(土壤學教學課件）第二章-土壤有機質(zhì)

1、( (土壤學教學課件第二章土壤學教學課件第二章- -土壤有土壤有機質(zhì)機質(zhì)一、土壤有機質(zhì)的來源、形態(tài)及組成 土壤有機質(zhì)的來源 原始土壤微生物是土壤有機質(zhì)的最早來源。 自然植被條件下，土壤有機質(zhì)主要來源于地面植物殘落物、根系殘體和根系分泌物，其次來源于生活在土內(nèi)的動物和微生物。 農(nóng)業(yè)土壤的有機質(zhì)主要來源于施入土壤的各種有機肥料以及植物遺留的根茬、還田的秸稈和翻壓的綠肥等有機物質(zhì)。土壤有機質(zhì)的形態(tài)：土壤有機質(zhì)的形態(tài)：1新鮮有機物。如剛進入土壤中未被微生物新鮮有機物。如剛進入土壤中未被微生物分解的動、植物殘體。分解的動、植物殘體。2半分解有機物。經(jīng)微生物分解的動、植物半分解有機物。經(jīng)微生物分解的動、植

2、物殘體，失去了原來的形態(tài)學特征，呈分散殘體，失去了原來的形態(tài)學特征，呈分散的暗黑色小塊，包括有機質(zhì)的分解產(chǎn)物和的暗黑色小塊，包括有機質(zhì)的分解產(chǎn)物和新合成的簡單有機化合物。新合成的簡單有機化合物。3腐殖質(zhì)。經(jīng)微生物分解和再合成的一種褐腐殖質(zhì)。經(jīng)微生物分解和再合成的一種褐色或暗褐色的大分子膠體物質(zhì)。色或暗褐色的大分子膠體物質(zhì)。土壤有機質(zhì)的組成：土壤有機質(zhì)的組成：1. 五類有機化合物五類有機化合物1糖類、有機酸類、醛類、醇類、酮類以及糖類、有機酸類、醛類、醇類、酮類以及相近的化合物相近的化合物2半纖維素和纖維素半纖維素和纖維素3木質(zhì)素木質(zhì)素4含氮化合物含氮化合物5樹脂、油脂、蠟質(zhì)、丹寧等物質(zhì)樹脂、油

3、脂、蠟質(zhì)、丹寧等物質(zhì)2. 灰分元素：灰分元素：Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn、I、Zn、B、F土壤有機質(zhì)與植物組織化合物組成的差異不同有機成分的分解狀況有機成分好氣產(chǎn)物嫌氣產(chǎn)物抗分解性作用糖類CO2、H2OCH4 H2 有機酸弱提供能量、營養(yǎng)和功能團蛋白質(zhì)NO3- H2PO4- SO42-NH3 H2S半纖維素CO2、H2OCH4 H2 有機酸纖維素CO2、H2OCH4 H2 有機酸油脂、蠟質(zhì)等CO2、H2O酚、醌提供結構單元木質(zhì)素很少變化強二、土壤有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化 簡單有機化合物的分解與轉(zhuǎn)化 礦質(zhì)化過程mineralization: 有機化合物在微生物酶的作用下發(fā)生氧

4、化反響，徹底分解最終釋放出二氧化碳、水和能量的過程。R + 2O2 CO2 + H2O +能量 腐殖化過程humification：各種有機化合物通過微生物的合成，轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成和結構比原來有機化合物更為復雜的新的有機化合物。腐殖質(zhì)的形成途徑1 1、礦化率：指每年因礦化作用而消耗掉的有機質(zhì)量、礦化率：指每年因礦化作用而消耗掉的有機質(zhì)量占土壤有機質(zhì)總量的百分數(shù)。占土壤有機質(zhì)總量的百分數(shù)。1%-2%1%-2%2 2、腐殖化系數(shù)：指有機物料投入土壤后形成的腐殖、腐殖化系數(shù)：指有機物料投入土壤后形成的腐殖質(zhì)量以投料一年后土壤有機質(zhì)達穩(wěn)定值時的有機質(zhì)量以投料一年后土壤有機質(zhì)達穩(wěn)定值時的有機質(zhì)量與原來施入的有

