土壤学课件第二章.ppt

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1、土壤有机质概述 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。各别漠境土壤不足0.5%。华中、华南水田土壤在1.53.5%,旱地土壤也较少。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 目前土壤有机质含量标准计量单位为g/kg土壤有机质与土壤肥力关系肥力水平低较低中等较高高OM（%）1.5第一节 土壤有机质来源及其组成特点一.土壤有机质来源（一）来源于数目众多微生物1.微生物是最早出现在母

2、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。1g肥沃的表土含有细菌可在10亿以上。最多细菌为杆菌，每英亩细菌活质可超过2000磅，每公顷2000公斤。3.微生物的代谢产物是土壤有机质来源之一（二）来源于各种动植物残体及其它们的代谢物 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土壤动物：蚯蚓、蚂蚁、鼠类、昆虫等的残体及分泌物（三）来源于施入的各种有机肥。有机肥施用很重要第一节 土壤有机质来源及其组成特点二.土壤有机物质基本组成特点（一）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.

3、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。（二）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、腊质、单宁等（三）元素组成 C(5258%)、O(3439%)、H(3.34.8%)、N(3.74.1)、P、K、Ca、Mg、Fe、Si、Zn、Cu、B、Mo、Mn等.其中：C、H、O、N的和占有机质9095%（四）土壤有机质组成基本特点：1.土壤有机质中木质素和蛋白质含量比植物组织中含量增加2.纤维素和半纤维素含量减少3.土壤中形成了腐殖质第一节 土壤

4、有机质来源及其组成特点成分植物组织（%）有机质（%）纤维素(cellulose)半纤维素(hemicellulose)木质素(lignin)蛋白质(proteins)油脂(fat)、腊质(lipids)20501030103011518210023050283518植物组织与土壤有机质组成比较第一节 土壤有机质来源及其组成特点第二节 土壤有机物质的分解与转化decomposition of organic Matter 有机残体矿（质）化作用mineralization腐殖化作用humification一.有机质的矿化作用mineralization（一）矿化作用的概念：有机物质在微生物的作用

5、下分解成无机营养元素的过程Mineralization:the conversion of an element from an organic form to an inorganic state as a result of microbial decomposition（二）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(硝化力测定）2.为腐殖质形成提供了基本材料，成为腐殖化的前提。（三）各种物质矿化作用1.糖类有机物质矿化：多糖单糖CO2+H2O+heat(多）好气条件下有机酸heat（少）半嫌气条件CH4、H2、H2S+heat（极少）嫌气水解酶作用一.有机质的矿化作用mi

6、neralization 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）2.含氮物质的分解蛋白质多肽氨基酸氨NH3硝酸根NO3-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思考题：旱地和水地含氮化合物的转化结果会有何差异？一.有机质的矿化作用mineralization3.含磷和硫化合物的分解含磷和硫化合物的分解正磷酸盐H2PO4-、HPO4=、PO4+3、正硫酸盐 HSO4-、SO4=好气条件偏磷酸盐和次磷酸盐H3PO3

7、、H3PO2、H3P正硫酸盐 H2S (黑根、毒害）嫌气条件(三）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。（四）影响土壤有机质分解转化的因素 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10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为什么低于北方土壤）温度增加10，有机质增加23倍。冻

8、土效应(effect of soil freezing)土壤冰冻以后，在其解冻后的最初12周内，二氧化碳和氨释放量增多的现象。2.水分（通气性）：微生物生命活动一切条件都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。干土效应（effect of soil

9、drying）土壤经过干燥后，在加水湿润的最初12周内，二氧化碳和氨释放量增加的现象。3.pH：各类微生物最适条件：细菌中性；放线菌偏微碱性；真菌酸性（36）；土壤pH高于8.5和低于5.5，都不适宜微生物活动。绝大多数微生最适pH条件为中性。4.有机物的物理状态和组成：新鲜程度、细碎程度，织物组织的C/N比一.有机质的矿化作用mineralizationC/N比(carbon nitrogen ratio)C/N比：有机质中有机碳和有机氮的重量比 土壤的C/N:8:115:1 中间值为10:112:1。在同一气候条件下，C/N变化较小。气温相同时，干旱气候条件下的C/N比湿润地带低；降雨量相

10、同时，暖温地带土壤C/N比寒冷地土壤低。底层土壤C/N比表层土壤低。植物的C/N比：豆科植物20:130:1。作物秸秆为80:1100:1微生物：4:19:1C/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。氮因素（nitrogen factor）；表示有机物质分解过程中氮素的缺乏程度。加入100份有机

11、物需要加进去的氮素量，既不发生争氮现象，又不会使土壤有效氮发生生物固定现象。二.土壤腐殖化作用（humification）（一）腐殖化概念：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。（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。有机质的形成分为两个阶段：第一阶段：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：

12、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果复杂的腐殖质。多元酚理论（较为盛行）二.土壤腐殖化作用（humification）（三）腐殖化系数（humification coefficient）：加入单位有机物质土壤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。一.土壤腐殖质组成土壤腐殖质Soil humus非腐殖物质腐殖物质（humic substances)（一）非腐殖物质：微生物的代谢产物1.碳水化合物：多糖、糖醛酸、和氨基糖组成。主要

