5第五講 土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)

第五講土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)

——土壤有機(jī)質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相的組成成分之一。它在土壤的形成過程中，特別是在土壤肥力的發(fā)展過程中，起著極其重要的作用。

土壤有機(jī)質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)化合物。它主要包括土壤中各種動物、植物殘體，微生物體及其分解和合成的各種有機(jī)化合物。我國地域遼闊，由于各地的自然條件和農(nóng)林業(yè)經(jīng)營水平不同，土壤有機(jī)質(zhì)的含量差異較大。低者少于1％，多者可高達(dá)20%。土壤有機(jī)質(zhì)含量的多少，基本上可以反映土壤肥力水平的高低。

我國部分土壤有機(jī)質(zhì)含量如下表。表1中國某些自然土壤中有機(jī)質(zhì)含量統(tǒng)計的標(biāo)本數(shù)有機(jī)質(zhì)含量（％）土類32

2.07～7.05黃棕壤、黃褐土101.38～6.66高山草原土、亞高山草原土26481～21.96高山草甸土、亞高山草甸土242.32～2.98磚紅壤、赤紅壤292.14～16.4黑土、黑鈣土470.52～1.95紅壤322.71～20.5黃壤221.03～10.69褐土742.64～19.3棕色森林土土壤有機(jī)質(zhì)在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有重要作用和意義：1、它含有植物生長所需要的各種營養(yǎng)元素，是土壤微生物生命活動的能源，對土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)都有深刻的影響。2、土壤有機(jī)質(zhì)對重金屬、農(nóng)藥等各種有機(jī)、無機(jī)污染物的行為都有顯著的影響，而且對全球碳平衡起著重要作用。一、有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和來源

原始土壤：最初來源微生物，隨后來源動植物殘體和（根系分泌物）

自然土壤經(jīng)人為影響后，其有機(jī)質(zhì)來源包括：作物根茬、各種有機(jī)肥料、工農(nóng)業(yè)和生活廢水、廢渣、微生物制品、有機(jī)農(nóng)藥等有機(jī)物。土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于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；及人為施用的有機(jī)肥料。土壤有機(jī)質(zhì)來源動物植物微生物有機(jī)肥料二、有機(jī)質(zhì)的類型、組成（一）新鮮有機(jī)質(zhì)、有機(jī)殘余物和簡單有機(jī)化合物

新鮮有機(jī)質(zhì)指那些仍保持原來形態(tài)，沒被分解的動物植物及微生物遺體。有機(jī)殘余物指那些半分解狀態(tài)的有機(jī)物質(zhì)。簡單有機(jī)物包括糖類有機(jī)殘余氨基酸、脂肪等有機(jī)化合物。1、碳水化合物碳水化合物主要有淀粉、纖維素、半纖維素等多糖類物質(zhì)。2、含氮化合物動、植物殘體中主要的含氮化合物是蛋白質(zhì)，少量比較簡單的可溶性氨基酸。植物殘體中的葉綠素等。3、單寧、樹脂、脂肪、蠟質(zhì)等這是一類復(fù)雜的有機(jī)化合物，除單寧外，其余都不溶于水而溶于有機(jī)溶劑如酒精、苯等物質(zhì)中，在土壤中分解緩慢而不徹底。4、木質(zhì)素木質(zhì)素是植物木質(zhì)部的主要組成成分，是復(fù)雜的有機(jī)化合物。5、灰分元素植物經(jīng)燃燒后，殘留在灰分中的元素稱灰分元素。構(gòu)成灰分的主要元素為Ca、Mg、K、Na、S、P、S、Fe、Al、Mn，以及微量元素Zn、Mo、B等。其中以Si、Ca、K、Al為最多。（二）土壤腐殖質(zhì)土壤腐殖質(zhì)是除未分解的動、植物組織和土壤生命體等以外的土壤中有機(jī)化合物的總稱。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)主要部分，占50—65%，腐殖質(zhì)不是單一有機(jī)質(zhì)，而是在組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上具有共同特征，又有差異的一系列高分子有機(jī)化合物。1、腐殖質(zhì)提取和分離根據(jù)腐殖質(zhì)在不同溶劑中的溶解度和顏色可分離出胡敏素、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)胡敏素溶解的暗褐色溶液HCl或H2SO4處理沉淀物質(zhì)胡敏酸黃白色溶液富啡酸土壤溶解性顏色分子量胡敏酸堿可溶，水和酸不溶中等中等富啡酸水。酸、堿都可溶淺低胡敏素都不溶深高2、腐殖質(zhì)的性質(zhì)（1）元素組成：C、N、P、S等，一般腐殖質(zhì)含C55％~60％，平均為58％；其中胡敏酸較富里酸C、N高，O、S低（2）含有很多功能團(tuán)：腐殖質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，除了含碳水化合物、氨基酸等含N物質(zhì)、芳香族化合物外，尚含有較多功能團(tuán)：—COOH（羧基）、—OH、—C=O等，表面常帶有大量負(fù)電荷。其中羧基是最重要的功能基團(tuán)。（3）具有強(qiáng)烈的保水性（蓄水性）（4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子量大?？赡芎幸恍┥砘钚晕镔|(zhì)，激素等，分子量可達(dá)幾萬或幾百萬。（5）FA的分子結(jié)構(gòu)比HA簡單；（6）FA的溶解度大，HA的溶解度則小胡敏酸的特性胡敏酸是土壤中溶于稀堿的棕褐色的天然有機(jī)高分子化合物。胡敏酸分子量大，平均可大于25，000，它的官能團(tuán)的氫離子可以被解離出來與溶液中的陽離子進(jìn)行交換。因胡敏酸的官能團(tuán)多，所以它具有較強(qiáng)的交換能力。富里（啡）酸的特性富里（啡）酸是土壤中溶于稀堿也溶于稀酸的黃棕色天然有機(jī)高分子化合物。富里酸的分子量較胡敏酸?。?000～6000）。其元素組成和分子結(jié)構(gòu)雖與胡敏酸相似，但含C、H量比胡敏酸少，而S、O的含量比胡敏酸多，這說明富里酸縮合程度較胡敏酸低，酸性較強(qiáng)。三、土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程

