土壤有机质和生物.ppt
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1、第三章 土壤有机质和生物,什么是有机质以各种形态存在于土壤中的各种含碳有机化合物。广义:包括一切生物体及其分解或合成的各种产物。狭义:通过微生物转化合成的有机物质即腐殖质。,概念:土壤有机质(soil organic matter)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、复杂的、性质比较稳定的高分子化合物(腐殖质)。,第一节 土壤有机质的来源、组成和类型,一、土壤有机质的来源,二、土壤有机质的存在形态,存在形态:动、植物残体 半分解的动、植物残体 腐殖物质(85-90%),三、土壤有机质的含量和组成,1.含量一般把耕层含有机质20%以上的土壤,称为有机质土壤,在20%以下的
2、土壤,称为矿质土壤(mineral soil)。耕作土壤表层有机质通常在5%以下。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。目前,我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,北方土壤有机质含量高于南方土壤。,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,四川土壤有机质含量(%)OM%4.00 3.014.00 2.013.00 1.012.00 0.611.00 0.60水田%1.296.19 39.9 51.99 0.630.004旱地%3.145.52 18.7246.26 24.66 1.10,2.组成 动植物残体及微生物体 土壤有机质 上二类的分泌物、排泄物及中间分
3、解产物 腐殖质(稳定的高分子化合物):主体。,土壤腐殖质(soil 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。由非腐殖物质(Non-humic substances)和腐殖物质(Humic substances)组成,通常占土壤有机质的90%以上。,腐殖物质:由多酚和多醌类物质聚合而成;含芳香环结构,黄色至棕黑色,非晶形高分子有机化合物;最难降解,一般占土壤有机质的60-80%。,非腐殖物质:有特定理化性质、结构已知;约占土壤腐殖质的20-30%;碳水化合物、蛋白质和氨基酸、脂肪、蜡质、木质素、核酸等;相对容易被降解,存在时间短;氮、磷、硫营养重要。,(1)元素
4、组成(elementary composition)有机质水分占75%,干物质占25%。干物质中元素组成(%):C H O N和灰分元素 44 8 40 8(C/N为10左右),(2)化学组成(chemical composition),有机物料的化学组成:碳水化合物:约占60%,纤维素和半纤维素为主,少量淀粉和糖类。木质素:占10%30%,平均25%,木本植物较多,草 本植物较少,难分解,腐殖质的主要来源。蛋白质等含氮化合物:占115%,平均10%。脂蜡质、单宁等:占18%,平均5%。灰分:燃烧后留下的灰,草本多于木本,占27%。,土壤有机质的化学成分:纤维素 半纤维素 木质素 蛋白质 脂肪
5、、树脂等%210 02 3050 283518,第二节 土壤有机质的分解和转化,矿质化过程(Mineralization)指复杂的有机质在微生物的作用下,转化为简单的无机物(H2O;CO2等)并释放出能量的过程。,一、碳水化合物的矿质化,己糖淀粉半纤维素纤维素;糖类物质的分解是土壤中生物物活动的主要能源(生物热)。(45千卡热/g有机物),危害:在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O的过程受到阻碍,产生有机酸的累积,从而造成植物根系萎缩、腐烂。如:甲酸3.210-3 M、乙酸4.610-3 M、正丁酸710-4 M,就会对植物根系产生较严重的危害。解决办法:排水晒田、施草木灰(中和酸、补
6、充K素)有机肥施用前进行堆沤。,二、含氮化合物的矿质化,同化吸收,N素的生物固定或有效化过程与有机物C/N比密切相关:C/N25时,产生N素生物固定 C/N25时,产生N素有效化。,豆科绿肥(三叶草等)C/N小,施入土壤后能提供N素(N素有效化)。禾本科作物秸秆C/N大,直接还田易造成M与作物争夺N素,造成N素的生物固定。秸秆还田应配施化学N肥:一般亩施秸秆300400kg,需要配施化学纯N 34kg。,三、含磷和硫化合物的分解,四、植物残体(dead plant part)的分解和转化 可溶性有机化合物以及部分类似有机物进入土壤后的头几个月很快矿化。残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶段未被
