土壤碳庫的形成與轉(zhuǎn)化課件

第五講土壤碳庫的形成與轉(zhuǎn)化第一部分土壤有機(jī)質(zhì)的來源、含量及其組成第二部分土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)的生成與分解累積第三部分影響土壤庫中有機(jī)質(zhì)分解與累積的因素第四部分有機(jī)質(zhì)對土壤庫的影響第五部分土壤腐殖物質(zhì)的形成和性質(zhì)第六部分土壤有機(jī)質(zhì)的作用及管理1我國土壤有機(jī)質(zhì)分布圖0.5%7%0.5-2.0%5%2第一部分土壤有機(jī)質(zhì)的來源、含量及其組成土壤有機(jī)質(zhì)：是指土壤中形成的和外部加入的所有動(dòng)、植物殘?bào)w不同分解階段的各種產(chǎn)物和合成產(chǎn)物的總稱。包括：1、土壤中各種動(dòng)/植物殘?bào)w2、微生物體3、土壤生物分解/合成的各種有機(jī)物質(zhì)32、有機(jī)質(zhì)的組成(1)化學(xué)元素組成土壤有機(jī)質(zhì)的基本元素組成是C、H、O、N。其中，C/N比大約在10~12之間。二、含量及組成1、有機(jī)質(zhì)含量

一般含量在0-5%之間。泥炭土可高達(dá)20%或30%以上漠境土和砂質(zhì)土壤不足0.5%5(2)物質(zhì)組成：(i)微生物體，動(dòng)、植物殘?bào)w；(ii)簡單有機(jī)化合物（主要有木質(zhì)素、蛋白質(zhì)，半纖維素，纖維素及其他小分子化合物等）——非腐殖物質(zhì)(占土壤有機(jī)質(zhì)的20-30%以上)；(iii)腐殖物質(zhì)。6腐殖物質(zhì)i)定義：是由多酚和多醌類物質(zhì)在微生物作用下聚合而成的含芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的非晶形高分子有機(jī)化合物。ii)顏色：黃色棕黑色iii)結(jié)構(gòu)未知iv)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體，占其60-80%7R—（C，4H，養(yǎng)分）+2O2CO2+2H2O+能量+養(yǎng)分酶氧化一、礦化作用與腐殖化過程1、礦化作用(Mineralization)土壤有機(jī)質(zhì)在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并釋放出其中的礦質(zhì)養(yǎng)分的過程。92、腐殖化過程

(Humification)各種有機(jī)化合物通過微生物合成或在原植物組織中聚合轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成和結(jié)構(gòu)比原來更為復(fù)雜的新的有機(jī)化合物的過程。1011有機(jī)質(zhì)的分解與合成示意圖13在好氧條件下，微生物活動(dòng)旺盛，分解作用快而徹底，有機(jī)物質(zhì)徹底分解為CO2和H2O，而N、P、S等則以礦質(zhì)鹽類釋放出來。在嫌氣條件下，好氧微生物的活動(dòng)受到抑制，分解作用慢且不徹底，同時(shí)往往還產(chǎn)生有機(jī)酸、乙醇等中間產(chǎn)物。在極端嫌氣的情況下，除了產(chǎn)生中間產(chǎn)物外，還產(chǎn)生CH4、H2等還原性物質(zhì)，其中的養(yǎng)料和能量釋放很少，對植物生長不利。14二、生物物質(zhì)循環(huán)在土壤形成中的作用(1)固定營養(yǎng)元素生物攝取從巖石、礦物中釋放出來的養(yǎng)分元素，通過一系列的生物化學(xué)過程將易溶性、無機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)化合物而固定在生物體內(nèi)。死亡的生物或其殘?bào)w被微生物分解后，被固定的養(yǎng)分元素又被下一代或別的生物再吸收利用，這種循環(huán)過程保證了土壤生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。由有機(jī)物質(zhì)生成的土壤腐殖質(zhì)決定著土壤潛在肥力及其有效性。