（一）有機(jī)質(zhì)的礦化分解過程：1、概念：有機(jī)質(zhì)的礦化分解過程是指較復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)分解為簡單化合物的過程。2、分為兩個階段：（1）進(jìn)入土壤的有機(jī)物（土壤微生物）簡單有機(jī)化合物速度較慢；（2）簡單有機(jī)化合物（土壤微生物）

二氧化碳+水+無機(jī)鹽較快。3、分解特點(diǎn)（1）同一有機(jī)物由于組成不同，分解速度也不同。（2）同一階段，分解先快后慢；4、有機(jī)質(zhì)的礦化率

指每年因礦化作用而消耗掉的有機(jī)質(zhì)量占土壤有機(jī)質(zhì)含量的百分?jǐn)?shù)。高溫高濕比低溫少雨區(qū)礦化率要高；常耕大于少耕；旱田大于水田；施用新鮮有機(jī)肥會突然提高礦化率。一般土壤的礦化率為1%—3%

意義：有機(jī)體的礦化率和腐殖化系數(shù)是保持和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量到某一水平的兩項指標(biāo)（二）有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程1、概念：

有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程就是腐殖質(zhì)的形成過程。2、過程：有機(jī)殘體（土壤微生物）簡單有機(jī)化合物（相互間聚合反應(yīng)）形成更大分子有機(jī)化合物，即是腐殖質(zhì)。

第一階段：產(chǎn)生腐殖質(zhì)分子的各個組成成分。如多元酚、氨基酸、多肽等有機(jī)物質(zhì)。

第二階段：由多元酚和含氮化合物縮合成腐殖質(zhì)單體分子。

圖1土壤腐殖質(zhì)形成過程中的轉(zhuǎn)化途徑3、腐殖化系數(shù)

指有機(jī)物質(zhì)施入土壤中后形成的腐殖質(zhì)量與原來施入的有機(jī)物質(zhì)的比值。其大小與有機(jī)物質(zhì)的類型、土壤水熱條件等因素有關(guān)。意義：有機(jī)體的礦化率和腐殖化系數(shù)是保持和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量到某一水平的兩項指標(biāo)。計算：

假定每畝表層（20厘米）土重150000kg；某土壤有機(jī)質(zhì)含量2%，礦化率為2%；假定施入有機(jī)物質(zhì)為紫云英，其腐殖化系數(shù)為0.25，紫云英含水率86%；則要想用紫云英維持原有土壤有機(jī)質(zhì)水平不下降，應(yīng)施入量為：

