11级土壤地理学031.ppt
第二节 土壤有机质,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。这主要体现在两个方面：一方面它是土壤肥力的重要物质基础，而土壤肥力是土壤的本质属性；另一方面，它也是土壤形成的主要标志。深厚的含腐殖质结构层的出现是土壤形成的标志之一。,广义：土壤中的各种动植物残体、及微生物分解和合成的化合物。 狭义：有机残体经微生物作用形成的一类特殊、复杂、性质比较稳定的高分子有机化合物，即土壤腐殖质。,一、土壤有机质(soil organic matter)概念,1、植物残体:包括各类植物的凋落物、死亡的植物体及根系。这是自然状态下土壤有机质的主要来源。 2、动物、微生物残体：包括土壤动物和为土壤动物的残体，及各种微生物的残体。 3、动物、植物、微生物的排泄物和分泌物：土壤有机质的这部分来源虽然量很少，但对土壤有机质的转化起着非常重要的作用。 4、人为施入土壤中的各种有机肥料（绿肥、堆肥、沤肥等），工农业和生活废水、废渣等，还有各种微生物制品，有机农药等。,二、土壤有机质的来源,土壤有机质主要来源是各种植物残体(redidue: dead plant part)，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异，从而导致土壤有机质的差异。 Forest soil（森林土壤)：枯枝落叶(lither) Steppe soil（草原土壤)：草、根系(grass and root system) Cultivated soil（耕作土壤)：作物残茬(crop residue)、 施用的有 机肥 Forest soil（森林土壤)：酸性有机质(acid organic mater) Steppe soil（草原土壤)：中性有机质(neutral organic mater),动物,大型动物,微型动物：线虫、原生动物,植食动物,肉食动物：鼹鼠、蜘蛛,啮齿类：鼠类,节肢动物：弾尾虫、蜈蚣、蚂蚁、 甲虫等,环节动物：蚯蚓,微生物：藻类、真菌、放线菌、细菌,土壤 生物,springtails are microarthropods（小截肢动物） that live in the litter or in the pore space of the upper 10-15 cm of soil. They are saprophagous（食腐的） and feed mainly on fungi, bacteria and algae （藻类）growing on decomposing plant litter .,扩展阅读,Granular casts on the soil surface of an African soil.,An earthworm gallery in the Colombian savannah filled with casts and a root following the pathway opened by the earthworm. Root hairs are attached to the cast where higher availability of nutrients (C, N and P) exists compared with the surrounding soil.,讨论：土壤中生物作用?,扩展阅读,Cycling nutrients,Plants primarily need simple inorganic forms of each nutrient. Soil organisms create many of these plant-available nutrients and help store nutrients in the soil as organic compounds. Decomposition is the breakdown of plant and animal residue into different organic and inorganic compounds.,Soil organisms play an important role in the formation of a good soil structure.,As spring turns to summer and the soil heats up, fungi grow long hyphae that surround soil particles and hold them together in soil aggregates. Some bacteria produce sticky substances that also help bind soil together. Arthropods（节肢动物） and earthworms consume soil, digest the bacteria, and excrete a clump of soil coated with secretions（分泌物） from the gut. Beetles（甲虫） and earthwormsto aerate the soil and create nutrient-lined channels for roots and water to move through.,Six等综述了土壤团聚体与土壤生物和有机质之间的关系,土壤动物包括蚯蚓和白蚁. Pulleman等认为蚯蚓的摄食活动及其排泄物影响团聚体的转化和土壤有机质的变化，可直接引起土壤微团聚体的形成，并可保护土壤有机质免受微生物的降解。