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土壤生物化学过程和养分循环郭笑彤guoxtina@126.com12015-04-10植物营养与土壤肥料学土壤有机质1.土壤有机质的来源、含量及其组成2.土壤有机质的分解和转化3.土壤腐殖物质的形成和性质4.土壤有机质的作用及管理•概念：土壤有机质(soilorganicmatter)•土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。土壤生物化学过程和养分循环微生物是土壤有机质的最早来源。动物来源植物来源工农业副产品土壤有机质的基本来源。不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大。热带雨林下仅凋落物干物质量即达16700千克/公顷年，而荒漠植物群落的凋落物干物质量仅为530千克/公顷年。土壤有机质---来源土壤生物化学过程和养分循环播后覆盖稻草棉籽饼有机质含量soilorganicmattercontent不同土壤中差异很大，高的可达20%或30%以上（如泥炭土、一些森林土壤等），低的不足0.5%（如一些漠境土和砂质土壤）。在土壤学中，一般把耕层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土壤，含有机质在20%以下的土壤，称为矿质土壤。但耕作土壤中，表层有机质的含量通常在5%以下。有机质含量（%）肥力水平0.5低0.5~1.0较低1.0~1.2中等1.2~1.5较高1.5高土壤有机碳含量（C%):重铬酸钾法土壤有机质含量(%)：土壤有机碳*1.724（100/58）土壤碳素储量(GtC)：陆地生物圈1550GtC土壤圈1200GtC土壤碳密度(kg/m2)：单位面积土壤碳素含量土壤有机质---含量及其组成土壤生物化学过程和养分循环不同地区旱地和水田耕层土壤有机质含量地区有机质含量（%）旱地水田东北平原4.454.96黄淮海平原0.991.27长江中下游平原1.742.74南方红壤丘陵1.652.52珠江三角洲平原2.012.73土壤生物化学过程和养分循环土壤有机质0.5%5%0.5-2.0%7%影响土壤有机质含量的因素植被：草本木本草甸草原阔叶针叶常绿阔叶气候：潮湿、寒冷有利于积累干燥、炎热有利于分解地形：海拔处高，有机质含量高母质：质地黏，有利于有机质累积生产措施土壤生物化学过程和养分循环C：52~58%，***O：34-39%，H：3-5%，N：4-6%,P、S，金属离子。C/N=10~12.化合物组成(P153,表4-4)组别含量（%）糖类物质10～20含N组分（氨基糖、氨基酸）20脂族脂肪酸、链烷10~20芳香化合物40~60元素组成***~50%注：资料引自：Stevenson,1982土壤有机质---组成土壤生物化学过程和养分循环•非腐殖质：结构简单、易被微生物分解、具有明确的物理化学性质的物质，这些物质统称为非腐殖质。包括土壤中的糖类物质、多糖类和一些化学结构已知的含N化合物，如氨基酸、氨基糖等。占土壤有机质的20～30%土壤有机质组成—有机质组分土壤生物化学过程和养分循环糖类物质saccharides在一般有机体代谢过程中，糖类物质中所含的结合能是最好的能量来源，在土壤代谢过程中，糖类同样可作为能量物质,是土壤微生物的主要能源物质。土壤中糖类物质中的C约占土壤有机C总量的5～25%，已发现的土壤糖类物质的种类很多，主要可分为单糖、多糖、糖醛酸和氨基糖等。土壤有机质组成---非腐殖质土壤生物化学过程和养分循环络合多糖可将土壤颗粒结合为稳定的团聚体。多糖也可和金属离子形成络合物，并成为腐殖质合成的建造单元；氨基糖的矿化，可向植物供应N素；有些糖类可以刺激种子发芽和根的延伸；多糖还会影响土壤的阳离子代换量和微生物活性。非腐殖质---土壤中糖类的重要性土壤生物化学过程和养分循环脂类lipids•土壤中的脂类，大部分是植物和微生物组织的残余物，约占土壤有机质总量的2～6%。