15(2)保存和富集植物養(yǎng)分表5－3能被植物進(jìn)行生物學(xué)吸附的元素17土壤條件的好壞在很大程度上影響生物產(chǎn)量，從而影響?zhàn)B分循環(huán)的強(qiáng)度；進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)，在土壤生物的作用下分解、轉(zhuǎn)化是養(yǎng)分循環(huán)與能量傳遞的重要環(huán)節(jié)。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，作物被移出后帶走了大量植物營養(yǎng)元素，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分枯竭，系統(tǒng)生產(chǎn)力下降。施用各種礦質(zhì)肥料可以歸還植物營養(yǎng)元素，但卻不能彌補(bǔ)由此減少的土壤能量。因此，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中歸還有機(jī)殘?jiān)歉纳仆寥郎鷳B(tài)功能、提高經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)有效途徑。18三、土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)的分解積累進(jìn)入土壤后的有機(jī)物質(zhì)的分解過程分為兩個(gè)階段：第一階段是易分解物質(zhì)（主要是可溶性物質(zhì)，如簡單的糖類、蛋白質(zhì)和有機(jī)酸等）的快速分解過程；第二階段是難分解物質(zhì)（如木質(zhì)素和腐殖質(zhì)等）的緩慢分解過程。一個(gè)碳原子的旅程據(jù)Garrels等（1975)計(jì)算：在大氣圈中停留4年；在生物圈中停留11年；在海洋上層水域停留385年；在深海中停留10萬年；在地殼中停留3.42億年19（一）有機(jī)肥的化學(xué)組成對分解積累的影響1、有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成影響有機(jī)肥最初階段的分解速率；有研究報(bào)道，黑麥草地上部分的分解速率開始時(shí)快于地下部分，約6個(gè)月后差異消失；大麥的地上和地下部分在土壤中分解5年后殘留率仍有很大差異，前者為12％，后者為16％。2、有機(jī)質(zhì)的C/N比也影響分解速率；C/N比對分解速率的影響只表現(xiàn)在分解的開始階段（含N量高則分解速度就快），而且可以被土壤中的N素所補(bǔ)償。3、木質(zhì)素含量是影響有機(jī)肥殘留率的主要因素。草根的分解量與(C/N?木質(zhì)素%)/(糖%)?呈反相關(guān)；有機(jī)肥的腐殖化系數(shù)與(木質(zhì)素%)/(苯醇溶性物＋水溶性物＋碳水化合物)呈正相關(guān)；有機(jī)肥的C/N比越大，N素的殘留率就越大。21（二）有機(jī)肥施用量對分解速率的影響在有機(jī)肥分解的初期，施用量明顯影響分解速率；當(dāng)有機(jī)質(zhì)的分解時(shí)間足夠長（3～6個(gè)月以上）時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解速率不受施用量的影響。22（三）土壤對有機(jī)肥分解積累的影響

土壤中的礦物質(zhì)部分對土壤有機(jī)質(zhì)的徹底分解有阻滯作用。（其作用實(shí)際上不是在分解上，而是通過將中間產(chǎn)物固定來阻滯徹底分解。）(1)較細(xì)顆粒對有機(jī)物質(zhì)分解的阻滯作用較大；(2)不同類型黏土礦物對有機(jī)質(zhì)分解的阻滯作用不同，蒙脫石>高嶺石；(3)土壤中的某些成分在有機(jī)質(zhì)的分解和積累中起重要作用，如：石灰和代謝性Ca2+促進(jìn)新鮮植物殘?bào)w的分解，但阻礙腐殖質(zhì)的分解(與胡敏酸等形成不易被微生物吸收的胡敏酸鈣等)；(4)水鋁英石能阻滯有機(jī)物質(zhì)的徹底分解并使土壤保持較高的有機(jī)質(zhì)含量；(5)土壤水分狀況影響有機(jī)質(zhì)的分解，適宜的水分含量有利于有機(jī)質(zhì)的分解，干濕交替也能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解；(6)土壤肥力狀況也影響有機(jī)質(zhì)的分解，肥力越高，有機(jī)質(zhì)的分解越快。