7、矿化的植物残体碳相对缓慢分解。,五、土壤腐殖物质(humic substances)的分解和转化 腐殖质经过物理化学作用和生物降解,使其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。释放的简单有机物质被分解(矿化)、转化,酚类聚合物被氧化。被释放的芳香族化合物(如酚类)参与新腐殖质的形成。,有机质的矿化率:土壤有机质每年矿质化作用损失的量占土壤有机质总量的百分数。矿化率一般在1%3%。由于土壤有机质的矿化率与有机氮的矿化率同步,因而可通过测定土壤有机氮的矿化率来代表有机质的矿化率。,有机质矿化结果:为植物和土壤微生物提供养分及活动能量;为合成腐殖质提供物质能源。,六、影响土壤有机质
8、转化的因素,1、植物有机残体的特性(内在性质),(1)物理状态:多汁、幼嫩残体,粉碎残体易于分解(秸秆还田注意粉碎)。(2)化学性质(有机组分)糖类、淀粉、蛋白质等易分解;木质素、纤维素、脂蜡质、单宁等难分解;半纤维素、果胶介于中间。富含蛋白质的残体利于矿化;富含木质素的残体利于生成腐殖物质。使用富含木质素的有机肥,生成腐殖质较多,改土效果好(猪粪与牛粪的改土区别)。,猪粪:猪粪质地较细密,氨化细菌较多,易分解,肥效快,利于形成腐殖质,改土作用好。猪粪肥性柔和,后劲足,属温性肥料。适于各种农作物和土壤、腐熟后的猪粪可用于稻田,也可用于旱土,可作基肥使用,也可作追肥使用。牛粪:牛粪质地细密,含水
9、量高,通气性差,腐熟缓慢,肥效迟缓,发酵温度低,属冷性肥料。为加速分解,可将鲜牛粪稍加晒干,再加马粪或羊粪混合堆沤,可得疏松优质的肥料。如混入钙镁磷肥或磷矿粉,肥料质量更高。牛粪中碳素含量高、氮素含量低,碳氮比大,施用时要注意配合使用速效氮肥。牛粪一般只作基肥使用。,(3)植物残体的碳氮比(C/N)土壤微生物的C/N比值平均为8:1,即吸收1份N需要8份C,但微生物代谢的C只有1/3进入微生物细胞,其余的以CO2释放因此,微生物同化1份N到体内,须要约24份的C。当有机残体的C/N25:1时,其N源不足,须从土壤中吸收无机N来补充(氮的生物固定),造成与植物对N源的暂时性竞争,有机质分解慢。当
10、有机质C/N降至25:1以下,分解加快,同时释放出无机N。,植物残体C/N变化大,禾本科秸杆C/N多大于30:1。施用水稻、玉米、麦类等高C/N秸杆,分解初期应避免氮的“生物固定”。方法是:1)堆腐一段时期再施用;2)配施适量氮化肥(一般秸杆300-400kg/mu,配施N 3-4kg/亩)。,氮因素值:100克有机质分解时固定无机氮的克数。,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,这种矿化作用称之激发作用。,激发效应可以是正、也可以是负。,2.土壤环境条件(微生物活动条件),(1)土壤温度(temperature)2535条件下,M活动最
11、为旺盛,利于OM矿质化分解,提供作物所需养分。,(2)土壤湿度和通气状况(soil humidity and aeration status)要求水分充足而通气良好。水少气多:好气,M活动旺盛,OM矿质化分解,释放养分 水多气少:嫌气,M活动受抑制,OM腐殖化合成腐殖质,最适水气状况为:即田间持水量的6080%,按土水势-300-1000hPa(百帕)或mbar(毫巴)。干湿交替(wetting and drying cycle)有利于有机质的分解与转化。,(3)土壤pH 细菌最适pH 6.57.5,放线菌稍高,真菌较低。pH 低于5.5,高于8.5,一般微生物都不太适宜。,(4)质地:质地愈
12、粘重,愈难分解,腐殖化系数愈高。(5)其它条件:土壤盐浓度低于0.2%,无重金属污染等。,第三节 土壤腐殖物质的形成和性质,一、土壤腐殖质形成,(一)腐殖化作用(humification)腐殖质(humus):土壤腐殖质是土壤中一类性质稳定,成分、结构极其复杂的高分子化合物。腐殖化作用(humification):进入土壤中的有机质又重新合成腐殖质的过程。腐殖化过程也就是有机碳从一种有机碳形式转化为另一种有机碳形式,也叫有机碳的周转。它是一种极端复杂的生物过程。,土壤腐殖质形成途径,(二)土壤腐殖化过程-腐殖质的形成过程(假说阶段)腐殖化过程是以微生物为主导的生物和生化过程,还有一些纯化学过程
13、。有机质的形成分为两个阶段:,第一阶段:分解阶段:有机残体降解产生产生了合成腐殖质原始材料:(1)芳香核:主要由木质素降解所产生。酚类氧化成醌所产生。(2)支链化合物:一些含氮的有机化合物,如氨基酸、肽类等。第二阶段:合成阶段:将分解转化的基本材料在微生物作用下经过缩合和聚合合成结构复杂的腐殖质。,多元酚理论(较为盛行),(三)腐殖化系数(humification coecient):单位重量的有机碳在土壤中分解一年后残留的碳量。与有机残体的木质素含量呈正相关。土壤腐殖物质分解速率小,周转速度慢(年周转量为1.1%),从而能较长时间维持土壤有机质水平。富里酸(Fulvic acid)的C14年
