土壤肥料學(xué)第2章土壤有機(jī)質(zhì)

第二章土壤有機(jī)質(zhì)1整理ppt第一節(jié)、土壤生物多樣性及其功能

一、土壤微生物的多樣性及其功能

(一)土壤微生物的多樣性及其功能

土壤微生物是土壤中最原始的活有機(jī)體。它們的作用是：分解有機(jī)質(zhì)，合成腐殖質(zhì)，轉(zhuǎn)化土壤中難溶性的礦質(zhì)養(yǎng)分及固氮。根據(jù)土壤微生物的形態(tài)構(gòu)造和生理活動(dòng)特點(diǎn)，一般可分為：細(xì)菌、真菌、放線菌。2整理ppt〔1〕細(xì)菌細(xì)菌是單細(xì)胞不含葉綠素和細(xì)胞壁無(wú)纖維素成分的原核微生物。按個(gè)體形狀可分為球菌、桿菌、弧菌和螺旋菌等，根據(jù)營(yíng)養(yǎng)方式可分為自養(yǎng)型細(xì)菌和異養(yǎng)型細(xì)菌。3整理ppt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(guò)程中，特別是在土壤肥力的開(kāi)展過(guò)程中，起著極其重要的作用。我國(guó)局部土壤有機(jī)質(zhì)含量如下表。第二節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)4整理ppt表中國(guó)某些自然土壤中有機(jī)質(zhì)含量統(tǒng)計(jì)的標(biāo)本數(shù)有機(jī)質(zhì)含量（g/kg）土類3220.7～70.5黃棕壤、黃褐土1013.8～66.6高山草原土、亞高山草原土2648.1～219.6高山草甸土、亞高山草甸土2423.2～29.8磚紅壤、赤紅壤2921.4～164黑土、黑鈣土475.2～19.5紅壤3227.1～205黃壤2210.3～106.9褐土7426.4～193棕色森林土5整理ppt一、土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源及組成土壤有機(jī)質(zhì)是指土壤中形成的和外部參加的所有動(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。〔一〕土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源及類型土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)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(dòng)物、微生物的遺體；及人為施用的有機(jī)肥料。土壤中有機(jī)質(zhì)存在的三種狀態(tài)：新鮮的有機(jī)質(zhì)、半分解的有機(jī)剩余物、腐殖質(zhì)。6整理ppt〔二〕土壤有機(jī)質(zhì)的組成及性質(zhì)1.糖類、有機(jī)酸、醛、醇、酮類以及相近的化合物。2.纖維素和半纖維素3.木質(zhì)素4.脂肪、蠟脂、樹(shù)脂和單寧5.含氮化合物動(dòng)、植物殘?bào)w中主要的含氮化合物是蛋白質(zhì)，少量比較簡(jiǎn)單的可溶性氨基酸。植物殘?bào)w中的葉綠素等。6.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、P、S、Fe、AL、Mn，以及微量元素I、Zn、Mo、B等。其中以Si、Ca、K、Al為最多。7整理ppt二、土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程

礦質(zhì)化過(guò)程：就是有機(jī)質(zhì)被分解成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物，釋放出礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的過(guò)程。

腐殖化過(guò)程：使簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物形成新的、較穩(wěn)定的有機(jī)化合物，使有機(jī)質(zhì)及其養(yǎng)分保蓄起來(lái)的過(guò)程。8整理ppt1.含氮、碳有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

土壤有機(jī)質(zhì)中的碳水化合物如纖維素、半纖維素、淀粉等糖類，在微生物分泌的糖類水解酶的作用下，首先水解為單糖：

(C6H10O5)n＋nH2O→nC6H12O6〔一〕土壤有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化過(guò)程9整理ppt生成的單糖由于環(huán)境條件和微生物種類不同，又可通過(guò)不同的途徑分解，其最終產(chǎn)物也不同。在好氣條件下，有好氣性微生物分解，最終產(chǎn)物為水和二氧化碳，放出的熱量多，稱氧化作用。其反響如下：nC6H12O6＋6O26CO2＋6H20＋熱量

