第2章土壤有机质 土壤有机质是土壤固相的组成分之一,尽管土壤有机质仅占士壤重量 的很小-部分,但在土壤肥力、环境保护和农业可持续发展方面鹕 有十分重要的作用和意义。 ·土壤有机质含量变异性大(30%,通常将表层有机质含 量>20%的土壤称为有机质士壤,将表层有机质含量<20%的士壤称 为矿质土壤。 侯光炯教授:土壤是一个活的“有机体”,其中矿物质骨骼,有机质 肌肉,孔隙—血管,水分一血液 I.土壤有机质的来源及组成 ·工.土壤有机质的转化 ·Ⅲ.土壤腐殖物质及其性质 ·Ⅳ.土壤有机质的作用 ·V.土壤有机质的平衡与调控 1.土壤有机质的来源及组成 一、土壤有机质的来源 ·二、土壤有机质的组成 ·土壤有机质的元素组成
第2章 土壤有机质 • 土壤有机质是土壤固相的组成分之一，尽管土壤有机质仅占土壤重量 的很小一部分，但在土壤肥力、环境保护和农业可持续发展方面却具 有十分重要的作用和意义。 • 土壤有机质含量变异性大（30%)，通常将表层有机质含 量>20%的土壤称为有机质土壤，将表层有机质含量<20%的土壤称 为矿质土壤。 • 侯光炯教授：土壤是一个活的“有机体”，其中矿物质—骨骼，有机质 —肌肉，孔隙—血管，水分—血液。 • Ⅰ. 土壤有机质的来源及组成 • Ⅱ. 土壤有机质的转化 • Ⅲ. 土壤腐殖物质及其性质 • Ⅳ. 土壤有机质的作用 • Ⅴ. 土壤有机质的平衡与调控 Ⅰ. 土壤有机质的来源及组成 • 一、土壤有机质的来源 • 二、土壤有机质的组成 • 土壤有机质的元素组成
·土壤有机质的元素组成 主要元素组成为c(5258%)、O(34-3%%)、H(3.3-4.8%) 利N(374.1%),其次为P和s,CN≈10。 ·土壤有机质的化合物组成 主要化合物组成是木质素和蛋白质,其次是半纤维素、纤维素、乙醚 和乙醇可溶性化合物(其中木质素和蛋白质高于植物组织,半纤维素 和纤维素则明显降低)。 l土壤有机质的转化 基本概念 矿质化作用与矿质化系数 ·矿质化作用(有机质分解过程) 土壤中的有机物质在微生物作用下分解为简单化合物,并释放出矿质 养分和能量的过程。 ·矿质化系数(有机质分解速率) 土壤中每年因矿化作用而分解的有机质数量占土壤有机质总量的百 分数。 ·腐殖化作用与腐殖化系数 ·腐殖化作用(腐殖质形成过程)
• 土壤有机质的元素组成 • 主要元素组成为C（52-58%）、O（34-39%）、H（3.3-4.8% ） 和N（3.7-4.1%），其次为P和S，C/N≈ 10。 • 土壤有机质的化合物组成 • 主要化合物组成是木质素和蛋白质，其次是半纤维素、纤维素、乙醚 和乙醇可溶性化合物（其中木质素和蛋白质高于植物组织，半纤维素 和纤维素则明显降低）。 Ⅱ. 土壤有机质的转化 • 一、基本概念 • 矿质化作用与矿质化系数 • 矿质化作用（有机质分解过程） • 土壤中的有机物质在微生物作用下分解为简单化合物，并释放出矿质 养分和能量的过程。 • 矿质化系数（有机质分解速率） • 土壤中每年因矿化作用而分解的有机质数量占土壤有机质总量的百 分数。 • 腐殖化作用与腐殖化系数 • 腐殖化作用（腐殖质形成过程）