5、機物料總量的比值。質(zhì)量與原來施入的有機物料總量的比值。eg. 某土壤有機質(zhì)含量2%，其自然礦化率為3%，每畝耕層土壤重量為15萬公斤。假設要保持原來土壤有機質(zhì)含量2%的水平，每畝需施紫云英多少公斤？紫云英的腐殖化系數(shù)為，其含水率為80%解：每年被礦化消耗掉的有機質(zhì)為： 1500000.03=90公斤 設紫云英需用量為X，那么 X (1-0.80) 0.25=90 X =1800公斤 答：需施紫云英1800公斤n腐殖質(zhì)是經(jīng)土壤微生物作用后，由多酚和多醌類物質(zhì)聚合而成的含芳香環(huán)結構的，新形成的黃色至棕色的非晶型高分子物質(zhì)。n它是土壤有機質(zhì)的主體，占土壤有機質(zhì)含量的60%-80%，也是土壤有機質(zhì)中最

6、難降解的局部。三、土壤腐殖質(zhì)一土壤腐殖質(zhì)的分組除去動植物殘體的細土樣腐殖酸稀NaOH富里酸Fulvic acids 胡敏酸Humic acids 胡敏素Humin稀HCl溶液沉淀溶液沉淀腐殖質(zhì)Flaig的胡敏酸(HA)分子結構模型Stevenson的胡敏酸(HA)分子結構模型Schnitzer和Khan的富里酸(FA)分子結構模型土壤腐殖質(zhì)存在形態(tài)：1 游離狀態(tài)的腐殖質(zhì)2 與礦物成分中的鹽基化合成穩(wěn)定的鹽類，主要為腐殖酸鈣和腐殖酸鎂3 與含水三氧化物形成復雜的凝膠體4 與層狀硅酸鹽粘粒礦物結合成有機無機復合體有機無機復合體 化學性質(zhì)化學性質(zhì) 元素組成：元素組成： C5560，平均，平均58 H

7、 O N36，平均，平均 S 少量少量Ca、Mg、Fe、Si等等 C/N比為比為1012：1二土壤腐殖質(zhì)的性質(zhì)q功能團豐富：q芳香族和脂肪族化合物上的羧基-COOH和酚羥基-OH ；q中性功能團有：醇羥基-CH2OH、醚基-CH2-O-CH2-、酮基、醛基和酯基；q堿性功能團有：胺、酰胺基。q分子結構與分子量：q腐殖酸是非晶體物質(zhì)，分子結構十分松散，大致呈無規(guī)那么線團狀。胡敏酸平均分子量在5000-100000之間，富里酸平均分子量在3000-6000之間。q外表帶電荷：腐殖質(zhì)是一種腐殖質(zhì)是一種兩性膠體兩性膠體。既可帶負電，也可帶正。既可帶負電，也可帶正電荷。通常以帶負電荷為主。電荷。通常以帶

8、負電荷為主。腐殖質(zhì)的負電荷數(shù)腐殖質(zhì)的負電荷數(shù)量隨量隨pH的升高而增加。的升高而增加。q吸水性及溶解度q腐殖質(zhì)是親水性膠體，吸水能力強，吸水量可超過自身質(zhì)量的500%粘粒15-20%。q具有較強的膨脹性和收縮性。q粘結性、粘著性和可塑性低于粘土礦物。q胡敏酸與一價離子形成鹽類可溶于水，而與二價陽離子形成的鹽類，溶解度較低；q富里酸與一價、二價鹽類均溶于水，三價鹽類在中性以上的堿性環(huán)境中溶解度較低。q穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性高，抗分解能力強，分解周期長。顏色淺深聚合度低高C含量45%62%O含量48%30%腐殖質(zhì)各組分性質(zhì)的比較腐殖質(zhì) 分子質(zhì)量功能團溶解度 帶電量 酸性陽離子交換量胡敏酸5000-1000

9、00 大酚羥基多一價鹽可溶負電荷多弱大富里酸3000-6000 小羧基多一、二、三價鹽類均可溶少強小不同腐殖酸性質(zhì)的比較不同腐殖酸性質(zhì)的比較HA/FA比值越大，說明胡敏酸的含量越高，腐殖酸的結構愈復雜。我國北方大多數(shù)土壤，以胡敏酸為主，HA/FA 1南方土壤中，富里酸占優(yōu)勢， HA/FA 蛋白質(zhì)纖維素木質(zhì)素礦化速度與有機質(zhì)本身的C/N比有關，礦化速度與其含氮量成正比，與含碳量成反比。微生物組成自身的細胞需要吸收1份氮和5份碳，同時還需要20份碳作為生命活動的能源，即微生物在生命活動過程中，需要有機質(zhì)的碳氮比約為25：1。C/P=200:1300:1 C/S=200:1400:1小于上述值時，對