在通氣不良的條件下，那么在嫌氣性微生物作用下緩慢分解，并形成一些復(fù)原性氣體、有機(jī)酸，產(chǎn)生的熱量少，稱發(fā)酵作用。其反響為：C6H12O6CH3CH2CH2COOH＋2H2＋2CO2＋熱量4H2＋CO2CH4＋2H2O10整理ppt2.含氮有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

含氮有機(jī)物是土壤中氮素的主要貯藏狀態(tài)，包括蛋白質(zhì)、氨基酸、腐殖質(zhì)等。但植物利用的氮主要是無(wú)機(jī)態(tài)的氮，如NO3-、NH4+等。

(1)水解作用

蛋白質(zhì)在微生物分泌的蛋白質(zhì)水解酶作用下，分解成氨基酸的作用稱水解作用。蛋白質(zhì)氨基酸

蛋白質(zhì)水解酶11整理ppt(2)氨化作用分解含氮有機(jī)物產(chǎn)生氨的生物學(xué)過(guò)程稱氨化作用。〔蛋白質(zhì)水解生成的氨基酸在酶的作用下分解成氨或銨鹽〕CH2NH2COOH＋O2HCOOH＋CO2＋NH3CH2NH2COOH＋H2CH3COOH＋NH3CH2NH2COOH＋H2OCH2(OH)COOH＋NH3

氧化好氣分解

還原嫌氣分解

水解12整理ppt〔3〕硝化作用氨化作用生成的氨或銨鹽中，局部的氨態(tài)氮可以被微生物氧化成亞硝酸，并進(jìn)一步氧化成硝酸的過(guò)程，稱硝化作用。這一作用可分為兩個(gè)階段：第一階段，氨被亞硝酸細(xì)菌氧化成亞硝酸；第二階段，亞硝酸被硝化細(xì)菌氧化成硝酸。其反響如下：2NH3＋3O22HNO2＋2H2O＋熱量2HNO2＋O22HNO3＋熱量亞硝酸細(xì)菌硝酸細(xì)菌13整理ppt〔4〕反硝化作用無(wú)氧或微氧條件下，硝酸鹽可以在反硝化細(xì)菌的作用下以NO3－或NO2－作為呼吸作用的最終電子受體生成N2O和N2的硝酸鹽復(fù)原過(guò)程，稱反硝化作用。其反響如下：反硝化細(xì)菌C6H12O6＋24KNO324KHCO3＋6CO2＋12N2↑＋18H2O14整理ppt3.含磷有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

土壤中含磷有機(jī)物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它們?cè)谟袡C(jī)磷細(xì)菌的作用下進(jìn)行分解：

磷細(xì)菌

水解

K＋＋Na＋＋Ca2＋核蛋白質(zhì)磷酸磷酸鹽

產(chǎn)生的磷酸鹽是植物可吸收的磷素養(yǎng)分，但在酸性或石灰性土壤中易與Fe、Al、Ca、Mg等生成難溶性的磷酸鹽，降低其有效性。在缺氧條件下磷酸又被復(fù)原為磷化氫，其反響如下：

H3PO4H3PO3H3PO2PH3↑15整理ppt4.含硫有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化植物殘?bào)w中的硫，主要存在于蛋白質(zhì)中，能分解含硫有機(jī)物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有機(jī)物的氨化細(xì)菌，都能分解有機(jī)硫化物，產(chǎn)生硫化氫，其反響如下：蛋白質(zhì)硫氨基酸H2S

