土壤肥料學：土壤有機質

土壤的物質組成土壤有機質土壤有機質一、土壤有機質的來源與轉化二、土壤腐殖質三、土壤有機質的作用與管理土壤有機質本節(jié)重點土壤有機質的分解和轉化土壤有機質的作用和管理一、土壤有機質的來源與轉化1、概念：土壤有機質（soilorganicmatter）土壤有機質指土壤中的各種動植物殘體，在土壤微生物的作用下形成的一類特殊的高分子化合物。一、土壤有機質的來源與轉化2、土壤有機質的來源微生物動物來源植物來源工農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品土壤有機質主要來源是各種植物殘體(residue:deadplantpart)，其化學組成和各種成分的含量，因植物種類、器官、年齡等的不同而有很大差異，從而導致土壤有機質的差異。

Forestsoil（森林土壤)：枯枝落葉(lither)

Steppesoil（草原土壤)：草、根系(grassandrootsystem)

Cultivatedsoil（耕作土壤)：作物殘茬(cropresidue)、

施用的有機肥

Forestsoil（森林土壤)：酸性有機質(acidorganicmater)

Steppesoil（草原土壤)：中性有機質(neutralorganicmater)一、土壤有機質的來源與轉化3、有機質的含量

耕作土壤中，表層有機質的含量通常在5%以下不同土壤中差異很大，高的可達20%或30%以上（如泥炭土、一些森林土壤等），低的不足0.5%（如一些漠境土和砂質土壤）。在土壤學中，一般把耕層含有機質20%以上的土壤，稱為有機質土壤，含有機質在20%以下的土壤，稱為礦質土壤。。

一、土壤有機質的來源與轉化土壤有機質0.5%5%0.5-2.0%7%一、土壤有機質的來源與轉化3、有機質的含量分級有機質含量（%）肥力水平<0.5低0.5~1.0較低1.0~1.2中等1.2~1.5較高>1.5高一、土壤有機質的來源與轉化4、有機質組成元素組成

土壤有機質的主要元素組成是C、O、H、N，分別占52-58%、34-39%、3.3-4.8%和3.7-4.1%，其次是P和S，C/N比大約在10~12之間。一、土壤有機質的來源與轉化4、有機質存在狀態(tài)（1）動、植物殘體（2）半分解的動、植物殘體（3）腐殖物質一、土壤有機質的來源與轉化4、有機質組成一、土壤有機質的來源與轉化4、有機質組成化合物組成可分為：

腐殖物質（HumicSubstance）

非腐殖物質（Non-HumicSubstance）60~80%20~40%一、土壤有機質的來源與轉化4、有機質組成非腐殖物質（Non-HumicSubstance）

糖類、有機酸、和一些含氮的氨基酸、氨基糖等。易被微生物分解，具有一定物理化學性質。一、土壤有機質的來源與轉化4、有機質組成腐殖物質（HumicSubstance）

非腐殖物質經(jīng)微生物作用酚類和醌類含氮化合物碳水化合物復雜多聚體（性質穩(wěn)定、暗棕色）一、土壤有機質的來源與轉化4、影響土壤有機質含量的因素植被氣候地形母質生產(chǎn)措施草本>木本草甸>草原闊葉>針葉潮濕、寒冷有利于積累干燥、炎熱有利于分解低洼處高海拔高處，有機質含量高質地粘，有利于有機質的積累少耕、免耕有利于有機質的積累一、土壤有機質的來源與轉化一、土壤有機質的來源與轉化決定有機質含量的因素進入土壤的有機物質數(shù)量土壤有機質的損失量土壤有機碳的平衡一、土壤有機質的來源與轉化5、土壤有機質的分解與轉化5、土壤有機質的分解與轉化（一）礦質化過程(mineralization)***：土壤有機質在微生物作用下，分解為簡單的無機化合物的過程。其最終產(chǎn)物為CO2、H2O，而N、P、S則以礦質鹽類釋放出來，同時放出熱量的過程

