和白蚁
12、.nPulleman等认为蚯蚓的摄食活动及其排泄物影响团聚体的转化和土壤有机质的变化，可直接引起土壤微团聚体的形成，并可保护土壤有机质免受微生物的降解。级土壤地理学三.有机质组成非非特特异异性性有有机机质质植物组织土壤动物微微生生物物腐腐殖殖质质胡胡敏敏酸酸富富里里酸酸游离态游离态稳定盐类稳定盐类复杂凝胶体复杂凝胶体非水溶性络合物非水溶性络合物有机有机-无机复合体无机复合体碳水化合物碳水化合物木质素木质素蛋白质蛋白质腐殖质：占腐殖质：占85-90%色：深色：深 黄黄 级土壤地理学l lSugar, starchesSugar, starches/ /ststt t / / , , 糖类糖类糖类
13、糖类 淀粉等淀粉等淀粉等淀粉等l lCelluloseCelluloseseljselj ll z z , , Hemi-cellulose Hemi-cellulose ( (半半半半) )纤维素纤维素纤维素纤维素l lLignin Lignin l l gngn n n 木质素木质素木质素木质素 l l proteins and amino acidsproteins and amino acids 含含含含N N化合物化合物化合物化合物l l Resin Resin 树脂树脂树脂树脂 Tannin Tannin 单宁单宁单宁单宁 Wax Wax蜡质蜡质蜡质蜡质 Fat Fat 脂肪脂肪脂
14、肪脂肪l l Ash elementAsh element 灰分元素灰分元素灰分元素灰分元素l 土壤有机质的化学组成土壤有机质的化学组成级土壤地理学l 土壤腐殖质土壤腐殖质（humus） 除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。物质的总称。通常占土壤有机质的通常占土壤有机质的90%90%以上。以上。 q非腐殖物质非腐殖物质(Non-humic substances)(2030%)q腐殖物质腐殖物质(Humic substances)（6080%） 经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类
15、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。子有机化合物。n胡敏素胡敏素(Humin)n胡敏酸胡敏酸(Humic acid)n富啡酸富啡酸(Fulvic acid)级土壤地理学土壤有机质土壤有机质用碱提取过滤用碱提取过滤溶液溶液酸化后过滤酸化后过滤不溶性残余物不溶性残余物（胡敏素）（胡敏素）沉淀沉淀溶液溶液（富里酸）（富里酸）酒精溶提并过滤酒精溶提并过滤不溶性残余物不溶性残余物（胡敏酸）（胡敏酸）溶液溶液（吉马多美朗酸）（吉马多美朗酸）腐腐殖殖质质的的分分离离级土壤地理学四、土壤腐殖质的性质n构造复杂的高分子有机
16、化合物n元素成分：C、H、O、N、P、S、Ca等n黑色或棕色有机胶体，分子巨大n带有电荷、两性胶体n凝胶n吸水性级土壤地理学扩展阅读n腐殖质含有很多羧基、羟基、羰基、氨基等功能团的组分，其中以羧基和酚羟基最重要。在pH5.0时，有52%的Cu2+为强酸性羧基和酚羟基形成的结合物。n腐殖质是土壤中最重要的天然螯合剂，在土壤有机质中占有很高比例，并且相当稳定。大多数金属离子的螯合物和腐殖质结合的形态。所以，近十年来，腐殖质与金属离子的结合作用的研究日趋受到重视。级土壤地理学五、土壤有机质的转化五、土壤有机质的转化矿质化过程矿质化过程腐殖化过程腐殖化过程级土壤地理学1、矿化作用矿化作用(Minera
17、lization) 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。 1 1 1 1）、碳水化合物的分解）、碳水化合物的分解）、碳水化合物的分解）、碳水化合物的分解 首先水解为单糖：首先水解为单糖： (C (C6 6H H1010O O5 5) )n nnHnH2 2OnCOnC6 6H H1212O O6 6 氧化作用氧化作用 nCnC6 6H H1212O O6 66O6O2 26CO6CO2 26H6H2 20 0热量热量 发酵作用发酵作用C C6 6H H1212O O6 6 3CO 3CO2 2 3CH 3CH4 4 热量热量级土壤地理学2 2