復(fù)原型的無(wú)機(jī)硫化物被硫化細(xì)菌氧化成硫酸的過(guò)程，稱硫化作用。其反響如下：2H2S＋O22H2O＋2S2S＋3O2＋2H2O2H2SO4硫化作用產(chǎn)生的硫酸與土壤中的鹽基物質(zhì)作用，形成硫酸鹽，硫酸鹽是植物可吸收的養(yǎng)分。在通氣不良的情況下，硫化氫易積累，即發(fā)生反硫化作用，使硫酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹渖⑹В瑢?duì)植物和微生物產(chǎn)生毒害。16整理ppt(二)土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化過(guò)程土壤腐殖質(zhì)的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，大致可分為兩個(gè)階段。第一階段：有機(jī)殘?bào)w在微生物分解作用下，其中一局部徹底礦化，最終生成CO2、H2O、NH3、H2S等無(wú)機(jī)化合物。另一局部轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物〔多元酚〕和含氮化合物〔氨基酸、肽等〕，提供了形成腐殖質(zhì)的材料。17整理ppt第二階段：上述土壤腐殖質(zhì)的組成局部，在微生物的作用下經(jīng)縮合形成腐殖質(zhì)的根本單元。先是多元酚在微生物的作用下氧化為醌，然后醌再與含氮化合物縮合成原始腐殖質(zhì)。18整理ppt土壤腐殖質(zhì)形成過(guò)程中的轉(zhuǎn)化途徑19整理ppt三、影響土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素

有機(jī)殘?bào)w的特性

土壤水分和通氣狀況溫度土壤特性C/N比值

最適水勢(shì)－0.1～－0.03Mpa0～35℃OM、pH、Eh值等20整理ppt〔一〕有機(jī)殘?bào)w的特性

主要指殘?bào)w的水分含量、細(xì)碎程度以及這些殘?bào)w的組成成分，尤其是其組成的C/N比。微生物維持自身正常的生命需要有機(jī)質(zhì)的C/N比為25:1。如果被分解的有機(jī)物質(zhì)C/N比小于25:1，微生物的活動(dòng)不受影響，有機(jī)質(zhì)分解快，且有氮素存留在土壤中；如果被分解的有機(jī)物質(zhì)C/N比大于25:1，微生物缺乏氮素營(yíng)養(yǎng)，微生物的活動(dòng)受到抑制，有機(jī)機(jī)質(zhì)分解緩慢，且有可能導(dǎo)致微生物和植物爭(zhēng)奪土壤中原有的氮素養(yǎng)分。21整理ppt〔二〕土壤環(huán)境條件1、水分狀況風(fēng)干狀態(tài)的土壤，微生物因缺水而影響其生命活動(dòng)，有機(jī)質(zhì)分解緩慢；土壤濕潤(rùn)時(shí)，微生物活動(dòng)旺盛，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解；過(guò)分濕潤(rùn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤的通氣受阻，影響微生物活動(dòng)，減緩有機(jī)質(zhì)的分解。2、通氣條件通氣良好時(shí)，好氣性微生物活潑，有機(jī)質(zhì)分解快，分解較完全，礦化率高，中間產(chǎn)物積累少，利于植物的吸收利用；通氣不良時(shí)，嫌氣性微生物活潑，有機(jī)質(zhì)分解慢，分解不完全，礦化率不高，主要以中間產(chǎn)物為主，而且伴隨有復(fù)原性氣體的產(chǎn)生〔甲烷〕，毒害作物的生長(zhǎng)，但卻有利于有機(jī)質(zhì)的積累和保存。3、熱量狀況〔溫度〕4、其他如土壤酸堿〔pH〕、氧化復(fù)原電位〔Eh〕以及當(dāng)?shù)赝寥赖闹脖缓彤?dāng)?shù)貧夂虻?2整理ppt第三節(jié)腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)本身不是一種單一的化合物，而是由多種化合物形成的聚縮物，其主體為腐殖酸及其鹽，占腐殖質(zhì)的85％～90％，稱為腐殖物質(zhì)。其余為微生物代謝所產(chǎn)生的較簡(jiǎn)單的化合物，因與腐殖酸緊密結(jié)合難以別離，故與腐殖酸合稱為腐殖質(zhì)。23整理ppt根據(jù)腐殖質(zhì)在不同溶劑中的溶解度和顏色可別離出黑腐素〔胡敏素〕、褐腐酸〔胡敏酸〕和黃腐酸〔富里酸、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黑色物質(zhì)胡敏素溶解的暗褐色溶液

