土壤有机质与碳循环课件.ppt

《土壤有机质与碳循环课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土壤有机质与碳循环课件.ppt（84页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、土壤有机质,第一节 土壤有机质概念第二节 有机物质分解第三节 腐殖质与腐殖化过程第四节 土壤有机质与土壤肥力第五节 土壤有机改良剂第六节 影响土壤有机质含量的因素,土壤有机质功能,土壤保肥性和保水能力土壤阳离子交换量的一半来源于土壤有机质土壤物理性状土壤养分供应土壤有机质是作物所需P、S的主要来源；土壤N的绝大部分存在于土壤有机质中土壤生物化学过程土壤有机质是土壤生物的能量和碳素来源,第一节 土壤有机质概念有机质功能,土壤有机质与土壤保水性,富含有机质的土壤保水能力强(Brady N.C.,Weil R.R.,1999.The nature and properties of soils.P2

2、0),第一节 土壤有机质概念有机质功能保水性,土壤的生态功能,植物生长基质,水资源供应及净化系统,土壤生物的栖息地,养分及有机废物的循环系统,工程基质,大气调节,CO2,CH4,N2O,H2O,地表吸收,太阳短波辐射,地表长波辐射,增温效应,温室效应：温室气体能吸收地表长波辐射，使大气变暖，与“温室”作用相似。若无“温室效应”，地球表面平均温度是18，而非现在的15。,吕学都,夏威夷Mauna Loa观象台测量的大气CO2浓度变化,现已达到370ppmv（百万分之一体积）。,全球气候变化的基本事实,吕学都,中国青海省瓦里关山大气本底站的大气CO2浓度测量结果,1990,1991,1992,19

3、93,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001,345,350,355,360,365,370,375,浓度,CO2,(ppmv),年,吕学都,1000,1400,1200,1600,1800,2000,0,0.5,-0.5,1.0,年,北半球地表温度变化,1998年,温度距平(),20世纪是过去1000年中最温暖的100年。,吕学都,温度距平（）,1860,1880,1900,1920,1940,1960,1980,2000,-0.8,-0.2,0,0.4,0.8,0.6,0.2,-0.4,-0.6,年,过去140年间全球升温0.40.8（平均0.6）；

4、13个最暖年份出现在1983年以后。,近140年来全球温度变化（相对于19611990年）,吕学都,土壤有机C库,第一节 土壤有机质概念有机质功能有机C储库,大量存在于土壤和植被中；是大气中CO2的源和库,G(109)tons,http:/en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas,土壤和植被是大气中CO2的源和库,第一节 土壤有机质概念有机质功能有机C储库,砍伐热带雨林释放的C每年可达1.5-3 G 吨南美稀树草原（Savannas）改为牧场后增加热带土壤C积聚每年100-500M吨；土壤C 75%积聚在20 cm以下土层；根系输入对土壤C积聚贡献大：根中物质不

5、易分解的比例：豆科植物，43-47%；禾本科牧草54-62%,土壤有机质定义,土壤有机质是土壤中处于各个分解阶段的有机物质，包括以下组分：有机残体(Organic Debris)；土壤生物(Soil Organisms)；腐殖质（Humus)。严格意义上的土壤有机质是土壤腐殖质。,第一节 土壤有机质概念定义,土壤有机质组成,有机残体(Organic Debris)植物根系残茬、枯枝落叶 死的微生物组织、无脊椎动物残骸和排泄物土壤生物(Soil Organisms)土壤微生物土壤无脊椎动物植物的细根腐殖质(Humus)土壤生物分解有机残体而重新形成的有机物质,第一节 土壤有机质概念组成,有机质在

6、土壤组分中的比例,体积比,重量比,第一节 土壤有机质概念有机质含量,第二节有机质的原料及其分解,植物残体是土壤有机质最直初和最重要来源有机物质的分解是一个由土壤生物主导的生物化学过程,绿色植物的物质组成,(仿Brady N.C.,Weil R.R.,1999.The nature and properties of soils.P450),第二节 有机物质分解有机残体,纤维素,第二节 有机物质分解有机残体纤维素,木质素,第二节 有机物质分解有机残体木质素,淀粉,Mader S.S.,1990.Biology.Wm.C.Brown publishers.,第二节 有机物质分解有机残体淀粉,有机物