13、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%。多糖多土壤结果影响研究被受到关注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。（二）腐殖物质一.土壤腐殖质组成 腐殖物质概念：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。是土壤有机质质体成分，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

14、许多支链化合物的复杂结构二.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，尤其是褐腐酸（HA）和黄腐酸（FA）用稀碱（NaOH）去除了动植物残体细土样溶液（腐殖酸）Humic acids黑色残余物黑腐素（胡敏素）humin酸化（HCl）黄色溶液（黄腐酸、富啡酸富里酸）Fulvic acid，FA褐色沉淀褐腐酸胡敏酸 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）聚合度黄腐酸（富啡酸、富里酸）既能溶解于碱，又能有解于酸。曾经成为可连酸、阿波可

15、连酸。分子量相对较小褐腐酸（胡敏酸）：指能溶解于碱而不溶解于酸。分子量相对较大+=60%三.土壤腐殖质性质（一）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。一般以腐殖质分子的平均含碳量为58%为有机碳和腐殖质的换算系数（1.724=100/58）。C/N=10:112:1,褐腐酸大于黄腐酸腐殖酸C（%）H（%）（O+S）（%）N（%）分子量胡敏酸富里酸506045533.15.34.04.8314040502.85.91.64.389025506751450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

16、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。三.土壤腐殖质性质种类种类 羧基羧基 酚羟基酚羟基 醇羟基醇羟基 醌基醌基 酮基酮基 甲氧基甲氧基 总酸度总酸度 HA 15-57 21-57 2-49 1-26 1-5 3-8 67FA 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3.

17、3.腐殖酸的分子形状：腐殖酸的分子形状：多数人认为是网状多孔结构多数人认为是网状多孔结构.现代用电子显微镜观察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，其结构受致呈无规则线状，其结构受pHpH、溶液电解质浓度的影、溶液电解质浓度的影响极大。响极大。pH 2-3 pH 2-3 纤维、纤维束状纤维、纤维束状 4-7 4-7 网状、海绵状网状、海绵状 8-9 8-9 页状页状 10 10 粒状粒状三.土壤腐殖质性质HAHA的的3D3D优化结构模型优化结构模型 三.土壤腐殖质性质(二）腐殖酸的理化性质二）腐殖酸的理化

18、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，富里酸颜色较浅，称淡黄色。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（A4/A6 ratio of humic acids)(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。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。3、吸水性 是一种亲水胶体，最大吸

19、水量可以超过500%三.土壤腐殖质性质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。电荷来源主要是分殖酸分子羟基解离和胺基质子化。带电量为200500coml/kg，随pH升高而升高。三.土壤腐殖质性质5、腐殖酸的络合性 络合物的稳定性随络合物的稳定性随pHpH值的升高而增大。值的升高而增大。在在Ph4.8Ph4.8时能与时能与FeFe、AlAl、CaCa等离子形成可溶性络合物，但在中性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。或碱性条件下会产生沉淀。6.腐殖质的稳定性 在温带条件下，一般植物残体的在温带条件下，一般植物残体的半分解周期半分解周期少于少于3

20、3个月，植物残个月，植物残体形成的新的有机质的体形成的新的有机质的半分解期半分解期为为4.7-94.7-9年，而胡敏酸的年，而胡敏酸的平均停留平均停留时时间为间为780-3000780-3000年，富里酸的年，富里酸的平均停留平均停留为为200-630200-630年。年。土壤有机质平均停留期（mean residence time of soil organic matter，MRT）土壤有机质各组分年龄的加权平均值MRT变异：(1)不同土壤表土层中有机质的MRT值变异很大。(2)同一土壤MRT随土壤剖面层次增加而增大。MRT决定于：输入土壤有机残体的数量和性质；腐殖物质的化学本性和存在状态

21、；环境条件等三.土壤腐殖质性质MRT测定方法 通过测定有机质或其某一组分中14C放射比活度，依据14C半衰期进行推算。MRT意义1.判断土壤形成过程速率：MRT小，形成速率就快。2.判断土壤的演化特征：依剖面上MRT变异规律为根据。3.将埋藏土壤的MRT值在一定条件下可以指示土壤年龄。4.土壤有机质中各组分的MRT值指示了组分的生物学稳定性的大小。（三）腐殖质的变异性（三）腐殖质的变异性 土壤腐殖质形成过程是土壤发育的主要过程。不同土壤不仅其腐殖质含量不同，土壤腐殖质形成过程是土壤发育的主要过程。不同土壤不仅其腐殖质含量不同，而且组分的比例、各组分的复杂程度等也有差异。而且组分的比例、各组分的

