杨寿甫 土壤有机质教案.doc

河北省现代农艺专业专业带头人培训教案

《土壤有机质》

海兴县职教中心 杨寿甫

二〇一〇年八月

土壤有机质
海兴县职教中心 杨寿甫
一、学时安排：4学时
二、教学要求：
1、了解土壤有机质的来源、含量及其组成
2、掌握土壤有机质的分解和转化
3、理解土壤腐殖物质的形成和性质
4、掌握土壤有机质的作用及管理
三、教学重点：土壤有机质的分解和转化，土壤腐殖物质的性质，土壤有机质的作用及调节
四、教学难点：土壤有机质的分解和转化，土壤有机质的调节
土壤有机质是土壤的重要组成部分，对土壤肥力、生态环境有重要的作用。土壤有机质是指存在于土壤中所有含碳的有机物质，包括土壤中各种动物、植物残体、微生物体及其分解和合成的各种有机物质，即由生命体和非生命体两部分有机物质组成。该章主要介绍非生命体有机质以及与之有关的生物过程和影响因素。
第一节 土壤有机质的来源、含量及其组成
一、土壤有机质的来源、存在形态
（一）来源 原始土壤中微生物是土壤有机质的最早来源。随着生物的进化和成土过程的发展，动物、植物残体称为土壤有机质的基本来源。自然土壤经人为影响后，还包括有机肥料、工农业和生活废水、废渣、微生物制品、有机农药等有机物质。
（二）存在状态：
1、新鲜有机质；
2、半分解有机质；
3、腐殖质。
新鲜有机质和半分解有机质，约占有机质总量的１０％～１５％，易机械分开，是土壤有机质的基本组成部分和养分来源，也是形成腐殖质的原料。腐殖质约占85%～９０％，常形成有机无机复合体，难以用机械方法分开，是改良土壤、供给养分的重要物质，也是土壤肥力水平的重要标志之一。
二、土壤有机质的含量
土壤有机质的含量差异很大，高的达20%或30%（泥炭土），低的不足0.5%（漠境土）。耕作土壤表层的有机质含量通常<5%,一般在1%～3%之间。 一般把耕作层有机质含量>20%——有机质土壤； 耕作层有机质含量<20%——矿质土壤。
三、土壤有机质的组成
(一)元素组成 主要元素组成是C、H、O、N，分别占52％～58％、34％～39％、3.3％～4.8％和3.7％～4.1％，其次是P、S。
（二）化合物组成
１、糖、有机酸、醛、醇、酮类及其相近的化合物：可溶于水，完全分解产生ＣＯ２和Ｈ２Ｏ，嫌气分解产生ＣＨ４等还原性气体。
２、纤维、半纤维素： 都可被微生物分解，半纤维素在稀酸碱作用下易水解，纤维素在较强酸碱作用下易水解。
３、木质素：比较稳定，不易被细菌和化学物质分解，但可被真菌和放线菌分解。
４脂肪、蜡质、树脂和单宁等：不溶于水而溶于醇、醚及苯中，抵抗化学分解和细菌的分解能力较强，在土壤中除脂肪分解较快外，一般很难彻底分解。
５、含氮化合物：易被微生物分解
６、灰分物质（植物残体燃烧后所留下的灰），占植物体重的５％。主要成分有Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn等。 也可简单分为腐殖物质和非腐殖物质。
第二节 土壤有机质的分解和转化
进入土壤的有机质在微生物作用下，进行着复杂的转化过程，包括矿质化过程与腐
殖化过程
一、矿质化与腐殖化
（一）矿质化
微生物分解有机质，释放CO2和无机物的过程称矿化作用。这一过程也是有机质中养分的释放过程。土壤有机质的矿质化过程主要有以下几种。
1、碳水化合物的分解
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)n＋nH2O--→nC6H12O6。
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。如果在好气条件下，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：
nC6H12O6＋6O2—→6CO2＋6H20＋热量
如果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--→CH3CH2CH2COOH＋2H2＋2CO2＋热量
4H2＋CO2－→CH4＋2H2O
碳水化合物的分解，不仅为微生物的活动提供了碳源和能源，扩散到近地表大气层
中的CO2，还可供绿色植物光合作用所需要的碳素营养。CO2溶于水形成碳酸，有利于
土壤矿质养分的溶解和转化，丰富土壤中速效态养分。
2、含氮有机质的分解
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。不经
分解多数不能为植物直接利用。
（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
蛋白质-------→氨基酸
水解酶
氨基酸大多数溶于水，可被植物、微生物吸收利用，也可进一步分解转化。
（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
氧化：
CH2NH2COOH＋O2→HCOOH＋CO2＋NH3
好气分解
还原：
CH2NH2COOH＋H2→CH3COOH＋NH3
嫌气分解
水解：
CH2NH2COOH＋H2O→CH2(OH)COOH＋NH3
不论土壤通气状况如何，只要微生物生命活动旺盛，氨化作用就可以在多种条件下进行。氨化作用生成的氨，在土壤溶液中与酸作用生成铰盐，植物也可以直接吸收利用，也可以NH4＋吸附在土壤胶粒上，免遭淋失，也会以NH3逸入大气造成氮素的损失，或进行硝化作用，转化成硝酸。
（3）硝化作用
氨态氮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。其反应如下：