HCl或H2SO4處理褐色沉淀胡敏酸黃色溶液富啡酸土壤一、腐殖質(zhì)的別離與組成24整理ppt

腐殖酸是土壤和土壤沉積物等物質(zhì)溶于稀堿，呈暗褐色、無(wú)定型和酸性的非均質(zhì)天然有機(jī)高分子化合物。它不能作為獨(dú)立的腐殖物質(zhì)存在，一般把土壤腐殖質(zhì)概括為胡敏酸和富里酸兩大類。

25整理ppt二、土壤腐殖質(zhì)在土壤中存在形態(tài)１〕游離態(tài)的腐殖質(zhì)，在一般土壤中占極少局部〔紅土〕。２〕與礦物中強(qiáng)鹽基化合成穩(wěn)定的鹽類，主要為腐殖酸鈣鎂〔黑土〕。３〕與含水三氧化物化合成復(fù)雜的凝膠體。４〕與粘粒結(jié)合成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體。

26整理ppt在上述四種形態(tài)中，以第四種最為重要，它常占土壤腐殖質(zhì)中的大局部。其結(jié)合方式可能是：第一：通過(guò)鈣離子結(jié)合。農(nóng)業(yè)重要，與水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成有關(guān)。第二：通過(guò)鐵、錳、鋁離子結(jié)合，尤其是鐵離子。結(jié)合緊密，甚至可以結(jié)合其他腐殖質(zhì)、砂礫等，但這種結(jié)合不具水穩(wěn)性。27整理ppt

1、腐殖質(zhì)不是一種純的化合物，而是代表一類有著特殊化學(xué)和生物本性的，構(gòu)造復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物。2、腐殖質(zhì)的元素成分，主要是C、H、O、N、S、Ca、Mg、Fe、Si等。腐殖質(zhì)含碳量約為56—60％〔58％〕。含氮量約為3—6％(5.6％)，其碳氮比例大致為10：1—12：1，灰分占0.6％。3、腐殖質(zhì)是一種黑色或棕色的有機(jī)膠體。它的化學(xué)構(gòu)造式雖然還沒(méi)有確定，但它們有假設(shè)干共同點(diǎn)是可以肯定的，即分子巨大，以芳香族核為主體，附以各種功能團(tuán)。其中主要的功能團(tuán)為酚羥基〔—OH〕、羧基〔—COOH〕、甲氧基〔—OCH3〕，并有含氮的環(huán)狀化合物等。三、腐殖質(zhì)的性質(zhì)28整理ppt4、腐殖質(zhì)的電性腐殖酸帶有電荷，并且是兩性膠體，在通常情況下，它所帶的電荷是負(fù)的。電性的來(lái)源主要是分子外表的羧基、酚羥基的解離以及胺基的質(zhì)子化。5、腐殖質(zhì)的溶解性褐腐酸不溶于水；黃腐酸易溶于水，酸性強(qiáng)。腐殖酸與高價(jià)金屬離子可以形成絡(luò)合物〔受羧基、酚羥基影響〕，絡(luò)合物的穩(wěn)定性受介質(zhì)的酸堿性、本身金屬離子性質(zhì)、腐殖酸性質(zhì)影響。29整理ppt6、腐殖質(zhì)的凝聚腐殖質(zhì)是帶負(fù)電荷的有機(jī)膠體，新形成的腐殖質(zhì)膠粒在水中呈分散的溶膠狀態(tài)，但增加電解質(zhì)濃度或高價(jià)離子，那么電性中和而相互凝聚，形成凝膠。腐殖質(zhì)在凝聚過(guò)程中可使土粒膠結(jié)在一起，形成結(jié)構(gòu)體。另外，腐殖質(zhì)是一種親水膠體，可以通過(guò)枯燥或冰凍脫水變性，形成凝膠。腐殖質(zhì)這種變性是不可逆的，所以能成水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。30整理ppt

7、吸水性腐殖質(zhì)是一種親水膠體，有強(qiáng)大的吸水能力，單位質(zhì)量腐殖質(zhì)的持水量是硅酸鹽粘土礦物的4～5倍，最大吸水量可以超過(guò)500%。最大吸濕水量可達(dá)本身一倍以上。