10、微生物的活動有利，有機質(zhì)分解快，分解釋放出的無機態(tài)氮、磷和硫被微生物吸收構成自身外，還有多余的養(yǎng)分殘留在土壤中，供植物吸收。34有機質(zhì)分解過程中的C/N和土壤氮素盈虧變化的關系 /35 由于一般谷類作物莖稈的C/N50，甚至更高，所以在實施秸稈還田時，應注意配施速效性化學氮肥。 而豆科綠肥如紫云英、苜蓿等，由于它們的C/N一般都20，一旦分解，就能收到供氮的效果。 2 土壤條件土壤條件1土壤通氣狀況土壤通氣狀況2土壤水分和溫度狀況土壤水分和溫度狀況土壤含水量為田間持水量的土壤含水量為田間持水量的60-80%為宜為宜土壤微生物活動的土溫以土壤微生物活動的土溫以25-35為宜為宜3土壤酸堿反響土壤

11、酸堿反響土壤土壤pH一般在一般在6-8之間比較適宜，土壤過酸或過堿之間比較適宜，土壤過酸或過堿，微生物活動受到抑制。，微生物活動受到抑制。大多數(shù)細菌在之間活性最強大多數(shù)細菌在之間活性最強真菌適宜于酸性環(huán)境真菌適宜于酸性環(huán)境pH 3-6放線菌一般適合于在中性或微堿性條件下生存放線菌一般適合于在中性或微堿性條件下生存五、土壤有機質(zhì)的作用 有機質(zhì)在土壤肥力上的作用有機質(zhì)在土壤肥力上的作用 提供植物需要的養(yǎng)分提供植物需要的養(yǎng)分有機N： 80%有機P：2076%有機硫：7595%金屬離子: K、 Na、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn有機質(zhì)在分解和合成過程中，產(chǎn)生的多種有機 酸和腐殖酸對土壤礦物有一定

12、的溶解作用，可 以促進礦物風化，有利于養(yǎng)分的有效化。 改善土壤物理性狀改善土壤物理性狀 腐殖質(zhì)可通過功能團、氫鍵、范德華力等機制腐殖質(zhì)可通過功能團、氫鍵、范德華力等機制以以 膠膜形式包被在礦質(zhì)土粒外表，促進土壤團粒膠膜形式包被在礦質(zhì)土粒外表，促進土壤團粒結結 構的形成。構的形成。 土壤腐殖質(zhì)的粘結力比粘粒小，比砂粒大。土壤腐殖質(zhì)的粘結力比粘粒小，比砂粒大。 當腐殖質(zhì)覆蓋在粘粒外表，減少了粘粒間的直當腐殖質(zhì)覆蓋在粘粒外表，減少了粘粒間的直接接 接觸，降低其粘結力，大大降低了土壤的粘性。接觸，降低其粘結力，大大降低了土壤的粘性。 有機質(zhì)的膠結作用可形成較大的團聚體，使得有機質(zhì)的膠結作用可形成較大的

13、團聚體，使得土土 壤的耕性及通透性等得以改善。壤的耕性及通透性等得以改善。當腐殖質(zhì)覆蓋在砂粒外表，增強了砂粒間的粘結力，提高了砂土的團聚性，降低了砂粒的分散性。腐殖質(zhì)的吸水率為500-600%，砂土增加有機質(zhì)后，可減緩砂土通透性過強的缺點，增強保蓄水分的能力。增強土壤的保肥性和緩沖性增強土壤的保肥性和緩沖性屬于膠體物質(zhì)，具有巨大比外表和外表屬于膠體物質(zhì)，具有巨大比外表和外表能，同時帶有大量負電荷，所以能提高能，同時帶有大量負電荷，所以能提高土土壤的吸附性能，增強其保肥能力。壤的吸附性能，增強其保肥能力。腐殖酸是一種弱酸，腐殖酸和腐殖酸鹽腐殖酸是一種弱酸，腐殖酸和腐殖酸鹽類類可組成緩沖體系?？山M

14、成緩沖體系。 提高土壤生物和酶活性，促進養(yǎng)分轉(zhuǎn)化提高土壤生物和酶活性，促進養(yǎng)分轉(zhuǎn)化土壤有機質(zhì)是土壤微生物生命活動所需養(yǎng)分和能量的來源。土壤微生物的生物量與有機質(zhì)含量呈極顯著的正相關。有機質(zhì)可通過刺激微生物和動物的活動增加土壤酶的活性。- - 刺激根系的生長刺激根系的生長 很稀的濃度的腐殖質(zhì)物質(zhì)胡敏酸能很稀的濃度的腐殖質(zhì)物質(zhì)胡敏酸能增強植物的呼吸作用，增加細胞膜的透性，促增強植物的呼吸作用，增加細胞膜的透性，促進植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。進植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。- -提高土壤溫度的作用提高土壤溫度的作用 有機質(zhì)為暗色物質(zhì)，一般是棕色到黑褐色，有機質(zhì)為暗色物質(zhì)，一般是棕色到黑褐色，吸熱能力強，可改善土