2NH2＋3O2--→2HNO2＋2H2O＋热量
2HNO2＋O2—→2HNO3＋热量
硝化作用是一种氧化作用，只能在土壤通气良好的条件下进行，因此适当地中耕、松土、排水、经常保持土壤疏松透气，是硝化作用顺利进行的必要条件。
硝化作用产生的硝酸与土壤中的盐基作用生成硝酸盐，NO3－也可直接被植物吸收，但NO3－不易被土壤胶粒吸附，易随水淋失。
（4）反硝化作用
同细菌在无氧或微氧条件下以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
C6H12O6＋24KNO3→24KHCO3＋6CO2＋12N2↑＋18H2O
反硝化作用是土壤氮素损失的过程，多发生在通气不良或富含新鲜有机质的土壤中，改善土壤的通气状况，能抑制反硝化作用的进行。
3、含磷、硫有机物的分解
（1）含磷有机物的分解
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。在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢，其反应如下：
H3PO4－--→H3PO3---→H3PO2---→PH3
磷化氢有毒，在水淹条件下常会使植物根系发黑甚至死亡。
（2）含硫有机物的分解
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：
2H2S＋O2---→2H2O＋2S
2S＋3O2＋2H2O－→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。硫酸还可增加土壤中矿质养分的溶解度，提高其有效性。
细菌在无氧条件下，以SO42－作呼吸作用的最终电子受体产生S或H2S的硫酸盐还原过程，称反硫化作用。硫化氢对根系有毒害作用，能造成根系腐烂。因此，应排除土壤多余水分，改善土壤通气条件，抑制反硫化作用进行。
（二）腐殖化
腐殖化指有机质被分解后再合成新的较稳定的复杂的有机化合物，并使有机质和养
分保蓄起来的过程。一般认为腐殖质的形成要经过两个阶段：
第一阶段：微生物将动植物残体转化为腐殖质的组分，如芳香族化合物（多元酚）
和含氮的化合物（氨基酸和多肽）； 第二阶段：在微生物的作用下，各组分通过缩合作用合成腐殖质的过程。在第二阶段中，微生物分泌的酚氧化化酶，将多元酚氧化为醌，醌与其它含氮化合物合成腐殖质。即1）多元酚氧化为醌；2）醌和氨基酸或肽缩合。
腐殖化系数：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。
激发作用：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。激发效应可正可负。
矿质化和腐殖化两个过程互相联系，随条件改变相互转化，矿化的中间产物是形成腐殖质的原料，腐殖化过程的产物，再经矿化分解释放出养分，通常需调控两者的速度，使其能供应作物生长的养分同时又使有机质保持在一定的水平。
二、影响有机质转化的因素
微生物是有机质转化的主要驱动力，凡是能够影响微生物活动及其生理作用的因素
都会影响有机质的转化。
（一）植物残体特性
1、物理状态：
新鲜程度、破碎程度和紧实程度。
2、C／N ：
C／N不仅影响有机残体分解速度，还影响土壤有效氮的供应，通常以25:1或30:1较为合适。因为微生物生物体合成需要5份C和1份N，同时需要消耗20份N作为能源，故C／N＜25:１时，微生物活动最旺盛，分解有机质速度较快，释放出大量N素，相反C／N＞25:１时，N相对不足，会出现微生物与植物共同争夺土壤中的有效N。
3、化合物组成 :含易分解有机化合物多的比含难分解化合物多的易分解，如含蛋白质多的比含木质素多的易分解。
（二）水分、通气性
最适湿度：土壤持水量的50%～80%； 低洼、积水有利于有机质的积累。通气不良利于有机质累积。
在好气条件下，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。
（三）温度 ：
在0～35℃范围内，有机质的分解随温度升高而加快。土壤微生物活动的最适宜温度大约为25-35℃。
（四）土壤特性
1、质地
粘粒含量越高，有机质含量也越高。有机质与粘粒结合免受微生物破坏。
2、pH值
通过影响微生物的活性而影响有机质的分解。各种微生物都有其最适pH范围，多数细菌的最适pH为6.5～7.5，真菌为3～6、，放线菌为略偏向碱性。由于细菌数目最多，所以pH6.5～7.5较适宜，过酸过碱对一般的微生物均不大适宜
第三节 土壤腐殖物质的形成和性质
腐殖质是一类以芳香化合物或其聚合物为核心，复合其他有机物的有机复合体，是组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物，非常稳定难溶于水。腐殖质非常稳定对维持土壤有机质水平，减少氮素等其他养分移动、损失是十分重要的。
一、土壤腐殖质的形成
土壤腐殖化作用是一系列极端复杂过程的总称，是由微生物为主导的生物和生物化学过程，还有一些纯化学的反应。目前，对土壤腐殖化作用的看法一般分为三个阶段：
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，聚合形成高分子多聚化合物，即腐殖质。
二、土壤腐殖酸的分组
腐殖酸是腐殖质的主要成分，腐殖质主体是腐殖酸与金属离子相结合的盐类，要想研究腐殖酸，就必须将之从土壤中提取出来，但较为困难，目前常用的方法是：先将土壤中未分解或部分分解的动植物残体分离，然后用不同的溶剂来浸提土壤。

