第四章-土壤有机质..

第四章土壤有机质有机质是土壤的重要组成部分在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面都有着很重要的作用和意义一方面它含有植物生长所需要的各种营养元素，是土壤微生物生命活动的能源，对土壤物理、化学和生物学性质都有着深刻的影响土壤有机质对重金属、农药等各种有机、无机污染物的行为都有显著的影响，而且土壤有机质对全球碳平衡起着重要作用，被认为是影响-全球“温室效应”，的主要因素土壤有机质指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，它包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质第一节土壤有机质的来源、含量及其组成一、土壤有机质的来源动、植物残体动、植物的分泌物和排泄物人为施入土壤中的各种有机肥料我国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凋落物干物质量16700kg/(hm2·年)亚热带常绿阔叶和落叶阔叶林暖温带落叶阔叶林温带针阔混交林寒温带针叶林荒漠植物二、土壤有机质的含量及其组成有机质的含量在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，称为矿质土壤土纲面积(103km2)0-100cm土层中有机碳0-15cm土层中有机碳Mg/hm2总量1015g占全球%范围%代表值%新成土149219914890.06-6.0-始成土21580163352220.06-6.0-有机土174520453572312-5747暗色土25523067851.2-106变性土3287581910.5-1.80.9旱成土317433511070.1-1.00.6软土54801317350.9-4.02.4灰化土48781467151.5-5.02.0淋溶土182836912780.5-3.81.4老成土113309310570.9-3.31.4氧化土1177210111980.9-3.02.0其它764424181--总计1352151576100表2-1全球土壤0-100cm和0-15cm土层中有机碳含量土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N，分别占52％-58％、34％-39％、3.3％-4.8％和3.7％-4.1％，其次是P和S，C/N比大约在10左右。土壤有机物质中主要的化合物组成是类木质素和蛋白质，其次是半纤维素、纤维素以及乙醚和乙醇可溶性化合物。与植物组织相比，土壤有机质中木质素和蛋白质含量显著增加，而纤维素和半纤维素含量则明显减少土壤腐殖质非腐殖物质Non-humicsubstances腐殖物质Humicsubstances土壤腐殖质(humus)是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腐殖物质是经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类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子有机化合物。它是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，一般占土壤有机质的60％-80％第二节土壤有机质的分解和转化一、简单有机化合物的分解和转化有机化合物进入土壤后，一方面在微生物酶的作用下发生氧化反应，彻底分解而最终释放出二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫等营养元素在一系列特定反应后，释放成为植物可利用的矿质养料，这一过程称为有机质的矿化过程R-(C,4H)+2O2→CO2+2H2O+能量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在碳水化合物中，糖和淀粉容易降解，终端产物是二氧化碳和水，而纤维素和半纤维素不容易降解。