7、分解-矿化作用,第二节 有机物质分解矿化作用,在微生物等土壤生物作用下，有机物质分解，有机N,P,S 转化为植物有效的无机形态(NH4+,NO3-,PO43-,SO42-)的过程称为矿化作用。有机物质分解可以在好气条件下进行，也可以在厌氧条件下进行。,有机物好气分解,第二节 有机物质分解分解特征好气分解,在酶的作用下氧化，生成CO2、H2O，产生微生物所需的能量和热量：-(C,4H)+2 O2 CO2+2 H2O+能量（478 KJ mol-1C）蛋白质、核酸等分解除产生CO2 和 H2O外，还产生NH4+,NO3-,SO42-PO43-等简单无机物;难以被微生物分解的部分以及微生物合成的最终

8、形成腐殖质应用：有机废弃物堆肥化处理,有机物厌氧分解特征,第二节 有机物质分解分解特征厌氧分解,分解速度较慢；分解产物是有机酸、乙醇、硫醇、醛、酮、甲烷等半分解物质；产能少；半分解产物如H2S等抑制植物生长；甲烷是温室气体应用：沼气生产,有机物质分解过程,第二节 有机物质分解分解过程,有机物质分解顺序,第二节 有机物质分解分解特征分解顺序,1 单糖、淀粉和水溶性蛋白质2 粗蛋白3 半纤维素4 纤维素5 蜡质、丹宁等6 木质素,降解容易、迅速,降解困难、缓慢,有机物质降解特征,第二节 有机物质分解分解特征,纤维素和几丁质等丝状分子存在着稳定的结晶区域，这些区域不易被微生物细胞及酶接近 聚合程度高

9、，水合程度低：影响水解，微生物作用表面积小 几种不同多聚体如纤维素、半纤维素、果胶和木质素等共同存在，需2种或2种以上的微生物协同作用，产生一系列的酶共同完成降解过程 木质素不但难降解还具有抑菌作用 细胞壁中多糖相互缠绕、互相包被，以及起保护性作用的物质（角质木栓质）阻碍降解,有机物质分解动力土壤生物和酶,第二节 有机物质分解分解动力,第三节 腐殖质与腐殖化过程,土壤腐殖质是复杂的、不易分解的有机大分子的混合物形成过程复杂使土壤具有肥力,腐殖质,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质,土壤腐殖质是各种有机体的组织本身或其合成物质，在生物和非生物作用下，经过转化形成的褐色或深褐色的，呈无定形胶体状、复

10、杂的、不易分解的高分子混合物。,腐殖质分组,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质,腐殖质组分,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质,富里酸也称黄腐酸(Fulvic Acid)：既溶于碱又溶于酸；胡敏酸也称黑腐酸(Humic Acid)：仅溶于碱不溶于酸；胡敏素又称黑腐素(Humin)：既不溶于酸又不溶于碱。,腐殖质结构,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质,腐殖质各组分性质,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质组分性质,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖化过程木质素理论,腐殖质形成过程-木质素理论,木质素,木质素构成单元,残余部分,微生物分解,胡敏酸,富里酸,脱甲基、氧化与含氮化合物聚合,继续被微生物分解,第三节

11、 腐殖质与腐殖化过程腐殖化过程木质素理论的依据,木质素与腐殖质的相似性,对于大多数细菌和真菌，木质素和腐殖质均很难分解；木质素和胡敏酸均溶于碱，并被酸沉淀；部分溶于乙醇；二者均含有-OCH3基，随着分解进程的推进，-OCH3基含量减少；当木质素与碱液一同加热时会转化为含-OCH3基的胡敏酸；氧化木质素具有与胡敏酸类似的性质,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖化过程聚合理论,腐殖质形成过程-多酚（聚合）理论,胡敏酸,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖化过程聚合理论,多酚（聚合）理论依据,土壤有机质氧化分解后具有相连的芳香环和酚酸多酚物质易与有机物质结合为稳定化合物无法解释有机质中很多长脂肪链,第三节 腐