15、壤熱狀況。吸熱能力強，可改善土壤熱狀況。 有機質(zhì)在生態(tài)環(huán)境上的作用有機質(zhì)在生態(tài)環(huán)境上的作用與重金屬離子的作用與重金屬離子的作用各種功能團對金屬離子的親和力：烯醇基 胺基 偶氮化合物 環(huán)氮 羧基 ?；?羰基螯合物：兩個以上的功能團與金屬離子形成的環(huán)狀絡合物。腐殖質(zhì)與金屬離子絡合的穩(wěn)定常數(shù)：Fe3+ Al3+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Pb2+ Ca2+ Zn2+ Mn2+ Mg2+腐殖酸的氧化復原作用: 胡敏酸可作為復原劑將有毒的Cr6+復原為Cr3+，胡敏酸上的羧基能與形成穩(wěn)定的復合體，從而限制動植物對其的吸收。有機質(zhì)對有機污染物的固定腐殖質(zhì)分子中既有極性親水基團，也有非極性疏水基團。對農(nóng)

16、藥等有機污染物有很強的親和力，對有機污染物在土壤中的生物活性、殘留、生物降解、遷移和蒸發(fā)等過程有重要的影響。全球碳平衡土壤有機質(zhì)是地球上非常重要的碳庫：全球土壤有機質(zhì)總C量：14151017g陸地生物總C量：5.61017g土壤有機質(zhì)分解釋放到大氣的總C量: 681015g/年燃料燃燒釋放到大氣的總C量：61015g/年吸收二氧化碳新舉措吸收二氧化碳新舉措 向大海中播撒硫酸鐵有奇效向大海中播撒硫酸鐵有奇效 新一期英國新一期英國?自然自然?雜志刊登報告說，一項新研究顯示，向海雜志刊登報告說，一項新研究顯示，向海中播撒硫酸鐵以促進藻類生長有助于吸收空氣中的二氧化碳。中播撒硫酸鐵以促進藻類生長有助于

17、吸收空氣中的二氧化碳。研究人員在總面積平方公里的海域內(nèi)播撒了數(shù)噸硫酸研究人員在總面積平方公里的海域內(nèi)播撒了數(shù)噸硫酸鐵，并持續(xù)一個多月觀察藻類生長情況。結果發(fā)現(xiàn)，在播撒硫鐵，并持續(xù)一個多月觀察藻類生長情況。結果發(fā)現(xiàn)，在播撒硫酸鐵后，海水中的藻類迅速生長，并通過光合作用吸收貼近海酸鐵后，海水中的藻類迅速生長，并通過光合作用吸收貼近海面的二氧化碳。據(jù)估算，向海中每面的二氧化碳。據(jù)估算，向海中每“投放一個鐵原子，可使投放一個鐵原子，可使藻類從空氣中吸收約萬個碳原子。藻類從空氣中吸收約萬個碳原子。本次研究還測量了當?shù)卦孱愃劳龊笤诤Ｋ械姆植记闆r。本次研究還測量了當?shù)卦孱愃劳龊笤诤Ｋ械姆植记闆r。結果顯示

18、，其中至少有一半的死亡藻類沉入了超過米結果顯示，其中至少有一半的死亡藻類沉入了超過米深的地方，研究人員認為這些下沉藻類中的很大一局部沉到了深的地方，研究人員認為這些下沉藻類中的很大一局部沉到了海底，這樣它們吸收的碳原子很可能海底，這樣它們吸收的碳原子很可能“深鎖海底，從而切實深鎖海底，從而切實產(chǎn)生減少空氣中二氧化碳的效果。產(chǎn)生減少空氣中二氧化碳的效果。不過，研究人員也提醒說，如果在海洋中大規(guī)模播撒鐵元不過，研究人員也提醒說，如果在海洋中大規(guī)模播撒鐵元素，引發(fā)藻類大范圍爆發(fā)性生長，對生態(tài)系統(tǒng)會造成何種影響素，引發(fā)藻類大范圍爆發(fā)性生長，對生態(tài)系統(tǒng)會造成何種影響目前很難預料，還需通過更多研究來探索。