·土壤中的有机质在微生物作用下形成具有复杂结构、高分孑的腐殖质 的过程。 ·腐殖化系数(腐殖质形成速率) 单位重量新鲜有机质加入土壤后在微生物作用下所能形成腐殖质的 重量 ·二、土壤有机质的矿质化 简单有机化合物的矿质化 ·矿质化难易-淀粉、单糖、简单蛋白质>粗蛋白质>半纤维素>纤维 素>脂肪、蜡质等>木质素 ·1.糖类分解 ·单糖>淀粉>半纤维素>纤维素 ·2.脂肪、蜡质、单宁等分解 此类物质较难分解,分解速度较慢且不彻底。 ·3.木质素分解 ·木质素是土壤中最难分解的一类简单有机化合物,在好气条件下,主 要通过真菌和放线菌作用,先氧化脱水,再缓慢降解(降解过程伴随 甲氧基减少、酚基増加、岀现羧基并酸化),嫌气条件下分解极慢 ·4.含氮有机化合物分解
• 土壤中的有机质在微生物作用下形成具有复杂结构、高分子的腐殖质 的过程。 • 腐殖化系数（腐殖质形成速率） • 单位重量新鲜有机质加入土壤后在微生物作用下所能形成腐殖质的 重量。 • 二、土壤有机质的矿质化 • 简单有机化合物的矿质化 • 矿质化难易--淀粉、单糖、简单蛋白质>粗蛋白质>半纤维素>纤维 素>脂肪、蜡质等>木质素 • 1. 糖类分解 • 单糖>淀粉>半纤维素>纤维素 • 2. 脂肪、蜡质、单宁等分解 • 此类物质较难分解，分解速度较慢且不彻底。 • 3. 木质素分解 • 木质素是土壤中最难分解的一类简单有机化合物，在好气条件下，主 要通过真菌和放线菌作用，先氧化脱水，再缓慢降解（降解过程伴随 甲氧基减少、酚基增加、出现羧基并酸化），嫌气条件下分解极慢。 • 4. 含氮有机化合物分解
·除腐殖质外,其它含氮有机化合物(蛋白质、核酸、氨基糖、有机碱 尿素)在土壤中均分解迅速 ·5.含硫有机化合物分解 ·6含磷有机化合物分解 ·三、土壤有机质的腐殖化 ·腐殖化是一系列极其复杂的过程的总称,主要是由微生物为主导的生 物和生物化学过程以及一些纯化学反应的过程,其整个作用过程目前 尚未定论 ·四、影响土壤有机质转化的因素 ·内在因素 1残体的物理状态 ·新鲜多汁孺体>干枯体,幼嫩组织残体>老化組组织残体,粉碎残体> 未粉碎残体 ·2残体的物质组成 ·残体中易分解化合物成分越多,越易于矿质化,但不利腐殖化 ·3残体的c/N比 ·据研究,微生物每同化1份N构成微生物机体,约需24份C (c/N=24/1)
• 除腐殖质外，其它含氮有机化合物（蛋白质、核酸、氨基糖、有机碱、 尿素）在土壤中均分解迅速。 • 5. 含硫有机化合物分解 • 6.含磷有机化合物分解 • 三、土壤有机质的腐殖化 • 腐殖化是一系列极其复杂的过程的总称，主要是由微生物为主导的生 物和生物化学过程以及一些纯化学反应的过程，其整个作用过程目前 尚未定论。 • 四、影响土壤有机质转化的因素 • 内在因素 • 1.残体的物理状态 • 新鲜多汁残体>干枯残体，幼嫩组织残体>老化组织残体，粉碎残体> 未粉碎残体 • 2.残体的物质组成 • 残体中易分解化合物成分越多，越易于矿质化，但不利于腐殖化。 • 3.残体的C/N比 • 据研究，微生物每同化1份 N 构成微生物机体，约需24份 C （C/N=24/1）
·当植物残体的C/N25/1时,微生物降解植物残体过程中释放的素 充足,而N素不能满足微生物同化机体的需要,则要么出现微生物繁 殖和植物残体的分解作用受到抑制,要么出现微生物与植物争夺土壤 中的N素而导致土壤速效N的下降 ·激发效应 土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解正激发效 应 ·外在(环境)因素 ·1.土壤含水量和通气性 ·土壤含水量适当通气良好,微生物活动旺,有利于有机质的降解。 ·2.土壤温度 土壤微生物活动最适宜的温度为25--30℃,0-30℃范围内,有机 质的分解随温度的升高而加快。 ·3.土壤pH 微生物最适宜的士壤pH:细菌为65-75,放线菌偏碱性,真菌为