22、复杂程度等也有差异。HA/FA HA/FA值值*：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。意义：是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。说明了腐殖酸形成的条件和分子意义：是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。说明了腐殖酸形成的条件和分子量的复杂程度，量的复杂程度，HA/FAHA/FA越大，胡敏酸含量多，结构复杂；相反，富里酸含量多，越大，胡敏酸含量多，结构复杂；相反，富里酸含量多，结构简单。结构简单。我国土壤有机质变异规律是我国土壤有机质变异规律是 1.1.由东向西，由草甸草原向干旱草原、荒漠草原和荒漠化土壤过渡，腐殖质含由东向西，由草甸草原向干旱草原、荒漠草原和荒漠化土壤过渡

23、，腐殖质含量不断递减，量不断递减，HA/FAHA/FA也逐渐降低。也逐渐降低。黑土（黑土（1.52.5）-黑钙土（黑钙土（1 1左右）左右）-灰钙土和荒漠土（灰钙土和荒漠土（0.60.8）2.2.一般我国一般我国北方北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，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/FAHA/FA比大于比大于1 1；而在温暖潮湿的而在温暖潮湿的南方南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，HA/FAHA/FA比一般小于比一般小于1 1.黑土黑土-暗棕壤（暗棕壤（12）-黄棕壤（黄棕壤（0.450.75）-红壤、砖红

24、壤（红壤、砖红壤（0.45)1，正激发，不仅没有提高土壤有机含量，反而减少了；激发比率1,负激发，可以增腐殖质含量激发比率受一系列因素影响问题：给土壤使入有机肥，就一定能提高反应殖质含量吗？三、土壤有机质的管理三、土壤有机质的管理 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、化肥施用量等三、土壤有机质的管理三、土壤有机质的管理 4.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【本章小结】【本章小结】土壤有机质概述土壤有机质概述 1 1了解不同地带土壤有机质含量的差异及其影响因素。了解不同地带土

25、壤有机质含量的差异及其影响因素。2 2了解自然土壤与耕作土壤有机质来源的异同。了解自然土壤与耕作土壤有机质来源的异同。3 3掌握土壤有机质与土壤腐殖质概念，二者有何异同。掌握土壤有机质与土壤腐殖质概念，二者有何异同。4 4熟悉土壤有机质的基本组成，包括化学组成、化合物组成和形态特征熟悉土壤有机质的基本组成，包括化学组成、化合物组成和形态特征。土壤有机质的转化土壤有机质的转化 1 1掌掌握握碳碳水水化化合合物物、含含NN化化合合物物的的转转化化过过程程及及产产物物，重重点点掌掌握握影影响响转转化化因素中的因素中的C/NC/N的详细内容和基本原理。的详细内容和基本原理。2 2理解影响有机物质在土壤

26、中转化的推动力是微生物的含义。理解影响有机物质在土壤中转化的推动力是微生物的含义。土壤腐殖质的形成土壤腐殖质的形成 1 1了了解解腐腐殖殖质质形形成成过过程程的的两两个个阶阶段段的的内内容容及及相相互互关关系系，组组成成土土壤壤腐腐殖殖质质最基本的物质有哪些？最基本的物质有哪些？2 2掌握土壤腐殖质的组分、所带功能团对各组分性质产生的影响掌握土壤腐殖质的组分、所带功能团对各组分性质产生的影响。掌掌握握土土壤壤有有机机质质对对土土壤壤肥肥力力、农农作作物物产产量量、品品质质以以及及环环境境保保护护所所产产生生的的影响。影响。了了解解提提高高土土壤壤有有机机质质的的原原则则和和途途径径，以以及及为

27、为什什么么一一再再强强调调增增施施有有机机肥肥，以培肥土壤的科学道理。以培肥土壤的科学道理。第三章 土壤有机质(soil organic matter)(一一)基本概念基本概念(二）问答题二）问答题1.1.土土壤壤有有机机质质 2.2.土土壤壤腐腐殖殖质质 3.3.矿矿化化作作用用 4.4.腐腐殖殖化化作作用用 7.7.腐腐殖殖化化系系数数 8.8.C/N C/N 9.9.腐腐殖殖酸酸 10.10.褐褐腐腐酸酸 11.11.黄黄腐腐酸酸 12.12.激激发发效应，效应，13.13.激发比率，激发比率，14.14.氨化作用，氨化作用，15.15.硝化左右，硝化左右，16.MRT16.MRT1.1.什么叫土壤有机质什么叫土壤有机质?包括哪些形态包括哪些形态?其中哪种最重要其中哪种最重要?2.2.增加土壤有机质的方法有哪些增加土壤有机质的方法有哪些?你认为最有效是哪种你认为最有效是哪种?3.3.叙述土壤有机质在土壤肥力上的意义和作用叙述土壤有机质在土壤肥力上的意义和作用?4.4.水田的腐殖质含量一般比旱地高水田的腐殖质含量一般比旱地高?为什么为什么?5.5.影影响响土土壤壤有有机机质质转转化化的的条条件件是是什什么么?其其中中最最主主要要 的的条条件是哪一种件是哪一种?为什么为什么?6,C/N6,C/N意义意义7.HA/FA7.HA/FA概念与意义概念与意义