18、 2 2）、含氮有机质的分解）、含氮有机质的分解）、含氮有机质的分解）、含氮有机质的分解 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、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。腐殖质等。 （1 1）水解作用水解作用水解作用水解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。蛋白质称水解作用。蛋白质 氨基酸氨基酸 （2 2）氨化作用氨化作用氨化作用氨化作用 分解含氮有机物产生氨的生物学过程称氨化作用。分解含氮有机物产生氨的生物学过程称氨化作用。CHCH2 2NHNH2 2C
19、OOHCOOHO O2 2 HCOOH HCOOHCOCO2 2NHNH3 3CHCH2 2NHNH2 2COOHCOOHH H2 2 CH CH3 3COOHCOOHNHNH3 3CHCH2 2NHNH2 2COOHCOOHH H2 2O O CH CH2 2(OH)COOH(OH)COOHNHNH3 3（3 3）硝化作用硝化作用硝化作用硝化作用 2NH2NH3 33O2 2HNO3O2 2HNO2 22H2H2 2O O热量热量2HNO2HNO2 2O2 2HNOO2 2HNO3 3热量热量 蛋白质蛋白质 水解酶水解酶 氧化氧化好气分解好气分解 还原还原嫌气分解嫌气分解水解水解 级土壤地理
20、学 (4(4）反硝化作用）反硝化作用3 3）、含磷有机物的分解）、含磷有机物的分解）、含磷有机物的分解）、含磷有机物的分解 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：细菌的作用下进行分解： 反硝化细菌反硝化细菌24KHCO24KHCO3 36CO6CO2 212N12N2 218H18H2 2O OC C6 6H H1212O O6 624KNO24KNO3 3磷细菌 水解 KNaCa2核蛋白质核蛋白质 磷酸磷酸 磷酸盐磷酸盐级土壤地理学4 4 4 4）、含硫有机物的分解含硫有机物的分解
21、含硫有机物的分解含硫有机物的分解 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：作用。其反应如下： 2H2H2 2S SO O2 2 2H 2H2 2O O2S2S2S2S3O3O2 22H2H2 2O 2HO 2H2 2SOSO4 4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。酸盐是植物可吸收的养分。级土壤地理学2. 腐殖化过程腐殖化过程:(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
22、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腐殖化过程。级土壤地理学有有机机质质转转化化有机质种类有机质种类C/N高灰分高灰分通气状况通气状况水热状况水热状况pH 六、影响有机质转化的因素六、影响有机质转化的因素有机质本身的物质组成级土壤地理学1、生物残体的C/N对土壤有机质的转化和保持的影响 有机物本身的成分是影响其分解的重要因素之一。有机物含碳素有机物本身的成分是影响其分解的重要因素之一。有机物含碳素总量和氮素总量的比例，叫做总量和氮素总量的比例，叫做C/N。一般来说，微生物生长或者增。一般来说，微生物生长或者增加体细胞时每分解加体细胞时每分解25或或30份
23、碳素需要同化份碳素需要同化1份的氮素，因此，生物份的氮素，因此，生物残体的残体的C/N在在25：1或或30：1时，最有利于其分解。时，最有利于其分解。 C/N降至大约降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中以下，微生物不再利用土壤中 的有效氮，相反的有效氮，相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮。由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮。级土壤地理学1）High ratio ( 30) - material low in N so microbes lack N and decomposition is slow. If any soil N is present in the soil, m