,三.有机质组成,非 特 异 性 有 机 质,植 物 组 织,土 壤 动 物,微 生 物,腐 殖 质,胡 敏 酸,富 里 酸,游离态,稳定盐类,复杂凝胶体,非水溶性络合物,有机-无机复合体,碳水化合物,木质素,蛋白质,腐殖质：占85-90%,色：深,黄,Sugar, starches/stt/ , 糖类·淀粉等 Cellulose'seljlz , Hemi-cellulose (半)纤维素 Lignin 'lgnn 木质素,proteins and amino acids 含N化合物 Resin 树脂· Tannin 单宁· Wax蜡质· Fat 脂肪 Ash element 灰分元素,土壤有机质的化学组成,土壤腐殖质（humus） 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。通常占土壤有机质的90%以上。,非腐殖物质(Non-humic substances)(2030%) 腐殖物质(Humic substances)（6080%） 经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。 胡敏素(Humin) 胡敏酸(Humic acid) 富啡酸(Fulvic acid),土壤有机质,用碱提取过滤,溶液,酸化后过滤,不溶性残余物 （胡敏素）,沉淀,溶液 （富里酸）,酒精溶提并过滤,不溶性残余物 （胡敏酸）,溶液 （吉马多美朗酸）,腐 殖 质 的 分 离,四、土壤腐殖质的性质,构造复杂的高分子有机化合物 元素成分：C、H、O、N、P、S、Ca等 黑色或棕色有机胶体，分子巨大 带有电荷、两性胶体 凝胶 吸水性,扩展阅读,腐殖质含有很多羧基、羟基、羰基、氨基等功能团的组分，其中以羧基和酚羟基最重要。在pH5.0时，有52%的Cu2+为强酸性羧基和酚羟基形成的结合物。 腐殖质是土壤中最重要的天然螯合剂，在土壤有机质中占有很高比例，并且相当稳定。大多数金属离子的螯合物和腐殖质结合的形态。所以，近十年来，腐殖质与金属离子的结合作用的研究日趋受到重视。 www.doc88.com/p-973359334158.html,五、土壤有机质的转化,矿质化过程,腐殖化过程,1、矿化作用(Mineralization) 土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。,1）、碳水化合物的分解 首先水解为单糖： (C6H10O5)nnH2OnC6H12O6 氧化作用 nC6H12O66O2 6CO26H20热量 发酵作用 C6H12O6 3CO2 3CH4 热量,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。 （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 （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。 CH2NH2COOHO2 HCOOHCO2NH3 CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3 CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3 （3）硝化作用 2NH33O2 2HNO22H2O热量 2HNO2O2 2HNO3热量,水解,(4）反硝化作用 3）、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：,反硝化细菌,24KHCO36CO212N218H2O,C6H12O624KNO3,4）、含硫有机物的分解 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。,2. 腐殖化过程:(Humification) 各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。,有 机 质 转 化,有机质种类,C/N,高灰分,通气状况,水热状况,pH,六、影响有机质转化的因素,有机质本身的物质组成,1、生物残体的C/N对土壤有机质的转化和保持的影响,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。一般来说，微生物生长或者增加体细胞时每分解25或30份碳素需要同化1份的氮素，因此，生物残体的C/N在25：1或30：1时，最有利于其分解。,C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中 的有效氮，相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮。,1）High ratio ( 30) - material low in N so microbes lack N and decomposition is slow. If any soil N is present in the soil, microbes will compete with plants for it. Have to apply additional N to hasten decomposition of high C/N material and prevent N deficiency on crop. 2）Intermediate ratio (15 to 30) - balanced N content. Meets microbes needs and does not cause N deficiency. 3）Low ratio ( 15) - contains excess N. N will be released into the soil with decomposition.,C/N ratio,扩展阅读,王常慧等研究发现当有机质的C/N大于30:1时，有机质在矿化作用的最初阶段不可能对植物产生供氮效果，反而有可能使植物缺氮现象更为严重，当有机质的C/N小于15:1时，在其矿化作用一开始，它所提供的有效氮量就会超过微生物同化量，使植物有可能从有机质矿化过程中获得有机氮的供应。,2、土壤的通气状况 土壤的通气状况影响着有机质转化的速度和方向。 只有当有机质在一定的通气状况下，既有利于矿质化， 又利于腐殖质的累积时，才能保证养分连续不断地供应。 3、土壤的水、热状况 试验证明，土壤温度为30度，土壤湿度保持在田间持水量的60-80%时，有机质的分解强度最大。 4、土壤的酸碱反应 酸碱反应影响微生物活动，从而也影响有机质的 转化。,七、土壤有机质在土壤肥力中的作用,1、 土壤有机质是植物养料的重要来源 土壤有机质含有丰富的植物所需要营养元素，如碳、氢、氧、磷、硫、钾、钙等，还含有多种微量元素，通过不断分解供植物吸收利用。 例如，植物生活所需的CO2，有7095%是有机质分解供给的。,同时植物养分以腐殖质形态存在的，由于腐殖质比较稳定，分解缓慢，具有持续供应植物养分的特点。 有机质在分解过程中产生的有机酸、无机酸可将难溶的矿质养料转化为可溶性养料，以增加土壤中有效养分的含量。,2、土壤有机质能提高土壤的蓄水、保肥和缓冲能力 腐殖质本身疏松多孔，具有很强的蓄水保水能力。 腐殖质的羧基、酚羟基等使有机胶体带负电荷，具有较强的代换性能，比矿物质代换量要高十到几十倍，可以大量吸收保存植物养分，以免淋溶损失。,土壤有机酸（如草酸、乳酸等）、氨基酸等都是络合剂，能和钙、镁、铁、铝等形成稳定性的络合物，能提高无机磷酸盐矿物的溶解性。 土壤有机胶体是一种具有多价酸根的有机弱酸，其盐类具有两性胶体的作用，有很强的缓冲酸碱化的能力，利于植物的生长发育。,3、土壤有机质能改善土壤的物理性质 土壤有机质几乎对所有的土壤物理性质都有良好的影响，腐殖质是很好的胶结剂，在钙离子的作用下能使土粒形成良好的团粒结构； 腐殖质色暗，可加深土壤颜色，增强土壤的吸热能力，同时其导热性小，有利于保温，同时，有机质在分解时也能放热，所以在一定条件下，能提高土壤的温度，缓和土温的变化； 腐殖质的粘结力和粘着力比粘土小，比砂土大，增加腐殖质的含量，能改善粘土的紧实，通气不良和耕性状况，也能改善砂土过于松散的现象,4、土壤有机质能促进土壤微生物的活动 土壤有机质能提供微生物活动所需的能量和养料，同时又能调节土壤水、气、热和酸碱状况，改善土壤微生物的生活条件，有利于微生物的活动。 一般说来，土壤微生物的数量和活动强度，常与土壤有机质的含量成正相关。,5、土壤有机质是植物生长激素 土壤有机质中含有许多对植物生长发育起激素作用的物质，维生素B1、B2、激长素等类型化合物。这些激素的作用在于提高植物氧化、还原酶的活性，促进吸收养分的能力、加强呼吸作用。,土壤碳的循环转化,The Carbon Cycle 1. autotrophs (自养生物) fix carbon dioxide from the atmosphere during photosynthesis 2. carbon dioxide is released back into the atmosphere by respiration 3. the carbon cycle is very fast 4. Other carbon cycles are slow a. carbon is diverted into wood or other durable organic material b. can also be locked up in coal and oil deposits 5. The oceans may act as a buffer that do not allow the carbon dioxide amount in the atmosphere to vary widely,扩展阅读,碳循环,土壤碳循环,碳循环的调节,自然恢复 将一年生作物转为牧草或速生林 种植深根作物，增加根茬归还 通过施肥灌溉，增加作物生长量 改变耕作措施，实行少免耕，减少CO2释放,氮素循环,干湿沉降NO3,雷电作用，火山活动,固氮微生物，固定大气中的氮,施肥,矿化过程,有机态氮,无机态氮,同化过程,失散,氨的挥发,反硝化,排泄物,堆积粪肥,通过降雨返回土壤,向水圈失散,水体富营养化,磷进入水体,富营养化,藻类和蜉蝣生物繁殖,溶解氧量下降,水质恶化,鱼类死亡,水体富营养化,母质及土壤中 磷酸盐风化,土壤中迁移 转化,淋溶流失 进入水圈,沉积成磷酸盐,