19、因此，現(xiàn)階段還不目前很難預料，還需通過更多研究來探索。因此，現(xiàn)階段還不能推廣這種二氧化碳吸收法。能推廣這種二氧化碳吸收法。土壤中生物碳土壤中生物碳 固定二氧化碳達數(shù)十萬年固定二氧化碳達數(shù)十萬年土壤中的生物碳盡管看上去僅僅是塵土而已，但是專家們認為生物碳可能可以扮土壤中的生物碳盡管看上去僅僅是塵土而已，但是專家們認為生物碳可能可以扮演起氣候拯救者的重要角色。正如這張照片中，一位美國西弗吉尼亞州的農(nóng)民手演起氣候拯救者的重要角色。正如這張照片中，一位美國西弗吉尼亞州的農(nóng)民手里所拿著的生物碳。根據(jù)國際生物碳建議工程的數(shù)據(jù)，當被重新釋放回土壤環(huán)境里所拿著的生物碳。根據(jù)國際生物碳建議工程的數(shù)據(jù)，當被重新釋

20、放回土壤環(huán)境后，這些由加熱農(nóng)業(yè)廢料制成的多孔的生物碳物質(zhì)可以固定二氧化碳長達數(shù)十萬后，這些由加熱農(nóng)業(yè)廢料制成的多孔的生物碳物質(zhì)可以固定二氧化碳長達數(shù)十萬年之久。相比之下，樹木的固碳作用卻是有限的，因為當樹木死亡后這些二氧化年之久。相比之下，樹木的固碳作用卻是有限的，因為當樹木死亡后這些二氧化碳就會重新進入大氣當中。美國企業(yè)協(xié)會的瑟斯托姆將生物碳列入了他所謂碳就會重新進入大氣當中。美國企業(yè)協(xié)會的瑟斯托姆將生物碳列入了他所謂“值值得進行探索的列表之中。而氣候研究學會的麥克克萊肯同樣如此，他指出生物得進行探索的列表之中。而氣候研究學會的麥克克萊肯同樣如此，他指出生物碳將有利于改善土壤性質(zhì)。碳將有利于

21、改善土壤性質(zhì)。腐殖質(zhì)的土壤效應性質(zhì)性質(zhì)特征特征土壤效應土壤效應顏色顏色很多土壤黑色是由腐殖質(zhì)引起的很多土壤黑色是由腐殖質(zhì)引起的能吸熱，提高土溫能吸熱，提高土溫保水保水能保持能保持2020倍于它自身重量的水倍于它自身重量的水防止干裂，增加砂土保濕防止干裂，增加砂土保濕與粘土礦物結與粘土礦物結合合調(diào)控土壤顆粒形成團粒結構調(diào)控土壤顆粒形成團粒結構穩(wěn)定結構，增進透水透氣穩(wěn)定結構，增進透水透氣螯合作用螯合作用與與CuCu2+ 2+ 、 MnMn2+2+、ZnZn2+2+等多種離子形成等多種離子形成穩(wěn)定復合物穩(wěn)定復合物為植物提供微量營養(yǎng)元素為植物提供微量營養(yǎng)元素水溶性水溶性腐殖質(zhì)與粘粒和陽離子結合成不溶復

22、腐殖質(zhì)與粘粒和陽離子結合成不溶復合物合物減少有機質(zhì)因淋溶而流失減少有機質(zhì)因淋溶而流失緩沖作用緩沖作用在微酸、中性和堿性范圍內(nèi)起緩沖作在微酸、中性和堿性范圍內(nèi)起緩沖作用用有助于土壤酸堿穩(wěn)定有助于土壤酸堿穩(wěn)定陽離子交換陽離子交換分離出的腐殖質(zhì)組分總酸度為分離出的腐殖質(zhì)組分總酸度為300-300-1400 mg/kg1400 mg/kg很多土壤中增加陽離子交換量很多土壤中增加陽離子交換量20-70%20-70%礦化作用礦化作用腐殖質(zhì)礦化產(chǎn)腐殖質(zhì)礦化產(chǎn)COCO2 2、NHNH4 4+ +、NONO3 3- -、POPO4 42-2-和和SOSO4 42-2-等等作為植物營養(yǎng)作為植物營養(yǎng)與有機分子結與有機分子結合合影響農(nóng)藥的生物活性、持續(xù)時期和生影響農(nóng)藥的生物活性、持續(xù)時期和生物降解性物降解性改變農(nóng)藥利用效率與危害改變農(nóng)