1、第二章 土壤有机质,第一节、土壤生物多样性及其功能,一、土壤微生物的多样性及其功能 (一)土壤微生物的多样性及其功能 土壤微生物是土壤中最原始的活有机体。它们的作用是：分解有机质，合成腐殖质，转化土壤中难溶性的矿质养分及固氮。根据土壤微生物的形态构造和生理活动特点，一般可分为：细菌、真菌、放线菌。,（1）细菌 细菌是单细胞不含叶绿素和细胞壁无纤维素成分的原核微生物。按个体形状可分为球菌、杆菌、弧菌和螺旋菌等，根据营养方式可分为自养型细菌和异养型细菌。,土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其重要的作用。我国部分土壤有机质含量如下表。,第二
2、节 土壤有机质,表 中国某些自然土壤中有机质含量,一、土壤有机质的来源及组成,土壤有机质是指土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称。 （一）土壤有机质的来源及类型土壤有机质主要来源于高等绿色植物的枯枝、落叶、落果、根系等；其次是土壤中动物、微生物的遗体；及人为施用的有机肥料。土壤中有机质存在的三种状态：新鲜的有机质、半分解的有机残余物、腐殖质。,（二）土壤有机质的组成及性质1.糖类、有机酸、醛、醇、酮类以及相近的化合物。2.纤维素和半纤维素3.木质素4.脂肪、蜡脂、树脂和单宁5.含氮化合物 动、植物残体中主要的含氮化合物是蛋白质，少量比较简单的可溶性氨基
3、酸。植物残体中的叶绿素等。6.灰分元素 植物经燃烧后，残留在灰分中的元素称灰分元素。构成灰分的主要元素为Ca、Mg、K、Na、P、S、Fe、AL、Mn，以及微量元素I、Zn、Mo、B等。其中以Si、Ca、K、Al为最多。,二、土壤有机质的转化过程,矿质化过程：就是有机质被分解成简单的无机化合物，释放出矿质营养的过程。,腐殖化过程：使简单的有机化合物 形成新的、较稳定的有机化合物，使有机质及其养分保蓄起来的过程。,1.含氮、碳有机物质的转化土壤有机质中的碳水化合物如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解为单糖：(C6H10O5)nnH2OnC6H12O6,（一）
4、土壤有机质的矿质化过程,生成的单糖由于环境条件和微生物种类不同，又可通过不同的途径分解，其最终产物也不同。在好气条件下，有好气性微生物分解，最终产物为水和二氧化碳，放出的热量多，称氧化作用。其反应如下：nC6H12O66O2 6CO26H20热量 在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作用下缓慢分解，并形成一些还原性气体、有机酸，产生的热量少，称发酵作用。其反应为：C6H12O6 CH3CH2CH2COOH2H22CO2热量4H2CO2 CH42H2O,2.含氮有机物质的转化含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态，包括蛋白质、氨基酸、腐殖质等。但植物利用的氮主要是无机态的氮，如NO3-、NH4+等
5、。 (1)水解作用蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸的作用称水解作用。 蛋白质 氨基酸,蛋白质水解酶,(2)氨化作用分解含氮有机物产生氨的生物学过程称氨化作用。（蛋白质水解生成的氨基酸在酶的作用下分解成氨或铵盐）CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3,（3）硝化作用氨化作用生成的氨或铵盐中，部分的氨态氮可以被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。这一作用可分为两个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。其
6、反应如下：2NH33O2 2HNO22H2O热量2HNO2O2 2HNO3热量,亚硝酸细菌,硝酸细菌,（4）反硝化作用无氧或微氧条件下，硝酸盐可以在反硝化细菌的作用下以NO3或NO2作为呼吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过程，称反硝化作用。其反应如下：,反硝化细菌,C6H12O624KNO3,24KHCO36CO212N218H2O,3.含磷有机物质的转化 土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解：,产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸
7、又被还原为磷化氢，其反应如下：H3PO4 H3PO3 H3PO2 PH3,4.含硫有机物质的转化植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都能分解有机硫化物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质 硫氨基酸 H2S还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下：2H2SO2 2H2O2S 2S3O22H2O 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。在通气不良的情况下，硫化氢易积累，即发生反硫化作用，使硫酸转变为硫化氢散失，对植物和微生物产生毒害。,(二)土壤有机质的腐
8、殖化过程,土壤腐殖质的形成是一个复杂的过程，大致可分为两个阶段。第一阶段：有机残体在微生物分解作用下，其中一部分彻底矿化，最终生成CO2、H2O、NH3、H2S等无机化合物。另一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖质的材料。,第二阶段：上述土壤腐殖质的组成部分，在微生物的作用下经缩合形成腐殖质的基本单元。先是多元酚在微生物的作用下氧化为醌，然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质。,土壤腐殖质形成过程中的转化途径,三、影响土壤有机质转化的因素,有机残 体 的特性,土壤水分 和通气状况,温 度,土壤特性,C/N比值,最适水势0.10.03Mpa,0 35
9、,OM、pH、 Eh值等,（一）有机残体的特性主要指残体的水分含量、细碎程度以及这些残体的组成成分，尤其是其组成的C/N比。微生物维持自身正常的生命需要有机质的C/N比为25:1。如果被分解的有机物质C/N比小于25:1，微生物的活动不受影响，有机质分解快，且有氮素存留在土壤中；如果被分解的有机物质C/N比大于25:1，微生物缺乏氮素营养，微生物的活动受到抑制，有机机质分解缓慢，且有可能导致微生物和植物争夺土壤中原有的氮素养分。,（二）土壤环境条件1、水分状况 风干状态的土壤，微生物因缺水而影响其生命活动，有机质分解缓慢；土壤湿润时，微生物活动旺盛，促进有机质的分解；过分湿润时，会导致土壤的通
10、气受阻，影响微生物活动，减缓有机质的分解。2、通气条件 通气良好时，好气性微生物活跃，有机质分解快，分解较完全，矿化率高，中间产物积累少，利于植物的吸收利用；通气不良时，嫌气性微生物活跃，有机质分解慢，分解不完全，矿化率不高，主要以中间产物为主，而且伴随有还原性气体的产生（甲烷），毒害作物的生长，但却有利于有机质的积累和保存。3、热量状况（温度）4、其他 如土壤酸碱（pH）、氧化还原电位（Eh）以及当地土壤的植被和当地气候等,第三节 腐殖质腐殖质本身不是一种单一的化合物，而是由多种化合物形成的聚缩物，其主体为腐殖酸及其盐，占腐殖质的8590，称为腐殖物质。其余为微生物代谢所产生的较简单的化合物
11、，因与腐殖酸紧密结合难以分离，故与腐殖酸合称为腐殖质。,根据腐殖质在不同溶剂中的溶解度和颜色可分离出黑腐素（胡敏素）、褐腐酸（胡敏酸）和黄腐酸（富里酸、富啡酸）3种性质不同的腐殖质。,NaOH或NH4OH 稀溶液处理,不溶解的黑色物质 胡敏素,溶解的暗褐色溶液,HCl或 H2SO4处理,褐色沉淀 胡敏酸,黄色溶液 富啡酸,土壤,一、腐殖质的分离与组成,腐殖酸是土壤和土壤沉积物等物质溶于稀碱，呈暗褐色、无定型和酸性的非均质天然有机高分子化合物。它不能作为独立的腐殖物质存在，一般把土壤腐殖质概括为胡敏酸和富里酸两大类。,二、土壤腐殖质在土壤中存在形态,）游离态的腐殖质，在一般土壤中占极少部分（红土
12、）。）与矿物中强盐基化合成稳定的盐类，主要为腐殖酸钙镁（黑土）。）与含水三氧化物化合成复杂的凝胶体。）与粘粒结合成有机无机复合体。,在上述四种形态中，以第四种最为重要，它常占土壤腐殖质中的大部分。其结合方式可能是：第一：通过钙离子结合。农业重要，与水稳性团粒结构形成有关。第二：通过铁、锰、铝离子结合，尤其是铁离子。结合紧密，甚至可以结合其他腐殖质、砂砾等，但这种结合不具水稳性。,1、腐殖质不是一种纯的化合物，而是代表一类有着特殊化学和生物本性的，构造复杂的高分子有机化合物。2、腐殖质的元素成分，主要是C、H、O、N、S、Ca、Mg、Fe、Si等。腐殖质含碳量约为5660（58）。含氮量约为36
13、(5.6)，其碳氮比例大致为10：112：1，灰分占0.6。3、腐殖质是一种黑色或棕色的有机胶体。它的化学构造式虽然还没有确定，但它们有若干共同点是可以肯定的，即分子巨大，以芳香族核为主体，附以各种功能团。其中主要的功能团为酚羟基（OH）、羧基（COOH）、甲氧基（OCH3），并有含氮的环状化合物等。,三、腐殖质的性质,4、腐殖质的电性 腐殖酸带有电荷，并且是两性胶体，在通常情况下，它所带的电荷是负的。电性的来源主要是分子表面的羧基、酚羟基的解离以及胺基的质子化。5、腐殖质的溶解性 褐腐酸不溶于水；黄腐酸易溶于水，酸性强。腐殖酸与高价金属离子可以形成络合物（受羧基、酚羟基影响），络合物的稳定性