14、龄0500年;胡敏酸(Humic acid)的C14年龄10002500年;胡敏素(Humin)平均C14年龄在1000年以上。,二、土壤腐殖质-粘土矿物复合体,有机质与粘粒矿物和阳离子结合,形成有机无机复合体;52-98%的土壤有机质集中在粘粒部分。,粘土矿物-腐殖质复合体,三、土壤腐殖酸的分组,四、土壤腐殖酸的性质,1.物理性质(physical property)(1)分子量、形状、颜色,A、分子量:很大,几至几百万。分子量大小与单体和聚合度有关。Humin HA FA。B、形状:短棒形,疏松多孔,似海棉;比表面积远比粘土矿物和金属氧化物的大。C、颜色:分子量愈大,颜色愈深(HA分子量大
15、,褐色;FA 分子量小,呈淡黄色),A、溶解性(dissolution)FA:水(呈强酸性反应)、酸、碱都可溶(它的一切盐类都能溶于水);HA:水和酸不溶,碱可溶(一价金属离子的盐类易溶于水,两价离子的盐类难溶于水,三价离子的盐类不溶于水);humin:水、酸、碱都不溶。,(2)溶解性与吸水性,B、吸水性 亲水胶体,吸水能力是硅酸盐粘土矿物的4-5倍,最大吸水量可达其重量的500%。,2.化学性质(chemical property),(1)元素组成(elementary composition)C、H、O、N、P、S为主,及少量Ca、Mg、Fe、Si等灰分。含C量为55 60%,平均58%,
16、100/581.724(实验测定土壤有机质时,测出含C量后1.724即得土壤有机质含量OM%C%1.724)C:N:P:S100:10:1:1120:10:1:1(C/N为10:112:1),(2)功能团(functional group)含有羧基、醇羟基、羰基、醇基、氨基及酚羟基等多种功能团 功能团的解离导致腐殖酸带电。如:RCOOH RCOOH ROH RO H,腐殖酸总酸度:羧基和酚羟基的总量。总酸度越大,分子活性越强。一般较高的总酸度意味着有较高的阳离子交换量和络合容量。,(3)带电性 由于含多种官能团,官能团发生解离,在一般土壤pH条件下带负电荷,从而可吸附其它阳离子(有机质保肥性的
17、机制所在)。腐殖酸的阳离子吸附量5001200cmol(+)/kg,远高于硅酸盐粘土矿物。(4)腐殖酸具弱酸特征 能缓冲酸、碱;与Ca2+、Fe3+、Al3+及铁、铝氧化物络合(螯合)形成复合体。,3.分子结构特征(character of molecular structure)由脂肪族和芳香族结构组成分聚合而成的,分子结构极其复杂的有机高分子化合物。单体中有芳核结构物质,芳核上有多种取代基。,4.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。,5.腐殖质的稳定性与变异性,(1)稳定性在温带条件下
18、,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)提供植物养分 有机质
19、养分完全,是植物吸收C、N、P、S和微量元素的主要来源,且肥效稳而持久。土壤每年释放的CO2达1.351011吨,相当于陆地植物的需要量;植物所需养分中 N 95%以上,P 20-50%,S 38-94%是由有机质分解供给的促进有机物质矿质化。其他营养:K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。,一、土壤有机质在土壤肥力方面的作用,(二)促进养分有效化(effectuation)OM矿质化和腐殖化过程中产生的有机酸和腐殖酸,增加土壤中矿质养分的溶解度;有机酸和富啡酸络合某些金属离子(如Fe),使其保留于土壤溶液中不致沉淀,而提高其有效度。同时减少金属离子对P的固定,提高P的有效性。通过络
20、合,减轻强酸性土的铁、铝毒害。,(三)改善土壤肥力特性1、物理性质:促进良好结构体形成(胶结剂-胡敏酸多糖)降低土壤粘性、粘着性、胀缩性和可塑性,改善土壤耕性;降低土壤砂性,提高保蓄性;促进土壤升温。机理如下 1.进入土壤的植物组织,每千克干物质大约有16.745220.9320KJ的热。含有机4%土壤每英亩耕层土壤有机物质潜能为6.28109 6.9888109KJ;相当于2050吨无烟煤热量。(土壤参与了能量的传递)应用实例:保护地蔬菜育秧和越冬2.腐殖质黑色有利于吸热增温3.导热性较大,2、化学性质(1)影响土壤的表面性质(2)影响土壤的电荷性质 可变电荷(3)影响土壤保肥性(4)影响土
21、壤的络合性质(5)影响土壤缓冲性(弱酸和弱酸盐),3、生物性质(1)影响根系的生长(2)影响植物的抗旱性(增强了细胞渗透性和刺激根系下扎)(3)影响植物的物质合成与运输(4)药用作用。,不良作用:有机物质分解的中间产物如各种有机酸的毒害问题应当注意,二、有机质在生态环境上的作用,(一)有机质对重金属污染的影响(1)络合作用 形成不溶性的螯合物,阻滞其在土壤中的迁移和向水体转移,减轻重金属(heavymetal)污染。例如,胡敏酸对金属离子的键合总容量为200600mol/g。(2)腐殖酸通过络合和还原作用影响重金属离子的存在形态。胡敏酸将有毒的Cr 6+还原为Cr 3+,并与之形成稳定的螯合物
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