每年被礦化消耗掉的土壤有機(jī)質(zhì)每畝為：

150000kg*2%*2%=60kg

設(shè)紫云英用量為x，則x*0.14*0.25=60kg，因此，x=1700kg（三）影響有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素1、有機(jī)殘體的組成與狀態(tài)（1）有機(jī)殘體的物理狀態(tài)：多汁、幼嫩的綠肥比干枯、老化綠肥易分解；磨細(xì)的比未粉碎的更易分解（2）有機(jī)殘體的化學(xué)組成：單糖、淀粉、水溶性蛋白質(zhì)、粗蛋白質(zhì)等容易分解；而纖維素、木質(zhì)素、脂肪、蠟質(zhì)等很難分解。闊葉比針葉快；葉片比殘根快，豆科比禾本科快。（3）有機(jī)殘體的碳氮比（C/N）：碳氮比是指有機(jī)殘體中碳總量與氮總量之比。微生物吸收1份氮，就要吸收5份碳用于構(gòu)成自身細(xì)胞，同時要消耗20份碳作為生命活動的能量。微生物分解需有機(jī)質(zhì)的C/N為25：1。有機(jī)殘體的碳氮比（C/N）影響微生物的活動和繁殖，C/N適宜的有機(jī)殘體，有機(jī)殘體就礦化快，反之則慢。2、土壤環(huán)境條件

通過影響土壤微生物來實(shí)現(xiàn)對有機(jī)殘體轉(zhuǎn)化的影響。（1）土壤濕度和通氣狀況：在田間持水量的60%最好。水田是還原條件，分解慢，有機(jī)質(zhì)高；砂土比粘土有機(jī)質(zhì)低。（2）土壤溫度狀況：最適溫度：20～30度。不同季節(jié)不一樣；不同地區(qū)也不同，如我國從南到北，有機(jī)質(zhì)逐漸增高。（3）土壤酸堿度：不同微生物要求不同pH范圍，如多數(shù)細(xì)菌要6.5—7.5；放線菌中性到為堿性，真菌酸性到中性條件。（4）土壤中的粘粒：由于粘粒的吸附可減弱土壤酶、土壤微生物的活性，對于粘重土壤，有機(jī)質(zhì)不易分解。（5）其它因素：如鹽分過高會影響；某些重金屬的毒害作用都會限制有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。四、有機(jī)質(zhì)在肥力中的作用及其調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)的調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)積累有機(jī)質(zhì)分解平衡增加來源影響因素控制綠肥種植秸稈還田增施有機(jī)肥水氣熱耕作輪作碳氮酸堿（一）土壤有機(jī)質(zhì)在土壤肥力中的作用1、土壤有機(jī)質(zhì)是植物養(yǎng)料的源泉

土壤有機(jī)質(zhì)含有豐富的植物所需營養(yǎng)元素，如C、H、O、P、S、K、Ca等，還有多種微量元素，特別是氮素，土壤中的氮素95％以上是有機(jī)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，同時植物養(yǎng)分以腐殖質(zhì)形態(tài)存在的，有利于養(yǎng)分保蓄，減少淋溶損失，因此是供應(yīng)植物養(yǎng)料的物質(zhì)基礎(chǔ)。2、提高土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(qiáng)的蓄水能力。土壤中的粘粒吸水力一般為50％～60％，而腐殖質(zhì)可高達(dá)400％～600％。多種功能團(tuán)帶大量負(fù)電荷，吸附代換性強(qiáng)，可吸收保存養(yǎng)分，起到保肥作用；土壤有機(jī)膠體有的是兩性膠體，起到緩沖酸堿化作用。3、土壤有機(jī)質(zhì)能改善土壤物理性質(zhì)

新鮮有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)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(tuán)聚體，腐殖質(zhì)顏色深，能吸收大量的太陽輻射熱，同時有機(jī)質(zhì)分解時也能釋放熱，所以有機(jī)質(zhì)在一定條件下能提高土壤溫度。4、促進(jìn)微生物的生命活動

土壤有機(jī)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。5、促進(jìn)植物的生長發(fā)育胡敏酸具有芳香族的多元酚官能團(tuán)，可以加強(qiáng)植物的呼吸過程，提高細(xì)胞膜的透性，促進(jìn)養(yǎng)分進(jìn)入植物體，還能促進(jìn)新陳代謝，細(xì)胞分裂，加速根系和地上部分的生長。6、土壤有機(jī)質(zhì)也是一類生理活性物質(zhì)能加速種子發(fā)芽，增強(qiáng)根系活動，促進(jìn)作物生長，也可增加（過氧化氫）酶的活性。7、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(qiáng)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染。另外，腐殖質(zhì)還有利于鹽、堿土的改良。（二）土壤有機(jī)質(zhì)的調(diào)節(jié)1、保持和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量使土壤有機(jī)質(zhì)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵

有機(jī)體的礦化率和腐殖化系數(shù)是保持和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量到某一水平的兩項指標(biāo)。2、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的措施（1）增加土壤有機(jī)質(zhì)來源，即廣辟肥源；