第二章土壤有机质课件.ppt

第二章 土壤有机质,概念：土壤有机质(soil organic matter) 指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，包括各种动植物残体、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,微生物 植物来源 动物来源 工农业副产品,一、土壤有机质的来源,二、土壤有机质的含量及组成,1、有机质含量 一般含量在0-5%之间。 泥炭土可高达20%或30%以上 漠境土和砂质土壤不足0.5%,耕层土壤有机质含量20%的，有机质土壤；耕层土壤有机质含量20%的，矿质土壤。,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,2、有机质的组成,(1) 化学元素组成 土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N，分别占52-58、34-9、3.3-4.8，3.7%-4.1%。 其次是P和S。 C/N比大约在10左右。,(2) 化合物组成,土壤有机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。,1）非腐殖质： 新鲜动植物残体-未分解的生物遗体 半分解有机残体-经微生物部分分解作用，已破坏原始形态和结构。,可机械分离，占10-15%，基本组成部分，作物养分重要来源，形成腐殖质的原料,(3) 存在形态：,2）腐殖质（humus）：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,不可机械分离，占85-90%，主要成分，作物营养主要物质，改良土壤性质,肥力水平主要标志.,腐殖质可分为:非腐殖物质 （Non-Humic Substance)：有特定物理化学性质、结构已知的有机化合物。占腐殖质的20-30%。来自微生物改变的植物化合物/微生物合成的有机物质。腐殖物质 （Humic Substance)：经微生物作用后，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型高分子有机化合物。占土壤有机质60-80%。,第二节 土壤有机质的分解和转化,图4-1 有机质的分解与合成示意图,矿化作用(Mineralization)* 土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。,矿化过程与腐殖化过程,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。,根据分解的难易程度,活性库 （active pool）：微生物生物量有机质、微粒有机质、部分易分解富啡酸、多糖等非腐殖物质；,缓效库 （slow pool）：木质素等不易分解化合物含量较高的微粒有机质；,惰性库 （passive pool）：长期稳定存在，粘土矿物-腐殖质复合体中的腐殖质、大部分胡敏酸和胡敏素。,一、简单有机化合物的分解和转化,在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质-CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。 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，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。 在极端嫌气的情况下，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。,有机化合物分解的差异,单糖、淀粉和简单蛋白质,粗蛋白质,纤维素,脂肪、蜡质,木质素、酚类化合物,有机质分解由易而难的递进,半纤维素,二、植物残体的分解和转化,植物残体在土壤中的分解过程可分为两个阶段： 第一阶段：快速矿化，易分解组分；第二阶段：缓慢分解，难分解组分。,据估计，有机残体经一年降解后，2/3以上的有机质以CO2形式释放而损失，残留的有机质不到1/3，其中土壤微生物量占3-8%；多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质占3-8%；腐殖物质占10-30%。 根系年残留量比地上部分稍高。,三、土壤腐殖物质的分解和转化,腐殖物质的分解转化经历3个阶段： 第一阶段：腐殖物质经物理、化学和生物降解，使芳香结构核心与其复合的简单有机物分离或使整个复合体解体；第二阶段：释放的简单有机物质被分解转化，酚类聚合物被氧化；第三阶段：脂肪酸被分解，被释放的芳香族化合物参与新腐殖质的形成。,四、影响土壤有机质分解和转化的因素,（一）温度（二）土壤的水分和通气状况（三）有机残体的特性（四）土壤特性,（一）温度,微生物活动响应于温度变化 无分解：0 ； 分解随温度而加强：0-35 ； 升温10 ，分解速率提高23倍； 最适分解温度：2535 ,微生物适宜的含水量 0.3MPa, 分解迅速降低； 4MPa, only fungi 频繁的干湿交替，强烈促进分解。,（二）土壤的水分和通气状况,通气良好：好气微生物活跃，好气分解，速度快，分解完全，矿化率高，中间产物累积少，利于植物吸收利用，不利于土壤有机质的累积和保存。通气不良：嫌气微生物活动旺盛，分解慢，不完全，矿化率低，中间产物容易积累，产生有毒还原气体，利于有机质积累和保存。 