土壤有机质.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 土壤有机质,土壤有机质是土壤固相的组成部分，一般占到土壤总重量的,5%,左右。土壤学中把耕层土壤有机质含量在20%(200g/kg)以上土壤叫有机质土，20%以下土壤叫矿质土壤。我国土壤耕层有机质大多数在5%以下，东北土壤较多，华北、西北大多在1%左右，个别漠境土壤不足0.5%。华中、华南水田土壤有机质含量在1.53.5%,旱地土壤含量也较少。,尽管如此，土壤有机质对土壤性质影响却很大。是土壤肥力主要指标，在环境保护、农业可持续发展等方面都有很重要的作用和意义。,概述,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,一、土壤有机质来源及其组成和存在形态,二、土壤有机质的生物转化及其影响因素,三、土壤有机质各主要组分和性质,四、土壤有机质在土壤肥力上的作用,五、土壤有机质的管,理,第二章,土壤有机质,1.来源于数目众多微生物,（1）微生物是最早出现在母质中的有机体。成为最早的土壤有机物质来源,（2）微生物数目繁多，生活代谢周期短。,（3）微生物的代谢产物是土壤有机质来源之一,2.来源于各种动植物残体及其它们的代谢物,（1）树木、灌丛、草类、和其它植物残体。植物生长量成为土壤有机质含量的主要依据,（2）土壤动物:蚯蚓、蚂蚁、鼠类、昆虫等的残体及分泌物,3.来源于施入的各种有机肥,一、土壤有机质来源及其组成和存在形态,（一）土壤有机质的来源,（二）土壤有机物质组成特点及存在形态,1.土壤有机质的物质组成,依据有机物质的分解阶段和存在物理形态分为：,（1）未分解的动植物残体（原材料）,（2）半分解的有机质：成为暗褐色小片,（3）腐殖质：特殊性有机物质,2.土壤有机质化学组成,（1）碳水化合物：单糖、多糖、淀粉、纤维素、果胶物质等,（2）木质素：比较稳定，是形成腐殖质中心核的原始材料,（3）含氮化合物：蛋白质、多肽、氨基酸,（4）脂溶性物质：如树脂、单宁、腊质等,二、土壤有机质的生物转化及其影响因素,有机残体,矿（质）化作用,mineralization,腐殖化作用,humification,各种动、植物有机残体进入土壤后，在水分、温度、土壤微生物等因素的作用下，发生极其复杂的变化过程（土壤有机质的转化过程），,这些过程总的来说是向着两个方向进行：,（一）土壤有机质的矿化作用,1.矿化作用的概念：,有机物质在微生物的作用下分解成无机营养元素的过程,2.矿化作用的意义,（1）为作物生长释放出了营养元素-有效化过程,（2）为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。,3.各种物质矿化作用,（1）糖类有机物质矿化：,多糖,单糖,CO,2,+H,2,O+heat(多）好气条件下,有机酸heat（少）半嫌气条件,CH,4,、H,2,、H,2,S+heat（极少）嫌气,水解酶作用,己糖,淀粉,半纤维素纤维素；,糖类物质的分解是土壤中生物活动的主要能源（生物热）。（45千卡热/g有机物）,（一）土壤有机质的矿化作用,（2）含氮物质的分解,蛋白质,多肽,氨基酸,氨NH,3,硝酸根NO,3,-,蛋白酶,肽酶,氨化细菌,硝化细菌,水解作用,（hydrolyzation),氨化作用(ammonification),硝化作用（nitrification),任何条件下,好气,条件下,（一）土壤有机质的矿化作用,（3）含磷和硫化合物的分解,含磷和硫化合物,的分解,正磷酸盐H,2,PO,4,-,、HPO,4,=,、PO,4,3,、,正硫酸盐 HSO,4,-,、SO,4,=,好气条件,偏磷酸盐和次磷酸盐H,3,PO,3,、H,3,PO,2,、H,3,P,气体 H,2,S,(黑根、毒害）,嫌气条件,（一）土壤有机质的矿化作用,4.矿化率（mineralization rate)：,每年因矿化而消耗的有机物质量占土壤有机质总量的百分数。,矿化率作为土壤矿化快慢的指标。,一般土壤年矿化率为1%左右。,（一）土壤有机质的矿化作用,（二）土壤有机质的腐殖化作用,1.腐殖化概念,腐殖质：,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：,有机物质在分解转化过程中，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。