• 当植物残体的C/N25/1时，微生物降解植物残体过程中释放的C素 充足，而N素不能满足微生物同化机体的需要，则要么出现微生物繁 殖和植物残体的分解作用受到抑制，要么出现微生物与植物争夺土壤 中的N素而导致土壤速效N的下降。 • 激发效应 • 土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解—正激发效 应 • 外在（环境）因素 • 1. 土壤含水量和通气性 • 土壤含水量适当，通气良好，微生物活动旺盛，有利于有机质的降解。 • 2. 土壤温度 • 土壤微生物活动最适宜的温度为25--30℃，0--30 ℃ 范围内，有机 质的分解随温度的升高而加快。 • 3.土壤pH • 微生物最适宜的土壤pH：细菌为6.5--7.5, 放线菌偏碱性，真菌为
3-6,土壤pH过低(8.5)均不利于孑微生物活动和有 机质的降解 ·4.士壤质地 ·砂质土有利于士有机质的分解,粘质土则有利于土壤有机质的积累 和腐殖质的形成 5.其它因素 土壤盐分浓度>0.2%、重金属和芳香族化合物含量过高,微生物活动 受抑制,有机质分解也必然受景响。 Ⅲ.土壤腐殖物质及其性质 土壤腐殖物质的组分及其分离 土壤腐殖物质的组分 ·土壤腐殖物质的分离 ·(1)腐殖物质与土壤矿物质紧密结合而形成有机无机复合体,不易 分离。(2)腐殖物质与非腐殖物质紧密结合,难于分离。(3)任何 提取溶剂均会引起土壤腐殖物质某种程度的变性。 ·二、土壤腐殖物质的结构 土壤腐殖物质的结构特征 ·腐殖酸是高分孑聚合物,其分孑结构十分复杂,目前对其结构的认识
3--6，土壤pH过低（8.5)均不利于微生物活动和有 机质的降解。 • 4.土壤质地 • 砂质土有利于土壤有机质的分解，粘质土则有利于土壤有机质的积累 和腐殖质的形成。 • 5. 其它因素 • 土壤盐分浓度>0.2%、重金属和芳香族化合物含量过高，微生物活动 受抑制，有机质分解也必然受影响。 Ⅲ. 土壤腐殖物质及其性质 • 一、土壤腐殖物质的组分及其分离 • 土壤腐殖物质的组分 • 土壤腐殖物质的分离 • （1）腐殖物质与土壤矿物质紧密结合而形成有机无机复合体，不易 分离。（2）腐殖物质与非腐殖物质紧密结合，难于分离。（3）任何 提取溶剂均会引起土壤腐殖物质某种程度的变性。 • 二、土壤腐殖物质的结构 • 土壤腐殖物质的结构特征 • 腐殖酸是高分子聚合物，其分子结构十分复杂，目前对其结构的认识
还很不清楚 ·腐殖酸结构=芳香族结构+脂肪族则链 三、土壤腐殖物质的性质 ·腐殖酸的物理性质 ·分子量高分孑化合物,数均分子量=675~2550 形状非晶质,因溶液pH、浓度而呈线状~球状 ·直径大小-<1微米。 比表面一远大于粘土矿物,高达2000平方米克 ·带电性两性胶体,通常带负电荷。 ·吸水性亲水胶体,具强大的吸水前力,最大吸水量可超过其本身重 量的500% 颜色黄色~黑色 ·腐殖酸的化学性质 元素组成 ·土壤腐殖酸的主要元素组成:CH、O、N、S、P等。 ·土壤腐殖酸的其它元素组成:Ga、Mg、Fe、Sl等。 含c量=55~668%(58%)含N量=13~6%(5.6%) 含o量=32~38%(35%)含H量=3.1~7.0%(60%)