。礦化率***：每年因礦化作用而消耗掉的有機質數(shù)量占土壤有機質總量的百分數(shù)。礦化率一般在1%～3%。1）不含氮的簡單有機化合物的分解和轉化多糖(C6H10O5)n分解過程多糖單糖CO2+H2O+熱量H2+CH4+CO2+有機酸好氧厭氧水解（一）礦質化過程(mineralization)簡單有機化合物的分解從易到難的排列次序為：（一）礦質化過程(mineralization)強2）含氮有機物質的分解和轉化（一）礦質化過程(mineralization)含氮有機物：蛋白質、腐殖質、生物堿、絡合態(tài)氨基酸和氨基糖等水解:蛋白質→多肽→氨基酸氨化:氨基酸→氨硝化:氨→硝態(tài)氮反硝化:硝態(tài)氮→NO2、NO、N2通氣良好通氣不良（一）礦質化過程(mineralization)常見的有機物料的養(yǎng)分含量（二）腐殖化過程(Humification)***

土壤有機質的分解與轉化

各種有機化合物通過微生物的合成或在原植物組織中的聚合轉變?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，這一過程稱為腐殖化過程。腐殖化系數(shù)***：有機物料投入土壤一年后形成的腐殖質的量與原來有機物料總量的比值

Humification腐殖化作用土壤有機質腐殖化的兩個階段（二）腐殖化過程(Humification)

第一階段：產(chǎn)生構成腐殖質主要成分的原始材料第二階段：合成階段。（生物、化學、物理）階段1：有機物料分解產(chǎn)生原材料OHOHOO……土壤有機質腐殖化的兩個階段多元酚、醌類化合物、以及由木質素降解產(chǎn)生的芳核結構單元（二）腐殖化過程(Humification)

階段2：重新合成OO+2RCH(NH2)COOH→OHOH－NH－R－COOH－NH－R－COOH含多種功能團：羥基(COOH),酚羥基(OH),醇羥基(OH),甲氧基(OCH3),氨基(NH2),酮基(C=O)……土壤有機質腐殖化的兩個階段（二）腐殖化過程(Humification)

土壤腐殖質的形成途徑還原糖形成途徑多元酚理論SelmanWaksman

木質素—蛋白質理論5、土壤有機質的分解與轉化（三）影響土壤有機質轉化的因素：土壤微生物1）有機殘體的物理狀態(tài)與化學組成（C:N）

物理狀態(tài)：新鮮程度破碎程度緊實程度5、土壤有機質的分解與轉化（三）影響土壤有機質轉化的因素：土壤微生物1）有機殘體的物理狀態(tài)與化學組成（C:N）化學組成（C:N）***有機物質組成的碳氮比(C:N)對其分解速度的影響很大。一般以25或者30:1較為合適。

C:N>25時與植物競爭土壤NC:N<25時釋放礦質態(tài)N細菌每分解25份碳需要1份氮來獲取分解時所需要的能量能組成本身的細胞物質幾種主要作物組織中的碳氮比5、土壤有機質的分解與轉化（三）影響土壤有機質轉化的因素

2）土壤特性質地：粘粒含量越高，有機質含量也越高酸堿度：中性、鈣質豐富較好，pH6.5~7.5水分：最適濕度：土壤持水量的50%-80%，低洼、積水

有利于有機質的積累通氣性：通氣不良易于有機質的累積溫度：最適宜的溫度大約為25~35度二、土壤腐殖質的組成與性質1、概述組成結構極為復雜的高分子聚合物各種腐殖酸及其與金屬離子相結合的鹽類，與礦物

質結合形成的有機無機復合體二、土壤腐殖質的組成與性質2、可分離出不同組分胡敏素：黑色，不溶富里酸（FA）：酸性強，促進養(yǎng)分有效化胡敏酸（HA）：分子量大，改善土壤結構腐殖質土樣所占比例很小2、可分離出不同組分二、土壤腐殖質的組成與性質3、元素組成少量的Ca、Mg、Fe、Si習慣用含碳量為58%元素（%）CHNO+SHA50-603.1-5.33.0-5.631-41FA45-534.0-4.82.5-4.340-48二、土壤腐殖質的組成與性質5、分子結構及化學特征分子量幾千~幾萬許多取代基，多種官能團