,2.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。,土壤腐殖化作用分为三个阶段：,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及反复的循环，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，聚合形成腐殖物质。,（二）土壤有机质的腐殖化作用,腐殖物质形成有四条途径：,（二）土壤有机质的腐殖化作用,途径1：,糖胺缩合学说,途径2、途径3：,多元酚理论,途径4：,木质素蛋白质理论,植物残体,糖,类木质素,腐殖物质,醌,多酚,氨基化合物,木质素分解产物,醌,在微生物的作用下发生转化,(1),(2),(3),(4),图2-1 土壤腐殖物质形成过程中的转化途径,3.腐殖化系数：,给土壤加入单位有机物质后，所产生腐殖质的斤数（一般指一年以后）。,腐殖化系数大小不仅取决于有机物质品种本身，也取决于各种环境条件：旱地土壤腐殖化系数一般在0.200.30，而水田则为0.250.40之间。,（二）土壤有机质的腐殖化作用,土壤有机物质分解转化是在微生物的作用下进行的，属于生物化学反应。,1.温度:,在035范围内，随着温度升高，有机物质分解速率增加。每上升10，土壤有机质分解速率升高23倍。温度高于45和低于0微生物的活性都会降低，有机物质分解速率变慢。高于50就是纯氧化反应。,南方土壤有机质含量低于北方土壤原因：温度增加10，有机质分解速率增加23倍。,（三）影响土壤有机质分解和转化的因素,2.土壤水分（通气性）：,微生物生命活动需要一定的湿度条件和通气条件。如果,适度湿润,且通气良好，土壤中的好气微生物活动旺盛，有机物质进行着好气分解，分解速度快、分解完全、矿化率高、中间产物少、养料释放多、不会产生有毒物质；如果,湿度过大,，水分堵塞了土壤孔隙，使通气状况受阻，嫌气微生物活动旺盛，有机物质分解慢、不彻底、有中间产物累积、释放还原性气体、产生环境效应、也影响植物生长。,水田不宜提倡秸秆还田，不用以牺牲环境为代价，换取增产。,（三）影响土壤有机质分解和转化的因素,3.植物残体的特性：,主要是有机物的物理状态和组成，包括：新鲜程度、细碎程度、植物组织的C/N,C/N比：,有机质中有机碳和有机氮的重量比,（动画）,土壤的,C/N比,:,8:115:1 中间值为10:112:1。,植物的C/N比：,豆科植物20:130:1。作物秸秆为80:1100:1,微生物,C/N比,：,5:110:1,平均为8:1,C/N比意义：,1.具有较高C/N的植物残体进入土壤会引起微生物与植物争氮现象。C/N比作为秸秆还田的重要技术参数需要考虑。,2.不同土壤有一个相对稳定的C/N比。土壤,碳,的保持决定于土壤,氮,的水平。有机体的含氮量越大，则有机碳累积的可能性也就越大。所以，C/N不仅与土壤氮的有效性有关，而且也跟土壤有机质的保持有关。在耕作土壤管理中，两方面都需要考虑。,（三）影响土壤有机质分解和转化的因素,4.土壤特性,：,（1）,土壤的 pH条件,各类微生物最适活动的pH条件：,细菌中性；,放线菌偏微碱性；,真菌酸性pH 36；,土壤pH高于8.5和低于5.5，都不适宜微生物活动。绝大多数微生物最适pH条件为中性。,（2）土壤质地条件,土壤有机质含量与土壤中粘粒的含量具有极显著的正相关关系。,（三）影响土壤有机质分解和转化的因素,三、土壤有机质各主要组分和性质,（一）土壤有机质组成,土壤有机质,非腐殖物质,腐殖物质,1.非腐殖物质：,有特定的物理化学性质、结构已知的有机化合物。,(,1）碳水化合物：多糖、糖醛酸和氨基糖组成，主要来源于植物残体和根系分泌物，含量占有机质总量1527%，其中多糖是主体，含量约为有机质总量的922%，多糖对土壤结构影响研究倍受关注。,（2）含氮化合物：主要来源于生物残体中含氮化合物，其中主要形式为蛋白质、缩氨酸，易于分解成氨基酸，占的量不高。,（一）土壤有机质组成,2.腐殖物质：,有机物质在微生物作用下分解转化成一种特殊的、高分子、暗色的有机物质。,腐殖物质是在土壤中形成的,一类,特殊的化合物，远不同于动植物体内的其它有机化合物，结构复杂、性质稳定、存留时间长、和无机矿物颗粒密切结合在一起，是土壤有机质主体成分，占有机质总量的5090%，基本上与盐基离子形成各种腐殖酸盐。