14、受介质的酸碱性、本身金属离子性质、腐殖酸性质影响。,6、腐殖质的凝聚 腐殖质是带负电荷的有机胶体，新形成的腐殖质胶粒在水中呈分散的溶胶状态，但增加电解质浓度或高价离子，则电性中和而相互凝聚，形成凝胶。腐殖质在凝聚过程中可使土粒胶结在一起，形成结构体。另外，腐殖质是一种亲水胶体，可以通过干燥或冰冻脱水变性，形成凝胶。腐殖质这种变性是不可逆的，所以能成水稳性团粒结构。,7、吸水性 腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位质量腐殖质的持水量是硅酸盐粘土矿物的45倍，最大吸水量可以超过500%。最大吸湿水量可达本身一倍以上。8、稳定性 稳定性很强，抗微生物分解的能力较强，年矿化率平均1%2%之间。
15、新旧程度不同的腐殖酸分解的速度有很大差异。,第四节 土壤有机质的作用和调节,一、土壤有机质对提高土壤肥力的作用土壤有机质，特别是腐殖质，对土壤肥力的影响是多方面的，主要可归纳如下几点：,（一）植物养分的重要来源1、N源 土壤有机质含有大量而全面的植物养分，特别是氮素，土壤中的氮素95以上是有机态的，经微生物分解后，转化为植物可直接吸收利用的速效氮。2、C源 土壤有机质的分解以及微生物和根系呼吸作用产生的大量CO2是植物碳素营养的重要来源。3、其他 有机质分解过程产生各种有机酸对土壤矿质部分有溶解作用，促进风化，利于部分养分的有效化。络合变价金属元素，不致在土壤溶液中产生沉淀，增加有效性。,土壤
16、有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。据估计全球土壤有机质的总碳量在1.4x10151.5x1015kg，大约是陆地生物总碳量（5.6x1017）的2.53倍。每年因土壤有机质生物分解释放到大气中的总碳量为6.8x1013kg，而全球每年因焚烧燃料释放到大气的碳为6x1012kg，仅占土壤呼吸释放碳的8%9%。,（二）提高士壤的蓄水保肥和缓冲能力,1、蓄水 腐殖质本身疏松多孔,具有很强的蓄水能力。土壤中的粘粒吸水力一般为5060，而腐殖质可高达400600。2、保肥 腐殖质带两性电荷，以负电荷为主，因而有较强的阳离子吸附能力，可以吸附作为养料的K+、NH4+、Ca2+、Mg2+等离子，避免流
17、失。且这些离子可随时被根系附近的其它阳离子交换出来，供作物吸收利用。3、缓冲 腐殖质含有多酸性功能团的弱酸，且其盐类具有两性胶体的作用，因而有较强的酸碱缓冲能力。,（三）改善土壤的物理性质1、土壤结构 新鲜有机质是土壤团聚体主要的胶结剂，在钙离子的作用下，能够形成稳定性团聚体。腐殖质的粘结力和粘着力大于沙粒小于粘粒，因此改良土壤，使砂土变紧，粘土变松。2、土壤热量 腐殖质颜色深，能吸收大量的太阳辐射热，同时有机质分解时也能释放热，所以有机质在一定条件下能提高土壤温度。同时腐殖质热容量比空气、矿物质大，而比水小，导热性剧中，因此土温变幅不大，利于保温和春播。,（四）促进微生物的生命活动1、保证微
18、生物的生命活动 土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分，同时又能调节土壤水、气热及酸碱状况。2、保障肥力的平稳持久 土壤微生物生物量随土壤有机质质量分数的增加而增加。土壤有机质不同于新鲜的有机残体，不会对微生物群落产生“激发效应”。,（五）促进植物的生长发育胡敏酸具有芳香族的多元酚官能团，可以加强植物的呼吸过程，提高细胞膜的透性，促进养分进入植物体，还能促进新陈代谢，细胞分裂，加速根系和地上部分的生长。（六）其他方面的作用腐殖质中含维生素、抗生素和激素，可增强植物抗病免疫能力，胡敏酸还有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染。另外，腐殖质还有利于盐、碱土的改良。,二、土壤有机质的调节 （一）
19、土壤有机质的调节原理 土壤有机质（腐殖质）质量分数的多少，是土壤肥力高低的重要标志。一定范围内，土壤肥力随有机质质量分数的增加而提高，作物产量也相应增加。土壤有机质的质量分数决定于年生成量和矿化量的相对大小。年生成量与施用有机物质的腐殖化系数有关，年矿化量与矿化率有关。主要调节途径：1、增加土壤有机质的来源；2、调节影响有机质积累和分解的因素。,（二）土壤有机质调节的主要措施1、增施有机肥料、种植绿肥 对苗圃土壤和瘠薄的园林绿化地、果园等增施有机肥料是增加有机质的基本方法，据研究，施入土壤中的有机肥料，一般能有2334被分解，其余的则转化为腐殖质积累在土壤中。 2、保留树木凋落物 树木凋落物是
20、林地（园林绿化）土壤有机质的主要来源之一，如果能采取有效措施，效果是不错的。,3、调节土壤水、气、热以及酸碱度等状况 土壤微生物的生活条件得到正常满足时，有机质才能正常转化，矿质化和腐殖化才能得以协调。 4、调节C/N 有机物本身的成分是影响其分解的重要因素之一。有机物含碳素总量和氮素总量的比例，叫做C/N。5、合理耕作 可以调节进入土壤中的有机质种类、数量及其在不同深度土层的分布，既利于发挥地力，又提高了有机质质量分数，培肥土壤。,思考题,1 土壤动物和微生物在有机质转化过程中有哪些 作用？ 2 简述土壤微生物种群的多样性及功能。 3 试述土壤有机质的转化过程。 4 试述土壤腐殖酸的分离过程。 5 有机质对土壤肥力有哪些贡献？ 6. 生产实践中采用哪些措施提高土壤的有机质？,