24、icrobes will compete with plants for it. Have to apply additional N to hasten decomposition of high C/N material and prevent N deficiency on crop. 2）Intermediate ratio (15 to 30) - balanced N content. Meets microbes needs and does not cause N deficiency. 3）Low ratio ( 15) - contains excess N. N will
25、 be released into the soil with decomposition. C/N ratio扩展阅读级土壤地理学王常慧等研究发现当有机质的C/N大于30:1时，有机质在矿化作用的最初阶段不可能对植物产生供氮效果，反而有可能使植物缺氮现象更为严重，当有机质的C/N小于15:1时，在其矿化作用一开始，它所提供的有效氮量就会超过微生物同化量，使植物有可能从有机质矿化过程中获得有机氮的供应。级土壤地理学级土壤地理学级土壤地理学级土壤地理学2、土壤的通气状况、土壤的通气状况 土壤的通气状况影响着有机质转化的速度和方向。土壤的通气状况影响着有机质转化的速度和方向。 只有当有机质在一定的
26、通气状况下，既有利于矿质化，只有当有机质在一定的通气状况下，既有利于矿质化， 又利于腐殖质的累积时，才能保证养分连续不断地供应。又利于腐殖质的累积时，才能保证养分连续不断地供应。 3、土壤的水、热状况、土壤的水、热状况 试验证明，土壤温度为试验证明，土壤温度为30度，土壤湿度保持在田间持水量的度，土壤湿度保持在田间持水量的60-80%时，有时，有机质的分解强度最大。机质的分解强度最大。 4、土壤的酸碱反应、土壤的酸碱反应 酸碱反应影响微生物活动，从而也影响有机质的酸碱反应影响微生物活动，从而也影响有机质的 转化。转化。级土壤地理学七、土壤有机质在土壤肥力中的作用七、土壤有机质在土壤肥力中的作用
27、n1、 土壤有机质是植物养料的重要来源土壤有机质是植物养料的重要来源 n土壤有机质含有丰富的植物所需要营养元素，如碳、土壤有机质含有丰富的植物所需要营养元素，如碳、氢、氧、磷、硫、钾、钙等，还含有多种微量元素，氢、氧、磷、硫、钾、钙等，还含有多种微量元素，通过不断分解供植物吸收利用。通过不断分解供植物吸收利用。 n例如，植物生活所需的例如，植物生活所需的CO2，有，有7095%是有机质分是有机质分解供给的。解供给的。 级土壤地理学n同时植物养分以腐殖质形态存在的，由于腐殖质比较稳定，分解同时植物养分以腐殖质形态存在的，由于腐殖质比较稳定，分解缓慢，具有持续供应植物养分的特点。缓慢，具有持续供应
28、植物养分的特点。 n 有机质在分解过程中产生的有机酸、无机酸可将难溶的矿质养料有机质在分解过程中产生的有机酸、无机酸可将难溶的矿质养料转化为可溶性养料，以增加土壤中有效养分的含量。转化为可溶性养料，以增加土壤中有效养分的含量。 级土壤地理学n2、土壤有机质能提高土壤的蓄水、保肥和缓冲能力土壤有机质能提高土壤的蓄水、保肥和缓冲能力 n腐殖质本身疏松多孔，具有很强的蓄水保水能力。腐殖质本身疏松多孔，具有很强的蓄水保水能力。 n腐殖质的羧基、酚羟基等使有机胶体带负电荷，具有较强的代换腐殖质的羧基、酚羟基等使有机胶体带负电荷，具有较强的代换性能，比矿物质代换量要高十到几十倍，可以大量吸收保存植物性能，