还很不清楚。 • 腐殖酸结构=芳香族结构+脂肪族侧链 • 三、土壤腐殖物质的性质 • 腐殖酸的物理性质 • 分子量—高分子化合物，数均分子量=675～2550。 • 形状—非晶质，因溶液pH、浓度而呈线状～球状。 • 直径大小--<1微米。 • 比表面—远大于粘土矿物，高达2000平方米/克。 • 带电性—两性胶体，通常带负电荷。 • 吸水性—亲水胶体，具强大的吸水能力，最大吸水量可超过其本身重 量的500% • 颜色—黄色～黑色 • 腐殖酸的化学性质 • 元素组成 • 土壤腐殖酸的主要元素组成：C、H、O、N、S、P等。 • 土壤腐殖酸的其它元素组成：Ca、Mg、Fe、Si等。 • 含C量=55～66.8%（58%） 含N量=1.3～6%（5.6%） • 含O量=32～38%（35%） 含H量=3.1～7.0%(6.0%)
平均CN=10:1~121 平均C:N:PS=100101:1~1201011 ·功能基团 ·含氧酸性功能基团:羧基(R-COoH)、酚羟基〔酚-OH) ·中性功能基团:醇羟基(R-CHz-OH)、醚基(R-CH2-O-CHz2R)、 酮基(R-C=0(-R))、醛基 R-C=0(-H))和酯基(R-C=0(OR))。 ·碱性功能基团:胺基(R-CHz-NH2)和酰胺基〔R-C=O(-NH-R))。 ·阳离子代换量(cEC) 以单位重量计算,CEC=500-1200cmoJ/kg,以单位体积计算 cEC=40-80cmol/L。 Ⅳ.土壤有机质的作用 有机质在土壤肥力上的作用 ·提供土壤微生物活动所需的碳素和能量 ·每亩施用干物质含量为20%的绿肥1500kg,可向土壤输入能量 12-1.5×10千卡,相当于200-250kg的无烟煤。 ·提供植物生长所需的矿质养分 ·我国士壤中80%以上的N、20-76%的P以有机态存在,随着土壤有
• 平均C:N=10:1～12:1 • 平均C:N:P:S=100:10:1:1～120:10:1:1 • 功能基团 • 含氧酸性功能基团：羧基（R-COOH）、酚羟基（酚-OH） • 中性功能基团：醇羟基（R-CH2-OH）、醚基（R- CH2-O-CH2-R）、 酮基（R-C=O（-R））、醛基 （R-C=O（-H））和酯基（R-C=O（-OR））。 • 碱性功能基团：胺基（R-CH2-NH2）和酰胺基（R-C=O（-NH-R））。 • 阳离子代换量（CEC） • 以单位重量计算，CEC=500--1200cmol/kg,以单位体积计算， CEC=40--80cmol/L。 Ⅳ. 土壤有机质的作用 • 一、有机质在土壤肥力上的作用 • 提供土壤微生物活动所需的碳素和能量 • 每亩施用干物质含量为20%的绿肥1500kg，可向土壤输入能量 1.2-1.5×106千卡，相当于200-250kg的无烟煤。 • 提供植物生长所需的矿质养分 • 我国土壤中80%以上的N、20-76%的P以有机态存在，随着土壤有
机质的矿化而逐渐释放,此外,有机质还含有植物生长所需的其它矿 质元素。 ·促进土壤养分的有效化 有机质分解过程中产生的有机酸,通过酸溶作用可促进矿物的风化和 养分释放,通过络合作用可增加矿质养分的有效性。 提高土壤的保肥供肥性和酸碱缓冲性 ·腐殖质的cEC是粘土矿物的20-30倍,在矿质土壤中腐殖质对阳离子 代换量的贡献占20-90%,故增加士壤腐殖质可显著提高土壤的保肥 供肥性(尤其是我国南方士壤和砂质土)。 腐殖酸是含有许多酸性功能团的弱酸,可通过酸基解离和胺基质孑化 提高土壤的酸碱缓冲性。 ·改善土壤的物理性状 腐殖质在土壤团聚体形成及其稳定性方面具有重要的作用,可促进良 好结构体〔团粒)的形成,从而改善土壤的通气性、透水性、蓄水性 及耕性 ·腐殖质是一种亲水胶体,增加腐殖质含量可提高士壤的保水性 ·腐殖质是一种暗褐色物质,增加腐殖质含量可加深土壤颜色,促进土 壤对太阳辐射能的吸收,从而改善土壤的热特性