蛋白质比较容易降解，降解产物除二氧化碳和水以外，还有甘氨酸(CH2NH2COOH)、半光氨酸(CH2HSCHNH2COOH)等氨基酸，这些含氮和硫的化合物进一步降解最后还产生NH4+、NO3-、S042-等简单无机离子，木质素是一类复杂的酚类聚合物，比碳水化合物要稳定得多，容易在土壤中积累有机化合物的分解从易到难的排列次序为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02468101214时间/年酚10(5)木质素50(40)蜡25(5)纤维素75(20)半纤维素90(15)糖类99(15)SM10050101剩余率(%)在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用进行得较快，最后大部分有机物质变成CO2和H20，而N、P、S等则以NH4+、NO3-、HP042-、H2P04-、S042-等矿质盐类释放出来。但在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分解作用进行得既慢又不彻底，这样有机质消失得较慢而在土壤中大量积累，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。在极嫌气的情况下，还产生CH4、H2等还原物质，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利有机化合物在嫌气条件下的分解过程可以丙酸为例用下列式子来表示：4C2H5COOH+2H2O4CH3COOH+CO2+CH4CH3COOHCO2+CH4CO2+4H22H2O+CH4但无论是在好氧条件还是在嫌氧条件下，有机物质降解的终端产物主要是二氧化碳，二氧化碳的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生物活性的重要指标。二、影响土壤有机质分解和转化的因素有机质是土壤中最活跃的物质组成。一方面，外来有机物质不断地输入土壤，并经微生物的分解和转化形成新的腐殖质；另一方面，土壤原有有机质不断地被分解和矿化，离开土壤。进入土壤的有机物质主要由每年加入土壤中动植物残体的数量和类型决定，而土壤有机质的损失则主要取决于土壤有机质的氧化及土壤侵蚀的程度。进人土壤的有机物质与有机碳从土壤中损失之间的平衡决定了土壤有机质的含量。凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的分解和转化1、温度温度影响到植物的生长和有机质的微生物降解。一般说来，在0C以下，土壤有机质的分解速率很小。在0-35℃温度范围内，提高温度能促进有机物质的分解，加速土壤微生物的生物周转。温度每升高10C，土壤有机质的最大分解速率提高2-3倍。一般土壤微生物活动的最适宜温度范围约为25-35C，超出这个范围，微生物的活动就受到明显的抑制2、土壤水分土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的。土壤中微生物的活动需要适宜的土壤含水量，但过多的水分导致进入土壤的氧气减少，从而改变土壤有机物质的分解过程和产物。当土壤处于嫌气状态时，大多数分解有机质的好氧微生物停止活动，从而导致未分解有机质的积累。植物残体分解的最适水势在-0.03-0.1MPa之间，当水势降到-0.3MPa以下，细菌呼吸作用迅速降低，而真菌一直到-4--5MPa时可能还有活性3、通气状况土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响。干湿交替作用使土壤呼吸强度在很短时间内大幅度地提高，并使其在几天内保持稳定的土壤呼吸强度，从而增加土壤有机质的矿化作用。另一方面干湿交替作用会引起土壤胶体，尤其是蒙脱石、蛭石等粘土矿物的收缩和膨胀作用，使土壤团聚体崩溃，其结果一是使原先不能被分解的有机物质因团聚体的分散而能被微生物分解；二是干燥引起部分土壤微生物死亡4、植物残体的特性新鲜多汁的有机物质比干枯稿秆易于分解，有机物质的细碎程度影响其与外界因素的接触面，而影响其矿化速率。有机物质组成的碳氮比(C/N)对其分解速度影响很大。植物体的C/N变异很大，豆科植物和幼叶的C/N在10：1到30:1，而一些植物锯屑的C/N可高达600:1。这与植物种类、生长时期、土壤养分状况等有关5、土壤特性土壤质地在局部范围内影响土壤有机质的含量。土壤有机质的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关，粘质和粉砂质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。