12、殖质与腐殖化过程腐殖质性质,腐殖质性质,第三节 腐殖质与腐殖化过程,有机残体组成与腐殖化进程,C:N比木质素含量：木质素难以分解，且在细胞壁中包被纤维素，阻碍其分解多酚含量：与蛋白质结合形成难分解的复合体；抑制胞外酶活性；影响氮释放。多酚物质的分子量越大结合能力越强（木质素多酚)/N比率物质分解和N释放难易的的指标,第三节 腐殖质与腐殖化过程有机残体组成,第1个生长周期第2、3个生长周期,牛血清白蛋白,多酚物质对N释放的影响,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质质量,有机质质量,根据有机质对土壤微生物分解的抵抗程度，可将有机质分为以下5个库：代谢C库(metabolic C pool)结构C库(s

13、tructural C pool)活性组分(active fraction)缓性组分(slow fraction)惰性组分(passive fraction),有机残体,腐殖质,放射性14C 同位素技术,1950 和 60 年代的热核武器试验，使本来占大气中CO2含量很低的14CO2浓度升高,Tierney G.L.and Fahey T.J.,2002.Fine root turnover in a northern hardwood forest:a direct comparison of the radiocarbon andminirhizotron methods.Can.J.Fo

14、r.Res.,32,1692-1697.,土壤有机质库及周转,代谢C库(metabolic C pool)结构C库(structural C pool)活性组分(active fraction)缓性组分(slow fraction)惰性组分(passive fraction),第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质性质,腐殖质的五个库周转速度,(自Stevenson F.J.&Cole M.A.,1999.Cycles of soil,carbon,nitrogen,phosphorus,sulfur,micronutrients.2nd edition John Wiley&Sons,INC.,N

15、ew York,p91),第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质质量,活性有机质,包括土壤生物、颗粒状有机残体、多糖及其它非腐殖化的有机物质，以及部分活性较高的富里酸；含量很少超过土壤有机质总量的10-20%；其作用包括为土壤生物提供食物、作为矿化氮的来源、促进团聚体形成和稳定；半衰期为几个月至一年；其含量易随农作措施而变化,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质质量,活性有机质变化较快,活性有机质,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质质量,惰性有机质,与土壤粘粒结合的腐殖质和多数胡敏酸；占土壤有机质总量的60-80%；非常稳定，半衰期为几百年至几千年；随土壤耕种管理的变化极小，原始森林和草场开垦后这部分有机

16、质含量在初期下降较快，后来下降缓慢。土壤腐殖质的CEC主要来自该组分；,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质质量,惰性有机质变化小,惰性有机质,第三节 腐殖质与腐殖化过程腐殖质质量,缓性有机质,木质素含量高的极细的植物残体，以及其它难分解的有机物质；可占到土壤有机质总量的30%；C/N比为10-25,为土壤重要的可矿化氮库，也可提供其他营养元素；必要时可作为土著微生物的食物；该组分也具有活性和惰性组分的部分性质。半衰期为几十年；,土壤有机质三组分关系,有机残体是土壤生物的食物来源，是腐殖质合成的原料；土壤生物是有机残体分解和腐殖质形成的动力；,有机残体,土壤生物,腐殖质,第一节 土壤有机质概念组成

17、三组分关系,第四节 土壤有机质与土壤肥力,土壤理化及生物学性质,土壤养分有效性作为植物营养元素的储库；土壤物理性质促进良好的土壤结构的形成；土壤化学性质：保肥性和缓冲性生物活性作为土壤微生物的能源物质；既有直接作用也有间接作用，如有机物质为土壤生物提供食物，促进其活性，而生物活动又会影响土壤养分的有效性、团聚结构的形成及土壤孔隙性,第四节 土壤有机质与土壤肥力养分,土壤养分供应,考虑土壤有机质的养分供应作用时，要区分土壤有机质的三个组分动植物残体。通过微生物降解提供植物所需N,P,S等养分；微生物生物量。可作为植物养分的暂时储库，其平均存留时间为几个月至几年；难降解的腐殖质组分，其存留时间为2