23（一）土壤生物的組成與活性土壤動(dòng)物促進(jìn)植物殘?bào)w的破碎和運(yùn)輸真菌可促進(jìn)木質(zhì)素的分解細(xì)菌和放線菌可促進(jìn)碳水化合物的分解二、影響有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化的因素25（二）土壤特性1、質(zhì)地粘粒含量越高，有機(jī)質(zhì)含量也越高。2、pH值中性、鈣質(zhì)豐富較好，pH6.5-7.5。3.水分最適濕度：土壤持水量的50-80%低洼、積水有利于有機(jī)質(zhì)的積累4.通氣性通氣不良易造成有機(jī)質(zhì)累積5.溫度最適宜溫度大約為25-35℃

26第四部分有機(jī)質(zhì)對土壤庫的影響一方面，土壤條件影響進(jìn)入土壤庫中的有機(jī)質(zhì)的分解和積累；另一方面，進(jìn)入土壤庫中的有機(jī)質(zhì)成為土壤的組分后，影響土壤的各種性質(zhì)，進(jìn)而又影響有機(jī)質(zhì)的分解和積累。一、輕組有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)輕組的大部分是經(jīng)過輕微變化的植物物質(zhì)，腐殖質(zhì)占3~14%，大部分還能看出細(xì)胞結(jié)構(gòu)，基本上以游離狀態(tài)存在。其中的有機(jī)質(zhì)分解速度比植物組織的慢，比腐殖質(zhì)的快。29二、有機(jī)無機(jī)復(fù)合體及其性質(zhì)耕作土壤中有機(jī)質(zhì)的大部分與無機(jī)組分結(jié)合在一起，無機(jī)組分中又以黏土礦物占絕大部分。由于有機(jī)無機(jī)復(fù)合機(jī)制大多涉及電子的轉(zhuǎn)移，必將影響復(fù)合體的陽離子交換量；有機(jī)無機(jī)復(fù)合還使土壤的表面積發(fā)生變化。30三、有機(jī)質(zhì)對土壤性質(zhì)的影響1、有機(jī)質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)的影響團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體的增大而增加，但當(dāng)團(tuán)聚體的粒徑大到一定程度時(shí)，團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量不再增加。有研究表明，當(dāng)粒徑大于5mm時(shí)，腐殖質(zhì)含量反而下降。土壤有機(jī)質(zhì)使土壤顆粒團(tuán)聚成大小在0.1~5mm左右的水穩(wěn)性團(tuán)體。2、有機(jī)質(zhì)的供肥作用有機(jī)肥的施用不僅提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理性質(zhì)，而且通過微生物的分解或直接釋放營養(yǎng)元素而供給植物養(yǎng)分。31第五部分土壤腐殖物質(zhì)的形成和性質(zhì)一、土壤腐殖物質(zhì)的主體是什么？

土壤腐殖物質(zhì)的主體是指各種腐殖酸及其與金屬離子結(jié)合的鹽類。3233土壤腐殖物質(zhì)形成過程中的轉(zhuǎn)化途徑34二、土壤腐殖物質(zhì)的存在狀態(tài)腐殖物質(zhì)游離態(tài)結(jié)合態(tài)（很少）（52%-98%，與粘土礦物復(fù)合）35土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體示意圖36三、土壤腐殖質(zhì)的分組目前常用的提取腐殖酸劑（1）0.1MNaOH溶液(提取其中的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì))（2）0.1MNaOH+0.1M焦磷酸鈉(Na4P2O7)混合提取液(提取其中的穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì))腐殖物質(zhì)緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)腐殖物質(zhì)胡敏素胡敏酸富里酸37腐殖質(zhì)分組方法溶液即富里酸38四、土壤腐殖酸的性質(zhì)（一）物理性質(zhì)1、顏色黑褐色，富里酸呈淡黃色，胡敏酸呈褐色2、溶解性富里酸溶于水、酸、堿；胡敏酸不溶于水和酸，但溶于堿；富里酸的一價(jià)、二價(jià)鹽溶于水，三價(jià)鹽幾乎不溶于水；胡敏酸的一價(jià)鹽溶于水，但二價(jià)、三價(jià)鹽幾乎不溶于水。3、吸水性最大吸水量可以超過500%394、分子結(jié)構(gòu)（1）腐殖酸的分子量有較大的差異。（2）腐殖酸的分子形狀pH2-3纖維、纖維束狀4-7網(wǎng)狀、海綿狀8-9頁狀>10粒狀5.膠體特性是土壤有機(jī)膠體的主要組成部分40元素（%）CHO+SN胡敏酸50-603.1-5.331-413.0-5.6富里酸45-534.0-4.840-482.5-4.3（二）腐殖酸的化學(xué)性質(zhì)1、化學(xué)組成我國主要土壤腐殖酸的元素組成習(xí)慣上以58%為其平均值，故計(jì)算有機(jī)質(zhì)的含量時(shí)，一般以1.724為折算系數(shù)。41種類羧基酚羥基醇羥基醌基酮基甲氧基總酸度胡敏酸15-5721-572-491-261-53-867富里酸55-1123-5726-953-2012-273-121032、含氧官能團(tuán)主要含羧基、酚羥基、羰基、醌基、醇羥基、甲氧基等。腐殖質(zhì)的含氧官能團(tuán)含量（mmol/kg-1）423、腐殖酸的絡(luò)合性絡(luò)合物的穩(wěn)定性隨pH值的升高而增大。在pH4.8時(shí)能與Fe、Al、Ca等離子形成可溶性絡(luò)合物，但在中性或堿性條件下會(huì)產(chǎn)生沉淀。434、腐殖酸的電性腐殖酸是一種兩性膠體。既可以帶負(fù)電荷，也可以帶正電荷，通常以帶負(fù)電荷為主。腐殖質(zhì)的負(fù)電荷數(shù)量隨pH的升高而升高。44（三）腐殖質(zhì)的穩(wěn)定性與變異性1、穩(wěn)定性在溫帶條件下，一般植物殘?bào)w的半分解周期少于3個(gè)月，植物殘?bào)w形成的新的有機(jī)質(zhì)的半分解期為4.7-9年，而富里酸的平均停留時(shí)間為200-630年，胡敏酸的平均停留時(shí)間可達(dá)780-3000年。452、變異性HA/FA值：表示胡敏酸與富里酸含量的比值，是土壤腐殖質(zhì)成分變異的指標(biāo)之一。一般我國北方的土壤，特別是干旱區(qū)與半干旱區(qū)的土壤腐殖質(zhì)以胡敏酸為主，HA/FA比大于1.0；而在溫暖潮濕的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸為主，HA/FA比一般小于1.0；在同一地區(qū)，水稻土的腐殖質(zhì)的HA/FA比大于旱地，熟化程度高的土壤的HA/FA比較高。46一、有機(jī)質(zhì)在土壤肥力上的作用（一）提供植物需要的養(yǎng)分碳素營養(yǎng)：碳素循環(huán)是地球生態(tài)平衡的基礎(chǔ)。土壤每年釋放的CO2達(dá)1.35×1011噸，相當(dāng)于陸地植物的需要量。氮素營養(yǎng)：土壤有機(jī)質(zhì)中的氮素占全氮的90-98%磷素營養(yǎng)：土壤有機(jī)質(zhì)中的磷素占全磷的20-50%其他營養(yǎng)：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等營養(yǎng)元素。第六部分土壤有機(jī)質(zhì)的作用及管理47（二）改善土壤特性2、化學(xué)性質(zhì)：①影響土壤的表面性質(zhì)；②影響土壤的電荷性質(zhì)；③影響土壤保肥性；④影響土壤的絡(luò)合性質(zhì)；⑤影響土壤緩沖性1、物理性質(zhì)：①促進(jìn)良好結(jié)構(gòu)體形成；②降低土壤粘性，改善土壤耕性；③降低土壤砂性，提高保蓄性；④促進(jìn)土壤升溫。3、生理性質(zhì)：①影響根系的生長；②影響植物的抗旱性③影響植物的物質(zhì)合成