,中心为芳香核、连接了许多支链化合物的复杂结构,（一）土壤有机质组成,（二）土壤腐殖质分离与提取,以上是依据腐殖酸类物质溶解性进行分类与提取,请注意三大类腐殖组分，尤其是胡敏酸（HA）和富啡酸（FA）,土壤,用稀碱,（NaOH）,去除了动植物,残体细土样,溶液,（腐殖酸）,Humic acids,黑色残余物,(胡敏素）,humin,酸化,（HCl）,黄色溶液,（富啡酸）,Fulvic acid，FA,褐色沉淀,(胡敏酸),humic acid，HA,用乙醇,溶解,溶解,吉玛多,美朗酸,碱溶后加电解质,NaCL,沉淀,灰色腐殖酸,溶液,棕色腐殖酸,水浮选、手挑、静,电吸附或采用比重,1.8或2.0重液浮选,（轻组）,一般将土壤腐殖物质划分为三个组，但这些组分只是操作上的划分，而不是特定化学组分的划分。,1.胡敏酸,（褐腐酸、HA）：碱可溶，水和酸不溶，,颜色和分子量中等；,2.富啡酸,（黄腐酸、富里酸、FA）：水、酸、碱都,可溶，颜色最浅、分子量最低；,3.胡敏素,（黑腐素）：水、酸、碱都不溶，颜色最,深、分 子量最高，但其中一,部分能被热碱所提取。,（二）土壤腐殖质分离与提取,（三）土壤腐殖酸的性质,1.腐殖酸的组成,（1）腐殖酸的元素组成,腐殖酸主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。,腐殖质含碳约5560，所以，,一般以腐殖质分子的平均含碳量58%作为有机碳和腐殖质的换算系数（1.724=100/58）。,腐殖质含氮约36，平均为5.6，其C/N=10:112:1，且在不同的腐殖酸中均为：胡敏素胡敏酸富啡酸。,腐殖酸,C,（%）,H,（%）,（O+S）,（%）,N,（%）,分子量,胡敏酸,富啡酸,5060,4553,3.15.3,4.04.8,3140,4050,2.85.9,1.64.3,8902550,6751450,我国土壤腐殖酸的元素组成（南京土壤研究所）,（2）腐殖酸的化学结构,分子结构非常复杂，有许多模式，但相对统一的认识是中心为芳香核（,疏水性基团,），周围有许多支链化合物（有许多功能团）成为网状结构特征。功能基团包含有：,羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基,等,。这些基团成为腐殖质分子活性最强的部分，如带电性、吸附性、亲水性等。,种类 羧基 酚羟基 醇羟基 醌基 酮基 甲氧基 总酸度,HA 15-57 21-57 2-49 1-26 1-5 3-8 67,FA 55-112 3-57 26-95 3-20 12-27 3-12 103,腐殖质的含氧官能团含量（m mol M,）.kg,-1,芳构化程度：表示腐殖酸分子中芳香环结构所占的比例。表示腐殖质的缩合度,（三）土壤腐殖酸的性质,（3）腐殖酸的分子形状：,多数人认为是网状多孔结构.现代用电子显微镜观察发现，腐殖质为非晶质物质，分子结构非常松散。大致呈无规则线状，其结构受pH、溶液电解质浓度的影响极大。,pH 2-3 纤维、纤维束状,pH 4-7 网状、海绵状,pH 8-9 页状,pH 10 粒状,HA的3D优化结构模型,（三）土壤腐殖酸的性质,2.腐殖酸的理化性质,（1）颜色,：,腐殖酸不分组时，整体呈现黑色，但不同组分其颜色不同，胡敏酸颜色较深，呈棕褐色，富啡酸颜色较浅，呈淡黄色。,腐殖质颜色主要由缩合度的大小和发色团的比例不同而引起。,A4/A6比值或(E4/E6):,腐殖质在波长为465nm和665nm（或400nm和600nm)处的吸光值的比，是腐殖化程度的指标。,（三）土壤腐殖酸的性质,（2）溶解性：,腐殖质是一种弱酸，可溶于碱溶液而生成腐殖酸盐。,富啡酸,溶于水、酸、碱,；胡敏酸,不溶于水和酸，但溶于碱,；,富啡酸的,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：,是一种亲水胶体，最大吸水量可以超过500%,（三）土壤腐殖酸的性质,（4）带电性：,属于两性胶体。在酸性情况下带负电荷，碱性情况下带正电荷。电荷来源主要是腐殖酸分子羟基解离和胺基质子化。带电量为5001200cmol/kg，随pH升高而升高。,（三）土壤腐殖酸的性质,（5）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。