通气过盛和过差，都对土壤肥力不利。必须好气和嫌气分解配合，既保持适当的有机质水平，又有足够的有效养分。调节土壤通气状况，是提高土壤肥力的方法之一。,1、有机残体的物理状态：,（三）有机残体的特性,新鲜程度 破碎程度 紧实程度,一般情况下，多汁幼嫩新鲜的绿肥易分解。,3、有机残体的碳氮比： 用C/N 表示。 微生物吸收1份氮，就要吸收5份碳用于构成自身细胞，同时要消耗20份碳作为生命活动的能量。微生物分解需有机质的C/N为25：1。,2、有机残体的化学成分： 一般情况下，阔叶比针叶快；叶片比残根快，豆科比禾本科快。, C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中的有效氮，相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮，,（四）土壤特性,土壤质地：粘质和粉砂质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。砂质土壤较利于有机质分解，粘粒对有机质有保护作用，粘粒-腐殖质复合体可保护有机质免受分解。 土壤pH值：各种微生物具有其最适宜的pH值范围，中性土壤有利于有机质矿化，酸性土壤补钙-施石灰等于施肥。改良过酸过碱的土壤，对促进有机质的矿化有显著效果。,有机质的粘粒保护作用,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”。对其一般可分为3个阶段：第一阶段：植物残体分解产生简单的有机碳化合物；第二阶段：通过微生物对这些有机化合物的代谢作用和反复循环，增殖微生物细胞；第三阶段：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。,4条途径：,途径1：通过还原糖形成，糖和氨基酸经聚合作用形成棕色的含氮聚合物；途径2和3：多元酚理论途径4：Selman waksman的经典理论，即木质素-蛋白质理论。,（一）土壤腐殖质-粘土矿物复合体,二、土壤腐殖物质-粘土矿物-微生物的相互作用,土壤有机无机复合体示意图,（二）微生物与土壤有机质和粘土矿物之间的相互作用,土壤中80-90%的微生物粘附在各种矿物、有机质或矿物-有机物复合体表面，形成单个的微菌落或生物膜。 微生物体吸附于矿物、有机物表面后，其细胞代谢将会发生明显的变化，从而影响到土壤中与生物相关的一系列土壤环境过程。,（a）,三、土壤腐殖酸的分组,目前常用的提取剂（1）0.1M NaOH溶液（2）0.1M NaOH + 0.1M 焦磷酸钠混合提取液,水浮选、挑拣和静电吸附或重液（相对密度1.8或2.0）除去未分解和半分解的残体，这部分有机质称为轻组；留下的土壤中的称为重组。,腐殖质分组方法,吉马多美朗酸,乙醇溶解,腐殖物质的分组,四、土壤腐殖酸的性质,（一）物理性质1、颜色 黑褐色，富里酸呈淡黄色，胡敏酸呈褐色2、溶解性 富里酸溶于水、酸、碱； 胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱； 富里酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水； 胡敏酸的一价盐溶于水，但二价、三价盐几乎不溶于水。3、吸水性 最大吸水量可以超过500%4、胶体特性 土壤有机胶体的主要组成部分,（二）腐殖酸的化学性质,1、腐殖酸的元素组成由C、H、O、N、S等组成，还有Ca、Mg、Fe、Si等灰分元素；含C55-60%含N3-6%C/N平均为10:1-12:1,我国主要土壤腐殖酸的元素组成,习惯上以58%为其平均值，故计算有机质的含量时，一般以1.724为折算系数。,2、含氧官能团,羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。,表2-4 我国主要土壤表土中腐殖物质的含氧功能基cmol(+).kg-1,3、腐殖酸的络合性,络合物的稳定性随pH值的升高而增大。在pH4.8时能与Fe、Al、Ca等离子形成可溶性络合物，但在中性或碱性条件下会产生沉淀。,4、腐殖酸的电性,腐殖酸是一种两性胶体。即可以带负电荷，也可以带正电荷。而通常以带负电荷为主。腐殖质的负电荷数量随pH质的升高而升高。,（1）腐殖酸是高分子聚合物，分子量有较大的差异。（2）腐殖酸的分子形状 pH 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状,（三）腐殖酸的分子结构特征,HA的3D优化结构模型,（四）腐殖质的稳定性与变异性,1、稳定性在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于3个月，植物残体形成的新的有机质的半分解期为4.7-9年，而胡敏酸的平均停留时间为780-3000年，富里酸的平均停留为200-630年。,2、腐殖质的变异性 HA/FA值*：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。 一般我国北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/FA比大于1.0 而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，HA/FA比一般小于1. 在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA 比大于旱地。