•主要包括蜡类、有机酸、碳氢化合物、多环烃、甘油酯和磷脂、类固醇和类萜、类胡萝卜素等土壤有机质组成---非腐殖质土壤生物化学过程和养分循环•具有生理活性•抑制或促进作用。某些土壤溶液中高浓度的酚酸不利于植物的生长。脂类还可能是世界上半干旱地区残茬覆盖耕种制度下小麦产量低的原因。如维生素B。•改变土壤物理性质•脂类是疏水的，因而影响团聚体稳定性和湿润程度。蜡类物质使砂土具有排斥水分的性质。非腐殖质---土壤中脂类的重要性土壤生物化学过程和养分循环•在微生物作用下，形成的一类结构复杂、性质稳定的特殊性质的高分子化合物。•这类化合物都具有三种基本成份,即芳核结构、含N有机化合物及复环形式碳水化合物，其特殊性在于其主体不同于生物体中已知的高分子有机化合物。土壤有机质组成---腐殖质土壤生物化学过程和养分循环•化学分组：酸碱溶解性•物理分组：密度分组法：根据土壤在一定比重(1.6～2.5g/ml)溶液中的沉降速度将其分作轻组和重组土壤，它们中的有机质被分别称作轻组有机质(LightFractionOrganicMatter,LFOM)和重组有机质(HighFractionOrganicMatter,HFOM)。SOM分组方法土壤生物化学过程和养分循环LFOM：动植物残体、菌丝体、孢子、单糖、多糖、半木质素等，是介于动、植物残体与土壤腐殖质之间的一个中间C库，有机C和养分含量高于腐殖质，转化时间一般只有几周到几十年，是土壤中的易分解C库。并非游离态，与不同粒径矿质颗粒结合形成松散复合态。含C量是土壤有机C总量的15%～32%。轻组是土壤微生物极易分解的基质.一半以上的土壤微生物和酶活性与LFOM有关。LFOM的分解速率为HFOM的2～11倍,故LFOM比土壤总有机质含量对耕作、施肥等农业生产措施的响应更快，更容易判断这些措施对土壤质量的影响。SOM分组方法---密度分组法土壤生物化学过程和养分循环•物理分组：颗粒分组：根据与有机质结合的各级土壤初级颗粒的大小将土壤有机质分作砂粒-OM(50μm)、粗粉砂粒-OM(20～50μm)、细粉砂粒-OM(2～20μm)、粗粘粒-OM(0.2～2μm)和细粘粒-OM(0.2μm)。砂粒有机质：主要是正在腐解的植物残体和微生物体，与砂粒没有形成有机-无机复合体,结构、组成、性质与LFOM相似。砂粒组中的有机质是其它各组有机质的源，土壤颗粒越细，得到腐殖化产物和根系分泌物的优先级越高。SOM分组方法---颗粒分组法土壤生物化学过程和养分循环（1）单糖、淀粉和简单蛋白质；（2）粗蛋白质；（3）半纤维素；（4）纤维素；（5）脂肪、蜡质等；（6）木质素。简单有机化合物的分解从易到难的排列次序为：土壤有机质转化和碳素循环---有机化合物的分解和转化土壤生物化学过程和养分循环矿化过程：mineralization土壤有机质在微生物的作用下被分解成二氧化碳和水，并释放出其矿质养分的过程。R—（C，4H，养分）+2O2→CO2+2H2O+能量+养分腐殖化过程：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。Decay:腐解Decomposition:分解土壤有机质转化和碳素循环---有机化合物的分解和转化酶氧化土壤生物化学过程和养分循环激发效应及其作用•土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解，这种作用称之为新鲜有机物对土壤有机质分解的激发作用，或激发效应（primingeffect)。•通常情况下，微生物生物量的增加超过了分解的腐殖质量，因此净效应是土壤有机质增加。土壤有机质转化和碳素循环---有机化合物的分解和转化土壤生物化学过程和养分循环土壤有机质转化和碳素循环---植物残体的分解和转化土壤生物化学过程和养分循环第一阶段是，加入土壤后的头几个月，植物残体很快矿化，这主要是植物残体中的可溶性有机化合物以及部分类似的有机物所引起的。第二阶段是，第一阶段未受多大程度分解的木质素、蜡质等，相对缓慢分解。