18、50年至1000年以上，对提供土壤养分贡献不大，但能影响其有效性。,第四节 土壤有机质与土壤肥力肥有机残体,有机残体分解与土壤养分,在微生物分解动植物残体时，矿化过程和微生物固持作用同时进行；微生物固持作用 微生物生长过程中，吸收利用无机N、P、S(NH4+,NO3-,PO43-,SO42-)，将无机养分贮存在微生物组织中，称为养分的微生物固持(immobilization)。当有机残体的C/N比30,C/P比300,C/S比200时，固持作用速率大于矿化速率，土壤有效养分含量降低；如果有机残体的C/N比20,C/P比200,C/S比200，矿化作用速率大于固持速率，土壤中有效养分增多；,第四

19、节 土壤有机质与土壤肥力肥土壤微生物量,土壤微生物量与土壤养分,微生物量是土壤有效养分的储存库 农田土壤中生物量碳为200-1000 mg Bc.g-1 soil，含N、P量分别为：100-600 kg N.ha-1，50-300 kg P.ha-1，超过施肥施入的养分量；微生物量又是植物有效养分的供应源 微生物死亡后，其组织被其它微生物分解，释放出有效养分。微生物量的周转速率是死亡土壤有机质的5倍。,第四节 土壤有机质与土壤肥力肥土壤养分,土壤腐殖质与土壤养分,土壤腐殖质对土壤有效养分的直接贡献很小腐殖质的平均驻留时间为250-1000年，在每一生长季的分解率为1-3%，并且在平衡状态下，从

20、腐殖质分解释放出的养分会重新被结合进新形成的腐殖质中；,土壤腐殖质是土壤高产的保证如果农作措施使土壤有机质降解，会严重影响土壤的其它肥力性状，降低土壤的生产潜力,第四节 土壤有机质与土壤肥力肥间接作用,有机质对土壤养分有效性的间接影响,为自生固氮微生物提供能源物质；土壤P常因被金属离子固定而有效性低，有机残体分解过程中产生的腐殖酸络合金属离子，能提高土壤P的溶解性；与腐殖质结合，可提高微量元素Fe、Mn、Cu、Zn的植物有效性；反硝化细菌需要可利用有机含碳化合物，将硝态氮转化为气态氮。土壤腐殖质与土壤保肥性 提纯后的腐殖质组分的交换性酸量可达300-1400 meq/100g，是大多数粘土矿物

21、的2-30倍；土壤阳离子交换量的20-70%来源于土壤有机胶体，在表层土壤可占90%,第四节 土壤有机质与土壤肥力土壤理化性质,有机质与土壤理化性质,使土壤呈暗色，有利于吸收热量；通过提供胶结物质和提高土壤生物活性，促进土壤团聚体形成，提高其稳定性；降低粘土的可塑性、粘结性和粘着性，改善耕性；提高土壤特别是砂质土壤的保水性；促进土壤动物的活动，增大土壤的大孔隙，提高土壤的透水性由于具有很大的阳离子交换量和同时具有酸性和碱性基团，腐殖质在很大的pH值范围内均具缓冲作用，保证了稳定的土壤化学环境。,第四节 土壤有机质与土壤肥力土壤生物活性,有机质与土壤生物活性,土壤有机质可作为土壤微生物和无脊椎动

22、物的食物土壤微生物的群体数量与土壤腐殖质的含量密切相关蚯蚓等土壤动物仅在有机质含量高的土壤中大量繁衍。,第四节 土壤有机质与土壤肥力植物生长,有机质与植物生长,具有类似植物生长激素的作用,解毒作用通过络合减轻重金属的毒害；降低土壤腐殖质通过络合，降低酸性土壤中Al的溶解度，减小其对植物根系的毒害；但酚酸等他感物质，对植物有毒害作用,第五节 土壤有机改良剂,可能作用的分析,回顾土壤有机质的作用以及有机质的性质,第五节 土壤有机改良剂,对有机改良剂的炒作,风化褐煤是燃烧值很低的类似煤的物质，腐殖酸(主要是胡敏酸)含量很高，可达60%。国外曾将其用作土壤改良剂。商家称能：提高土壤有机质含量；持久地供