Fulvicacid

富里酸分子量500~5000Humicacid

胡敏酸分子量3000~1000000Geometricallyoptimized3-Dstructureofhumicacid(C308H335O90N5,738atoms)

胡敏酸3D結構Humin

胡敏素區(qū)分富里酸和胡敏酸的指標功能團——富里酸含更多的羧基和酚羥基，酸度高于胡敏酸元素含量——富里酸O含量明顯高于胡敏酸，C含量明顯低于胡敏酸；O/C為最好的指標——土壤中胡敏酸的O/C約為0.5，富里酸的O/C約為0.7；E4/E6——波長465nm~665nm的紫外吸收值。胡敏酸E4/E6一般小于5.0，富里酸E4/E6一般在6.0-8.5之間。二、土壤腐殖質的組成與性質6、腐殖質的性質（1）吸水性及溶解度：吸收能力強，較強的膨脹性和收縮性（2）穩(wěn)定性：化學穩(wěn)定性高，抗分解能力強，分解周期長（3）帶電性：通常以帶負電荷為主，電性來源于分子表面羧基和酚羥基的解離和胺基的質子化，對陽離子有很高的吸附力二、土壤腐殖質的組成與性質7、我國土壤腐殖質特征隨生物氣候條件而變化，其組成、性質具有明顯的地帶性變異在我國，由東向西，土壤腐殖質含量逐漸減少北方大多數(shù)土壤，HA/FA﹥1，以胡敏酸為主南方土壤，HA/FA﹤1，富里酸占優(yōu)勢

HA/FA，說明腐殖質的形成條件和分子的復雜程度

HA/FA比值越大，腐殖酸的結構越復雜；反之，越簡單三、土壤有機質的作用1.土壤肥力方面(1)提高土壤的持水性，減少水土流失

腐殖質具有巨大的比表面積和親水基團(2)提供植物需要的養(yǎng)分養(yǎng)分較完全植物生長所需養(yǎng)分N：80～97%，平均95%；P：20～76%；S：38～94%為有機態(tài)，由有機質提供。提高養(yǎng)分有效性SOM礦質化過程中產(chǎn)生的有機酸，腐殖化過程中產(chǎn)生的腐殖酸，一方面促進土壤礦質養(yǎng)分溶解釋放養(yǎng)分；另一方面可以絡合金屬離子，減少金屬離子對P的固定，提高P的有效性。1.土壤肥力方面三、土壤有機質的作用(3)改善土壤物理性質粘結力(bindingforce)：砂＜有機膠體＜粘粒有機質能改變砂粒的分散無結構狀態(tài)，又能改善粘粒的粘重大塊結構，促進土壤良好結構的形成，從而改善土壤的通透性等物理性質。1.土壤肥力方面三、土壤有機質的作用(4)提高土壤保肥性土壤腐殖質是一種有機膠體，有巨大的表面積和表面能，吸附能力大于礦質膠體，從而大大提高土壤保肥性。

膠體對陽離子吸附能力比較（cmol(+)/kg）膠體類型有機膠體高嶺石蒙脫石吸附力150～450（平均350）3～1580～1201.土壤肥力方面三、土壤有機質的作用(4)提高土壤保肥性腐殖質含有多種功能團，遇OH－時電離出H＋與之作用生成水對堿緩沖；遇H＋時則由于帶負電荷而吸附H＋對酸緩沖；腐殖質膠體帶負電荷，可吸附土壤溶液中鹽基離子，對肥料起緩沖作用。1.土壤肥力方面三、土壤有機質的作用(5)提高土壤生物和酶的活性SOM是土壤微生物活動所需氧分和能量的主要來源；SOM通過刺激生物活動而增加土壤酶活性，直接影響土壤養(yǎng)分轉化的生物化學過程；腐殖酸是一類生理活性物質。1.土壤肥力方面三、土壤有機質的作用(1)對重金屬的影響