8、穩(wěn)定性穩(wěn)定性很強(qiáng)，抗微生物分解的能力較強(qiáng)，年礦化率平均1%～2%之間。新舊程度不同的腐殖酸分解的速度有很大差異。31整理ppt第四節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)的作用和調(diào)節(jié)一、土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)提高土壤肥力的作用

土壤有機(jī)質(zhì)，特別是腐殖質(zhì)，對(duì)土壤肥力的影響是多方面的，主要可歸納如下幾點(diǎn)：

32整理ppt〔一〕植物養(yǎng)分的重要來(lái)源1、N源土壤有機(jī)質(zhì)含有大量而全面的植物養(yǎng)分，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。2、C源土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及微生物和根系呼吸作用產(chǎn)生的大量CO2是植物碳素營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源。3、其他有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程產(chǎn)生各種有機(jī)酸對(duì)土壤礦質(zhì)局部有溶解作用，促進(jìn)風(fēng)化，利于局部養(yǎng)分的有效化。絡(luò)合變價(jià)金屬元素，不致在土壤溶液中產(chǎn)生沉淀，增加有效性。33整理ppt土壤有機(jī)質(zhì)是全球碳平衡過(guò)程中非常重要的碳庫(kù)。據(jù)估計(jì)全球土壤有機(jī)質(zhì)的總碳量在1.4x1015—1.5x1015kg，大約是陸地生物總碳量〔5.6x1017〕的2.5—3倍。每年因土壤有機(jī)質(zhì)生物分解釋放到大氣中的總碳量為6.8x1013kg，而全球每年因燃燒燃料釋放到大氣的碳為6x1012kg，僅占土壤呼吸釋放碳的8%—9%。34整理ppt〔二〕提高士壤的蓄水保肥和緩沖能力

1、蓄水腐殖質(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％。2、保肥腐殖質(zhì)帶兩性電荷，以負(fù)電荷為主，因而有較強(qiáng)的陽(yáng)離子吸附能力，可以吸附作為養(yǎng)料的K+、NH4+、Ca2+、Mg2+等離子，防止流失。且這些離子可隨時(shí)被根系附近的其它陽(yáng)離子交換出來(lái)，供作物吸收利用。3、緩沖腐殖質(zhì)含有多酸性功能團(tuán)的弱酸，且其鹽類具有兩性膠體的作用，因而有較強(qiáng)的酸堿緩沖能力。35整理ppt〔三〕改善土壤的物理性質(zhì)

1、土壤結(jié)構(gòu)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)的粘結(jié)力和粘著力大于沙粒小于粘粒，因此改進(jìn)土壤，使砂土變緊，粘土變松。2、土壤熱量腐殖質(zhì)顏色深，能吸收大量的太陽(yáng)輻射熱，同時(shí)有機(jī)質(zhì)分解時(shí)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。同時(shí)腐殖質(zhì)熱容量比空氣、礦物質(zhì)大，而比水小，導(dǎo)熱性劇中，因此土溫變幅不大，利于保溫和春播。36整理ppt〔四〕促進(jìn)微生物的生命活動(dòng)1、保證微生物的生命活動(dòng)土壤有機(jī)質(zhì)能為微生物生活提供能量和養(yǎng)分，同時(shí)又能調(diào)節(jié)土壤水、氣熱及酸堿狀況。2、保障肥力的平穩(wěn)持久土壤微生物生物量隨土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。土壤有機(jī)質(zhì)不同于新鮮的有機(jī)殘?bào)w，不會(huì)對(duì)微生物群落產(chǎn)生“激發(fā)效應(yīng)〞。

37整理ppt〔五〕促進(jìn)植物的生長(zhǎng)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(guò)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，加速根系和地上局部的生長(zhǎng)?！擦称渌矫娴淖饔酶迟|(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、堿土的改進(jìn)。38整理ppt二、土壤有機(jī)質(zhì)的