各种植物残体在土壤中的分解过程:土壤有机质转化和碳素循环---植物残体的分解和转化土壤生物化学过程和养分循环土壤有机质转化和碳素循环---土壤腐殖物质的分解和转化1.芳香结构核心与其复合的简单有机物分离，或是整个复合体解体。2.释放的简单有机物质被分解（矿化）和转化，酚类聚合物被氧化。3.脂肪酸被分解，被释放的芳香族化合物（如酚类）参与新腐殖质的形成。土壤生物化学过程和养分循环进入土壤的有机残体经过一年降解后，三分之二以上的有机物质以二氧化碳的形式损失掉，残留在土壤中的有机质不到三分之一，其中：腐殖物质占10-30%。土壤微生物生物量占3-8%，多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质占3-8%，土壤有机质转化和碳素循环---植物残体分解速度土壤生物化学过程和养分循环有机质的分解与合成示意图•化学稳定性：芳香环结构，多酚-蛋白质复合体可溶态团聚体胶体态团聚体沉淀态团聚体土壤有机质转化和碳素循环---土壤有机C的稳定性机制土壤生物化学过程和养分循环黑碳(BlackCarbon)•土壤中存在的因植物材料和燃料不完全燃烧产生的含碳化合物的混合物，从部分焦化的物质到完全石墨化的烟灰。BlackcarbonHowmuchBCinsoil?1/31/210~4015%40~70土壤有机质对植物生长的作用提供植物需要的养分增强土壤的保肥性和缓冲性改善土壤物理性状改善土壤生物生活的环境直接刺激作用土壤生物化学过程和养分循环•有机态N占土壤全N的92%～98％，有机态N的矿化作用是决定土壤向植物供N能力大小的物质基础，即使是使用N肥的土壤,作物吸收的氮素中也有50%～70％是来自土壤。土壤有机质对植物生长的作用---提供植物需要的N养分土壤生物化学过程和养分循环•有机态磷，一般占土壤全磷的20%～50％。有机态P是暂时固定在有机质中,随着有机质的分解又可释放出来变成速效P,这要比“固定”成难溶性盐类要好得多。所以，有机质是土壤速效P的重要来源之一。•增加矿质磷的溶解度。有机质在转化过程中，可以形成一些有机酸类，提高磷的有效性。土壤有机质对植物生长的作用---提供植物需要的P养分土壤生物化学过程和养分循环•其它营养元素，如K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等，这些有机态的营养元素，经过微生物的分解，都可以转化为简单的无机盐的形式被作物吸收利用。•腐殖酸，尤其是富里酸，及其他的有机酸类，与土壤中的金属元素相结合或螯合作用，可防止这些金属元素如Cu、Zn等生成沉淀，提高其有效性。•有机酸可促进土壤矿物的风化，溶解出其养分。土壤有机质对植物生长的作用---提供植物需要的其他养分土壤生物化学过程和养分循环对阳离子的吸附作用：•腐殖物质所带电荷以负电荷为主，可以吸附K+、NH4+、Ca2+、Mg2+等。•在矿质土壤中，腐殖物质对阳离子吸附量的贡献占20-90%，•在保肥力很弱的砂性土壤中腐殖物质的这一作用显得尤为突出。土壤有机质对植物生长的作用---增强土壤的保肥性和缓冲性土壤生物化学过程和养分循环减轻酸性土壤中铝的毒害：•有机质通过与单体铝的复合，降低土壤交换性铝的含量。降低磷的固定而增加土壤中磷的有效性和提高磷肥的利用率。增加土壤微量元素的有效性。土壤有机质对植物生长的作用---增强土壤的保肥性和缓冲性土壤生物化学过程和养分循环•缓冲土壤的酸碱变化•腐殖酸本身是一种弱酸,腐殖酸和其腐殖酸盐类本身就可组成一个缓冲体系，它可以缓冲土壤溶液中H+浓度的变化，使土壤具有一定的缓冲能力。土壤有机质对植物生长的作用---增强土壤的保肥性和缓冲性土壤生物化学过程和养分循环•促进良好结构的形成•改善土壤耕性•对土壤热性质的影响土壤有机质对植物生长的作用---改良土壤物理性状土壤生物化学过程和养分循环highlow土壤有机C与团聚体数量•为土壤异养微生物生命活动提供养分和能量•保护酶的活性，增强酶的稳定性，防止酶被蛋白酶或酶钝化剂降解，从而直接影响土壤养分转化的生物化学过程。土壤有机质对植物生长的作用---改善土壤生物生活的环