腐殖质与粘粒胶体结合形成的粘粒一腐殖质复合体，可防止有机质遭受分解，免受微生物的破坏。土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。各种微生物都有其最适宜于活动的pH范围，大多数细菌活动的最适pH，在中性附近(pH6.5-7.5)，放线菌的最适pH略偏向碱性一侧，而真菌则最适于酸性条件下(pH3-6)活动。pH过低(5.5)或过高(8.5)对一般的微生物都不大适宜。102030405060708090100X/kg·m-2沼泽K=0.01K=0.1K=1热带雨林草地落叶林针叶林冻原I/(kg·m-2)402第三节土壤腐殖物质的形成和性质一、土壤腐殖物质的形成土壤腐殖物质的形成过程称为腐殖化作用。腐殖化作用是一系列极端复杂过程的总称，其中主要的是由微生物为主导的生物和生物化学过程，还有一些纯化学的反应第一阶段是植物残体分解产生简单的有机碳化合物第二阶段是通过微生物对这些有机化合物的代谢作用及反复的循环，增殖微生物细胞第三阶段是通过微生物合成的多酚和醌或来自植物的类木质素，聚合形成高分子多聚化合物，即腐殖物质土壤腐殖物质的形成过程土壤腐殖物质一粘土矿物复合体二、土壤腐殖酸的分组腐殖物质是一类组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物，其主体是各种腐殖酸及其与金属离子相结合的盐类，它与土壤矿物质部分密切结合形成有机无机复合体，因而难溶于水腐殖物质不溶性腐殖物质（胡敏素）可溶性腐殖物质沉淀物（胡敏酸）溶液（富啡酸）四、土壤腐殖酸的性质1、腐殖酸的物理性质腐殖酸的分子量因土壤类型及腐殖酸组成的不同而异，变动范围为几至几百万之间同一土壤中，富啡酸的平均分子量最小，胡敏素的平均分子量最大，胡敏酸则处于富啡酸和胡敏素之间大小与形态土壤胡敏酸的直径范围在1-0.001m之间，富啡酸则更小些腐殖酸分子可能均为短棒形。芳香基和烷基结构的存在使得腐殖酸分子具有伸曲性，分子结构内部有很多交联构造，物理性空隙能凹陷一些有机和无机化合物。腐殖酸的整体结构并不紧密，整个分子表现出非晶质特征，具有较大的比表面积，高达2000m2/g，远大于粘土矿物和金属氧化物的表面积腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位重量腐殖物质的持水量是硅酸盐粘土矿物的4-5倍，最大吸水量可以超过其本身重量的500％颜色腐殖物质的整体呈黑色，而其不同组分腐殖酸的颜色则略有深浅之别。富啡酸颜色较淡，呈黄色至棕红色，而胡敏酸的颜色较深，为棕黑色至黑色，这是由于它们各自的分子量的大小和发色基团组成及其比例不同所引起的。腐殖酸的光密度与其分子量大小和分子的芳构化程度大体呈正相关2、腐殖酸的化学性质腐殖酸的主要元素组成是碳、氢、氧、氮、硫，此外还含有少量的钙、镁、铁、硅等灰分元素。不同土壤中腐殖酸的元素组成不完全相同，有的甚至相差很大。腐殖质含碳55％-60％，平均为58％，氮3％-6％，平均为5.6％，C/N比值为10:1-12:1腐殖酸分子中含各种功能基。其中主要是含氧的酸性功能基，包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基(R-COOH)和酚羟基(酚-OH)，其中羧基是最重要的功能基团。此外，腐殖物质中还存在一些中性和碱性功能基，中性功能基主要有醇羟基(R-CH2-OH)、醚基(R-CH2-O-H2-R)、酮基(R-C=O(-R))、醛基(R-C=O(—H))和酯(R-C=O(-OR))，碱性功能基主要有胺(R-CH2-NH2)和酰胺(R-C=O(-NH-R))。富啡酸的羧基和酚羟基含量以及羧基的解离度均较胡敏酸高，醌基较胡敏酸低；胡敏素的醇羟基比富啡酸和胡敏酸高，但富啡酸中羰基含量最高。我国各主要土壤中胡敏酸的羧基含量在270～480cmol/kg之间，醇羟基在220-430cmol/kg，醌基在90-189cmo1/kg之间。富啡酸的羧基含量为640-850cmol/kg，是胡敏酸的2倍左右，富啡酸的醇羟基和醌基的含量分别在500-600和50-60cmol/kg之间。以单位重量计算，腐殖酸因带负电荷而产生的阳离子交换量(CEC)为500-1200cmol(+)/kg，以单位体积计算，CEC为40-80cmol(+)/L，远超过土壤硅酸盐粘土矿物对土壤CEC的贡献。3、腐殖酸的分子结构特征腐殖酸是高分子聚合物，其分子结构十分复杂，是由脂肪族和芳香族结构成分聚合而成的高分子化合物第四节土壤