23、应养分；刺激作物生长；和改良土壤结构,第五节 土壤有机改良剂作用土壤有机质含量,对提高土壤有机质含量作用,由于价格原因，土壤有机改良剂的推荐用量非常小，一般小于500 kg/亩；按单位体积的原状土壤的比重为1.15*103kg.m-3，耕层20cm 的土壤重量为每亩1.5*106公斤，有机质含量为1%时，土壤中有机质重量1.5*104公斤施用有机改良剂对土壤有机质含量的增加是微乎其微的。,第五节 土壤有机改良剂作用养分,有机改良剂提供的养分,风化褐煤含N量为1.2-1.5%，每个生长季分解2-3%，按每亩使用500公斤计算，释放出的N为500*1.5%*3%=0.225kg相当于0.6 kg

24、NH4NO3 所含N素的量。,第五节 土壤有机改良剂作用物理性状,有机改良剂与土壤物理性状,风化煤中腐殖质和矿物质结合，空闲的活性位点很少，保水能力较差；由于风化褐煤本身既不含作为微生物食物的易利用的有机物质，不能促进微生物生长又不含多糖等胶结物质，因此对土壤团粒结构形成的作用也是非常有限的。,第五节 土壤有机改良剂作用刺激植物生长,对植物生长的刺激作用,风化褐煤中腐殖酸为胡敏酸，不溶于水，不能被植物直接吸收微生物利用有机改良剂作为能源物质，合成新的腐殖质，其中的小分子组分具类似生长刺激素的性质。风化褐煤所含腐殖酸难以被微生物利用，按分解率为3%计算，500 kg含腐殖质60%的风化褐煤在一个

25、生长季所能产生的“新”腐殖质为500*60%*3%=9 kg。500 kg 秸秆还田后产生的腐殖质按在一个生长季所施秸秆的1/3被转化为腐殖质，腐殖质量为167 kg,第六节 土壤有机质含量的因素,自然条件对土壤有机质含量影响气候：降水和温度植被母质地形农作措施的影响,第六节 影响土壤有机质含量的因素,土壤有机质含量,土壤有机质、土壤腐殖质、土壤有机C和土壤含氮量为同义词；土壤有机质含C量平均为58%；土壤有机质含量=土壤有机C含量含量*1.724土壤有机C、N含量紧密相联，土壤有机质的C/N比平均为10-12:1；土壤N比土壤有机C易于测定，故常用土壤含N量作为土壤有机质的指标,第六节 影响

26、土壤有机质含量的因素成土因素,自然成土因素的作用,通气良好的土壤中有机质不会永无止境地积累，随时间的推移会达到一个平衡状态；平衡状态下土壤有机质水平由成土因素确定土壤有机质=f(气候，植被，地形，母质，时间)温带地区，成土因素对壤土中土壤有机质含量的影响作用依次为气候 植被 地形=母质 时间,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素 时间,土壤有机质含量随时间变化,成土的最初几年，土壤有机质含量迅速增加，其后增加速度逐渐减缓，最终达到该成土环境下所特有的水平。,土壤有机质水平渐趋稳定的原因有机胶体形成后，抵抗微生物降解的能力很强腐殖质与土壤矿物质(高价金属离子、粘土)相互作用，使得有机质降解非

27、常缓慢；一种或几种必需营养元素成为限制因子，决定了稳定的腐殖质数量的上限。,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素 时间,土壤有机质在土壤剖面中迁移,在成土过程中，有机质伴随金属离子和粘土逐渐向土壤深层淋溶，蚯蚓通道和根孔壁上常常附有由腐殖质和粘土组成的暗色混合物。蚯蚓、蚂蚁、白蚁等土壤动物会将富含有机质的表层土壤运往下层，同时将较粘重的矿质土壤运往上层。这种剖面混合作用的范围可达1-2米。,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素气候,气候对土壤有机质的影响,气候条件是决定土壤有机质水平的最重要的因素，气候不仅决定某一地区植物的种类和植物的生物量，而且决定土壤微生物的活性。,第六节 影响土