在同一地区，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。,第四节 土壤有机质的作用及管理,（一）提供植物需要的养分 碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础。土壤每年释放的CO2达1.351011吨，相当于陆地植物的需要量； 氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的90-98%； 磷素营养：土壤有机质中的磷素占全磷的20-50%； 其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。,一、有机质在土壤肥力上的作用,（二）改善土壤肥力特性1、物理性质：促进良好结构体形成；降低土壤粘性，改善土壤耕性；降低土壤砂性，提高保蓄性；促进土壤升温。2、化学性质：影响土壤的表面性质；影响土壤的电荷性质，影响土壤保肥性；影响土壤的络合性质；影响土壤缓冲性。3、生物性质：影响根系的生长；影响植物的抗旱性；影响植物的物质合成与运输；土壤生物的食源。,（一）有机质与重金属离子的作用 腐殖酸是重金属离子的络合剂。以Cr3+为例。（二）有机物质对农药等有机污染物的固定作用（三）土壤有机质对全球碳平衡的影响,二、有机质在生态环境上的作用,一个碳原子的旅程,据Garrels等（1975)计算：在大气圈中停留4年；在生物圈中停留11年；在海洋上层水域停留385年；在深海中停留10万年；在地壳中停留3.42108,碳素转化模型以CENTURY模型为例,土壤有机质（碳）的动态平衡,土壤有机质含量并非可以无限提高，在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。,三、土壤有机质的管理,$如何提高土壤有机质含量？,坚持两个原则 平衡原则 经济原则,土壤有机质的含量决定于年生成量和年矿化量的相对大小。两者相等：有机质含量保持不变；生成量矿化量：有机质含量增加；生成量矿化量：有机质含量降低。,（1)合理耕作制度（退化或熟化） 合理的耕作制度可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平。,提高有机质含量的措施,1、坚持补充新的有机质,主要的有机肥源包括： 绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥； 有机、无机肥料配合施用,（2）施用有机肥,（3）种植绿肥 田菁 紫云英 紫花苜蓿等,休闲绿肥、套作绿肥 养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,（4）秸秆还田,迅速提高土壤有机质的有效措施；促进土壤结构形成，保存氮素，促进难溶性养分溶解，比用腐熟的有机肥有更好的效果。要注意秸秆的C/N比、破碎度、埋压深度以及土壤墒情、播种期远近、化肥施用量等,2、调节土壤有机质的积累和分解,调节土壤水、气、热状况，控制有机质的转化；合理的耕作和轮作；调节碳氮比率和土壤酸碱度。,腐殖化系数：每克有机质（干重）施入土壤1年后，所能分解转化成腐殖质的克数（干重）。 通常在0.2-0.5之间。同一物质的腐殖化系数，因不同的生物、气候条件、土壤组成性质及耕作等条件而有差别。水田较旱地高木质化程度高的腐殖化系数高粘重土壤高于轻质土壤,矿化率：每年因矿质化而消耗的有机质量占土壤有机质总量的百分数。 土壤有机质的年矿化量受生物、气候条件、水热状况、耕作措施等因素的影响。冷凉地区低于温湿地区山区低于丘陵平川水田低于旱地粘重土壤低于轻质土壤,激发作用*（ Priming effect)：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解，这种作用称之激发作用。,激发效应可以是正、也可以是负。, 土壤有机质概述 1了解不同地带土壤有机质含量的差异及其影响因素。 2了解自然土壤与耕作土壤有机质来源的异同。 3掌握土壤有机质与土壤腐殖质概念，二者有何异同。 4熟悉土壤有机质的基本组成，包括化学组成、化合物组成和形态特征。 土壤有机质的转化 1了解土壤有机质的分解和转化过程及产物，重点掌握影响转化因素中的C/N的详细内容和基本原理。 2理解影响有机物质在土壤中转化的推动力是微生物的含义。 土壤腐殖质的形成 1了解腐殖质形成过程的3个阶段的内容及相互关系，组成土壤腐殖质最基本的物质有哪些？ 2掌握土壤腐殖质的组分、所带功能团对各组分性质产生的影响。 掌握土壤有机质对土壤肥力、农作物产量、品质以及环境保护所产生的影响。 了解提高土壤有机质的原则和途径，以及为什么一再强调增施有机肥以培肥土壤的科学道理。,【本章小结】,1. 土壤有机质 2.土壤腐殖质 3. 矿化作用 4. 腐殖化作用 7. 腐殖化系数 8. C/N 9. 腐殖酸 10. 褐腐酸 11. 黄腐酸 12. 激发效应,(一)基本概念,( 二）问答题,1、土壤有机质是化学中已有的有机化合物( ） 2、土壤有机质的转化是受微生物控制的一系列生化反应() 3、C/N高会抑制有机质的分解( ) 4、HA的酸性比FA强，分子量比FA高，稳定性比FA高( ) 5、一般南方土壤有机质的/，而北方 ( ) 6、一般随着土壤熟化度的提高，/也提高( ) 7、土壤施用的有机肥越多，土壤有机质含量提高的也越高( ) 8有机质的转化是先矿化后腐殖化，两个过程是矛盾对立的( ) 9、土壤微生物主要分解碳水化合物，不分解腐殖质( ) 10、土壤有机质在土壤中是完全独立存在的( ),