其中胡敏酸和富里酸为主要成分。
三、土壤腐殖质的存在形态
游离状态的腐殖质，土壤中极少；
与盐基化合成稳定的盐类(腐质酸钙镁)；
与含水三氧化物化合成复杂的凝胶体；
与粘粒结合成胶质复合体（有机无机复合体）。52%～98%的有机质集中在粘粒部分。
四、土壤腐殖质的性质
（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、溶解性与凝聚性
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。
腐殖酸可与铁、铝、铜、锌等形成络合物，其稳定性随pH升高而增大，降低而降低。在水中为溶胶，增加电解质浓度或高价离子形成凝胶。
3、吸水性
亲水胶体，最大吸水量可以超过500%，粘粒仅为15%～20%。
４、分子结构和分子量
目前还没有完全确定，只明确以芳香核为主体，附以各种功能团。分子量因土壤和组分的不同而不同，胡敏酸平均为2500～2000，富里酸平均为680～1450。
我国主要土壤腐殖酸的元素组成
元素（%）
C
H
O+S
N
HA
50-60
3.1-5.3
31-41
3.0-5.6
FA
45-53
4.0-4.8
40-48
2.5-4.3
（二）化学性质
１、元素组成
C 、H 、O、 N 和S等，其中C 平均为58%，N平均为5.6%
2、含氧官能团羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。
腐殖质的含氧官能团含量（m mol M＋）.kg-1
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
3、电性
腐殖酸是一种两性胶体。既可以带负电荷，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。
（三）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、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1.0；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、有机质在土壤肥力上的作用
（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1.35×1011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。
（二）改善土壤肥力特性
1、物理性质
粘力居中，促进良好结构体形成；深色吸热，热容量仅小于水促进土壤升温
2、化学性质
增强保水、保肥和缓冲性
3、生物性质
对微生物来讲，OM是微生物生命活动所需要的养分和能量来源，土壤中微生物的数量与OM的含量呈正相关；
二、有机质在生态环境上的作用
首先：能改变植物体内糖类的代谢，促进还原糖的累积，提细胞的渗透压，从而提高植物抗旱能力。
其次:能促进过氧化物酶的活性，加速种子萌发和养分的吸收，从而促进植物生长。
再次：胡敏酸的稀溶液，能促进植物的呼吸作用，增加质膜的透性，从而提高植物吸收养分的能力，而且能加速细胞分裂，促进根系发育。
（一）有机质对重金属污染的影响 （络合、氧化还原、吸附）
（二）有机物质对农药污染的影响（固定、迁移，降低或消失其农药毒性）
（三）土壤有机质对全球碳平衡的影响（有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库）
三、土壤有机质的管理
在一定范围内，土壤肥力以及作物产量随有机质含量提高而增加，但是土壤有机质并不是愈多愈好，当超过一定范围，对作物和土壤肥力均不利，而且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。土壤有机质含量决定于年生成量（腐殖化系数）和年矿化量（矿化率）的大小。如何提高土壤有机质含量，坚持平衡原则和经济原则，调节有机质的积累和分解，使既能提高土壤有机质含量，又能以适当的分解速度向作物提供养分。措施主要包括两个方面：增加有机质的来源；调节有机质的积累和分解过程。
（一）增加有机质的来源具体措施：
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、套作绿肥。 养用结合：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）调节土壤有机质的分解速率
土壤有机质的转化是通过微生物活动来进行的。为了充分发挥有机质的有益作用，就必须调节土壤微生物的活动，使有机质能及时分解，即不能太慢，也不能太快。分解太慢，释放出的养分少，不能满足作物的需要；而分解太快，不但会使土壤有机质产生无益消耗，还会造成养分的流失及作物的猛长。此外，土壤有机质过快的消耗会导致土壤结构的破坏，使土壤的理化性质变劣，耕性恶化。因此采用正确的调节措施，以调节土壤有机质的分解速率使之适应于作物生长发育的需要，成为土壤有机质动态平衡中的另一个重要问题。通过控制影响微生物活动的因素，来达到调节土壤有机质分解速率的目的。这些因素包括：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；调节碳氮比和土壤酸碱度。
思考题：
１、什么叫土壤有机质?包括哪些存在形态?其中哪种最重要?
２、试述土壤有机质的转化过程。
３、影响土壤有机质转化的因素有哪些?
４、简述土壤腐殖质的性质。
５、叙述土壤有机质在土壤肥力上的意义和作用?
６、生产实践中采用哪些措施提高土壤的有机质？
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