絡合重金屬離子，減輕重金屬污染。

有機質功能團對金屬離子的親和力：

—O—>—NH2>—N=N>N>COO—>—O—>—C=O

烯醇基氨基偶氮化合物環(huán)氮羧基?；驶寥烙袡C質與重金屬離子的絡合作用對土壤和水體中重金屬離子的固定和遷移有重要影響。2.生態(tài)環(huán)境方面三、土壤有機質的作用

金屬—富里酸復合體穩(wěn)定常數(shù)：Fe3+

>Al3+

>Cu2+

>Ni2+

>Co2+

>Pb2+

>Ca2+

>Zn2+

>Mn2+

>Mg2+

腐殖物質—金屬離子復合體的穩(wěn)定常數(shù)反映金屬離子與有機配位體之間的親和力，對重金屬環(huán)境行為的了解有重要價值。穩(wěn)定常數(shù)常受pH值得影響，穩(wěn)定常數(shù)在較高pH時稍大。主要是因為羧基等功能基在較高pH條件下有較高的解離度。在低pH時，由于H+與金屬離子一起競爭配位體的吸附位，腐殖酸絡合的金屬離子較少。重金屬離子的存在形態(tài)受腐殖酸物質的絡合作用和氧化還原作用的影響腐殖酸對無機礦物有一定的溶解作用實際上是其對金屬離子的絡合、吸附和還原作用的綜合結果。

胡敏酸作為還原劑可將有毒的Cr6+還原為Cr3+，Cr3+能與胡敏酸上的羧基形成穩(wěn)定的復合體，從而限制了動植物對它的吸收。

(2)對農(nóng)藥等有機污染物的固定SOM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)等過程有重要影響。SOM對農(nóng)藥的固定與腐殖質功能基的數(shù)量、類型和空間排列密切相關，也與農(nóng)藥本身的性質有關。極性有機污染物可以通過離子交換和質子化、氫鍵、范德華力、配位體交換、陽離子橋和水橋等不同機理與SOM結合；非極性有機污染物可以通過分隔機理與之結合。2.生態(tài)環(huán)境方面三、土壤有機質的作用空氣中CO2濃度變化(3)對全球碳循環(huán)的影響

2.生態(tài)環(huán)境方面三、土壤有機質的作用(3)對全球碳循環(huán)的影響

土壤有機質是全球C平衡的重要C庫。

全球土壤有機質總碳量：

14×1017~15×1017g

陸地生物總碳量：

~5.6×1017g

全球每年土壤有機質生物分解釋放到大氣中的總碳量：68×1015g

全球每年因焚燒燃料釋放到大氣中的總碳量：

6×1015g

土壤有機碳水平的不斷下降，對全球氣候變化的影響不亞于人類活動向大氣排放的影響。一個碳原子的旅程據(jù)Garrels等（1975)計算：在大氣圈中停留4年；在生物圈中停留11年；在海洋上層水域停留385年；在深海中停留10萬年；在地殼中停留3.42×108年四、土壤有機質的管理四、土壤有機質的管理土壤有機質管理的目標保持有機質平衡和維持有機質在適當水平平衡：礦化←→腐殖質化有機質管理的措施1、施用有機肥

主要的有機肥源包括：綠肥、糞肥、廄肥、堆肥、漚肥、餅肥、蠶沙、魚肥、河泥、塘泥、有機、無機肥料配合施用2、種植綠肥

田菁紫云英紫花苜蓿等

休閑綠肥、套作綠肥養(yǎng)用結合：因地制宜、充分用地、積極養(yǎng)地、養(yǎng)用結合有機質管理的措施3、秸稈還田有機質管理的措施4、合理的耕作制度

免耕、少耕

什么叫有機農(nóng)業(yè)？/

歐洲把有機農(nóng)業(yè)描述為，一種通過使用有機肥料和適當?shù)母骱宛B(yǎng)殖措施，以達到提高土壤的長效肥力的系統(tǒng)。有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍然可以使用有限的礦物物質，但不允許使用化學肥料。通過自然的方法而不是通過化學物質控制雜草和病蟲害。

“有機農(nóng)業(yè)”是指遵照有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標，