28、壤有机质含量的因素成土因素气候,气候条件对土壤有机质的影响,湿润气候下，植被为森林，发育成的土壤为灰化土(Spodosols)和 淋溶土(Alfisols)；半干旱气候下，植被为草场，发育成的土壤为软土(Mollisols)，其有机质含量超过其他类型土壤；荒漠土、半荒漠土有机质含量低；,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素气候温度,温度对土壤有机质的影响,年平均气温每上升10，土壤有机质含量降低2-3倍(From origin and distribution of nitrogen in soil.in:Stevenson F.J.Ed.1986.Nitrogen in agricult

29、ural soils.Am.Soc.Agron.,Madison,Wisconsin,1-42.),第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素气候温度,通气条件下温度的影响,在通气条件下，微生物分解活动随温度上升的幅度比植物合成上升幅度大,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素气候温度,厌氧条件下温度的影响,厌氧条件下，微生物活动受到限制；微生物开始活动的所需温度更高；,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素气候降水,降水对土壤有机质的影响,降雨-土壤湿度-植物生长-腐殖质形成的原料,自Stevenson F.J.&Cole M.A.,1999,p54.,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土

30、因素植被,植被对土壤有机质的影响,相同条件下，草地比森林土壤有机质含量要高的多,草地土壤上产生的有机质合成的原料多；根中木质素和多酚含量高，有利于腐殖质的合成。草地土壤比森林土壤根生物量大；草地土壤根际耗氧量大，产生的半厌氧条件有利于有机质的保存；草地土壤硝化作用较弱，N主要以NH4+形态存在。反硝化作用弱，硝态N淋溶少，有利土壤保N，从而有利于植物生长。,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素地形,地形对土壤有机质的影响,第六节 影响土壤有机质含量的因素成土因素母质,母质对土壤有机质的影响,粘粒含量高的土壤保水性好，养分含量高，多数情况下有利于植物生长；粘粒与有机质结合，降低其氧化分解速度

31、,第六节 影响土壤有机质含量的因素种植管理,轮作和施肥对土壤有机质的影响,第六节 影响土壤有机质含量的因素种植管理,种植对土壤有机质的影响,通常土壤改为农田后有机质含量下降。如不采取措施，许多农田土壤将逐渐丧失其生产力在转为农田的最初几年内，有机质含量下降很快，随后下降速度减缓，经60-100年后在一较低水平下达到平衡；转为农田后土壤有机质含量下降的原因之一是进入土壤的有机物质量减少。在有豆科植物的轮作制度下，土壤有机质含量降低的较慢；而禾谷类作物的连作制度下，降低最大。,第六节 影响土壤有机质含量的因素种植管理,秸秆还田对土壤有机质的影响,秸秆还田和使用厩肥能减缓农田土壤有机质含量降低的速度

32、；在温带气候条件下，施入土壤的作物秸秆，在一个生长季后有约1/3以有机质形态留在土壤中，其余2/3以CO2的形式损失掉；富含木质素和多元酚的秸秆施入土壤后有利于形成腐殖质。,第六节 影响土壤有机质含量的因素种植管理,秸秆还田对土壤有机质的影响,在温带气候条件下，施入土壤的作物秸秆，在一个生长季后有约1/3以有机质形态留在土壤中，其余2/3以CO2的形式损失掉；,第六节 影响土壤有机质含量的因素种植管理,耕作制度对土壤有机质的影响,免耕、少耕可减少土壤有机质的氧化；减少或避免水土流失 土壤有机质主要在表层土壤,土壤有机质动态模型,定量描述土壤有机质含量：气候、地形、土壤、管理有机质合成的原料有效降水植被地形土地利用和耕作制度有机质分解速度温度耕作,