机质的矿化而逐渐释放，此外，有机质还含有植物生长所需的其它矿 质元素。 • 促进土壤养分的有效化 • 有机质分解过程中产生的有机酸，通过酸溶作用可促进矿物的风化和 养分释放，通过络合作用可增加矿质养分的有效性。 • 提高土壤的保肥供肥性和酸碱缓冲性 • 腐殖质的CEC是粘土矿物的20-30倍，在矿质土壤中腐殖质对阳离子 代换量的贡献占20-90%，故增加土壤腐殖质可显著提高土壤的保肥 供肥性（尤其是我国南方土壤和砂质土）。 • 腐殖酸是含有许多酸性功能团的弱酸，可通过酸基解离和胺基质子化 提高土壤的酸碱缓冲性。 • 改善土壤的物理性状 • 腐殖质在土壤团聚体形成及其稳定性方面具有重要的作用，可促进良 好结构体（团粒）的形成，从而改善土壤的通气性、透水性、蓄水性 及耕性 • 腐殖质是一种亲水胶体，增加腐殖质含量可提高土壤的保水性。 • 腐殖质是一种暗褐色物质，增加腐殖质含量可加深土壤颜色，促进土 壤对太阳辐射能的吸收，从而改善土壤的热特性
其它作用 腐殖酸是一类生理活性物质,可加速种孑发芽、增强根系活力,促进 作物生长发育,此外,也可刺激微生物活动、提高土壤酶活性,促进 土壤养分的转化。 二、有机质在生态环境上的作用 有机质与重金属离子的作用 ·土壤有机质对重金属离孑的络合作用对士壤和水体中重金属离孑子的 固定和迁移具有极其重要且复杂的景响,络合作用的结果既可提高某 些重金属离子的活性和移动性,也可降低某些重金属离孑的活性和移 动性 ·腐殖质通过氧化还原作用,可改变重金属的邢态,从而降低其毒性: Cr6还原为cr3+,V5+(钒)还原为4+,Hg2还原为Hg,U+(铀) 还原为U4 土壤有机质对农药等有机污染物的固定作用 ·土壤有机质对农药等有机污染物具有强烈的亲和力,从而影响有机污 染物在土壤中的生物活性、残留、降解、迁移和蒸发等(如富啡酸可 促进农药从土壤向地下水迁移)。 腐殖质作为还原剂而改变农药的结构,使其毒性降低或消失
• 其它作用 • 腐殖酸是一类生理活性物质，可加速种子发芽、增强根系活力，促进 作物生长发育，此外，也可刺激微生物活动、提高土壤酶活性，促进 土壤养分的转化。 • 二、有机质在生态环境上的作用 • 有机质与重金属离子的作用 • 土壤有机质对重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的 固定和迁移具有极其重要且复杂的影响，络合作用的结果既可提高某 些重金属离子的活性和移动性，也可降低某些重金属离子的活性和移 动性。 • 腐殖质通过氧化还原作用，可改变重金属的形态，从而降低其毒性： Cr6+还原为Cr3+，V5+ （钒）还原为V4+ ，Hg2+还原为Hg ，U6+ （铀） 还原为U4+ 。 • 土壤有机质对农药等有机污染物的固定作用 • 土壤有机质对农药等有机污染物具有强烈的亲和力，从而影响有机污 染物在土壤中的生物活性、残留、降解、迁移和蒸发等（如富啡酸可 促进农药从土壤向地下水迁移）。 • 腐殖质作为还原剂而改变农药的结构，使其毒性降低或消失