29、比矿物质代换量要高十到几十倍，可以大量吸收保存植物养分，以免淋溶损失。养分，以免淋溶损失。 级土壤地理学n土壤有机酸（如草酸、乳酸等）、氨基酸等都是络合剂，能和钙、土壤有机酸（如草酸、乳酸等）、氨基酸等都是络合剂，能和钙、镁、铁、铝等形成稳定性的络合物，能提高无机磷酸盐矿物的溶镁、铁、铝等形成稳定性的络合物，能提高无机磷酸盐矿物的溶解性。解性。 土壤有机胶体是一种具有多价酸根的有机弱酸，其盐类具土壤有机胶体是一种具有多价酸根的有机弱酸，其盐类具有两性胶体的作用，有很强的缓冲酸碱化的能力，利于植物的生有两性胶体的作用，有很强的缓冲酸碱化的能力，利于植物的生长发育。长发育。 级土壤地理学n3、土壤
30、有机质能改善土壤的物理性质、土壤有机质能改善土壤的物理性质n土壤有机质几乎对所有的土壤物理性质都有良好的影响，腐殖质是很好土壤有机质几乎对所有的土壤物理性质都有良好的影响，腐殖质是很好的胶结剂，在钙离子的作用下能使土粒形成良好的团粒结构；的胶结剂，在钙离子的作用下能使土粒形成良好的团粒结构； n腐殖质色暗，可加深土壤颜色，增强土壤的吸热能力，同时其导热性小，腐殖质色暗，可加深土壤颜色，增强土壤的吸热能力，同时其导热性小，有利于保温，同时，有机质在分解时也能放热，所以在一定条件下，能有利于保温，同时，有机质在分解时也能放热，所以在一定条件下，能提高土壤的温度，缓和土温的变化；提高土壤的温度，缓和
31、土温的变化； n腐殖质的粘结力和粘着力比粘土小，比砂土大，增加腐殖质的含量，能腐殖质的粘结力和粘着力比粘土小，比砂土大，增加腐殖质的含量，能改善粘土的紧实，通气不良和耕性状况，也能改善砂土过于松散的现象改善粘土的紧实，通气不良和耕性状况，也能改善砂土过于松散的现象级土壤地理学n4、土壤有机质能促进土壤微生物的活动、土壤有机质能促进土壤微生物的活动 n土壤有机质能提供微生物活动所需的能量和养土壤有机质能提供微生物活动所需的能量和养料，同时又能调节土壤水、气、热和酸碱状况，料，同时又能调节土壤水、气、热和酸碱状况，改善土壤微生物的生活条件，有利于微生物的改善土壤微生物的生活条件，有利于微生物的活动
32、。活动。 一般说来，土壤微生物的数量和活动一般说来，土壤微生物的数量和活动强度，常与土壤有机质的含量成正相关。强度，常与土壤有机质的含量成正相关。 级土壤地理学n5、土壤有机质是植物生长激素、土壤有机质是植物生长激素 n土壤有机质中含有许多对植物生长发育起激素作用的物质，维生土壤有机质中含有许多对植物生长发育起激素作用的物质，维生素素B1、B2、激长素等类型化合物。这些激素的作用在于提高植物、激长素等类型化合物。这些激素的作用在于提高植物氧化、还原酶的活性，促进吸收养分的能力、加强呼吸作用。氧化、还原酶的活性，促进吸收养分的能力、加强呼吸作用。 级土壤地理学级土壤地理学土壤碳的循环转化The
33、Carbon Cycle1. autotrophs (自养生物自养生物) fix carbon dioxide from the atmosphere during photosynthesis2. carbon dioxide is released back into the atmosphere by respiration3. the carbon cycle is very fast4. Other carbon cycles are slowa. carbon is diverted into wood or other durable organic materialb. can
34、 also be locked up in coal and oil deposits5. The oceans may act as a buffer that do not allow the carbon dioxide amount in the atmosphere to vary widely扩展阅读级土壤地理学级土壤地理学碳循环级土壤地理学土壤碳循环级土壤地理学碳循环的调节n自然恢复n将一年生作物转为牧草或速生林n种植深根作物，增加根茬归还n通过施肥灌溉，增加作物生长量n改变耕作措施，实行少免耕，减少CO2释放级土壤地理学氮素循环干湿沉降NO3雷电作用，火山活动固氮微生物，固定大气中的氮施肥矿化过程有机态氮有机态氮无机态氮无机态氮同化过程失散氨的挥发反硝化排泄物堆积粪肥通过降雨返回土壤向水圈失散水体富营养化级土壤地理学磷进入水体富营养化藻类和蜉蝣生物繁殖溶解氧量下降水质恶化鱼类死亡水体富营养化母质及土壤中磷酸盐风化土壤中迁移转化淋溶流失进入水圈沉积成磷酸盐级土壤地理学