,（三）土壤腐殖酸的性质,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，富啡酸的,平均停留,为,200-630,年。,（6）稳定性,：,土壤有机质平均停留期（MRT）：,土壤有机质各组分年龄,的加权平均值。,（三）土壤腐殖酸的性质,（一）提供植物需要的养分,土壤有机质含有大量而全面的植物养分。,1.碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础；,2.氮素营养：土壤有机质中的氮素占土壤全氮的90-98%；,3.磷素营养：土壤有机质中的磷素占土壤全磷的20-50%；,4.其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素；,5.腐殖酸的络合和螯合，防止了某些金属如Cu、Zn沉淀，提高了有效性；,6.有机酸促进了矿物风化、溶解释放其养分。,有机物质是多元素的长效肥,四、土壤有机质的作用,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(胶结剂-胡敏酸、多糖）,降低土壤粘结性、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：,进入土壤的植物组织具有一定的热量,腐殖质黑色有利于吸热增温,导热性较大,土壤有机无机复合体示意图,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）土壤微生物活动所需能量的重要来源,（2）影响根系的生长,（3）影响植物的抗旱性(增强了细胞渗透性和刺激根系下扎）,（4）影响植物的物质合成与运输,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,（一）有机质对重金属污染的影响,腐殖酸是重金属离子的络合剂。,（二）有机质对农药等有机污染物的固定作用,褐腐酸可使残留在土壤中的某些农药如D.D.T、三氮杂苯等溶解度增大，加速淋出土体。减少对农作物危害，,（三）土壤有机质对全球碳平衡的影响,从全球来看，土壤有机质水平的不断下降，对全球气候变化的影响不亚于人类活动向大气排放的影响。,（四）对环境不良影响,还原气体的产生 CH,4,、H,2,S等,有机质在生态环境上的作用,1.生态平衡原则,在各种环境条件下，土壤有机质矿化和腐殖化处于相对平衡状态，故土壤有机质含量一般是相对稳定的；,在特定的气候带，特定植被条件下，土壤有机质积累到一定数量时，将保持较稳定的数值，不可能上升到惊人的水平；,有机质含量下降要比提高快。,(东北黑土开垦后退化),2.经济原则,超量使用有机肥或其它大量的有机物质是不现实的、更是不经济的，必须按照经济原则培肥土壤。,（有机无机并重）,五、土壤有机质的管理,（一）提高土壤有机质含量的原则,1.合理的施肥措施,（1）施用有机肥,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）种植绿肥,田菁、紫云英、紫花苜蓿等,休闲绿肥,粮肥间套,因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,（3）秸秆还田,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,（二）提高有机质含量的措施,2、适宜的耕种方式,（1）免耕、少耕技术,研究资料表明，,免耕,可以显著地增加土壤微生物生物量和微生物碳与有机碳的比率，使土壤有机质含量增加。,（2）轮作制度,与单一作物连作相比，实行,绿肥或牧草与作物轮作,可显著提高土壤有机质含量。,（3）其他耕种栽培措施,秸秆,覆盖,、薄膜覆盖、旱地,改水田,等都可显著增加土壤有机质含量。,3.其他措施,土壤调控技术措施,（1）调解土壤湿度和通气性,（2）温度：中耕松土（锄头下边有肥）,（3）土壤pH,(4)土壤C/N比,田间麦秸堆腐还田,(一)基本概念,1.土壤有机质 2.土壤腐殖质 3.矿化作用,4.腐殖化作用 5.C/N,(二）问答题,什么叫土壤有机质,?,包括哪些形态,?,其中哪种最重要,?,影响土壤有机质分解转化的因素有哪些？,3.,叙述土壤有机质在土壤肥力和生态环境上的意义和作用,?,4.,增加土壤有机质的方法有哪些,?,你认为最有效是哪种,?,思考题,