chap05土壤有机质++复件.ppt
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1、第五章 土壤有机质 (soil organic matter),教学目标, 土壤有机质概述 1一般了解不同地带土壤有机质含量的差异及其影响因素。 2了解自然土壤与耕作土壤有机质来源的异同。 3掌握土壤有机质与土壤腐殖质概念,二者有何异同。 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。 土壤有机质的转化 1掌握碳水化合物、含N化合物的转化过程及产物,重点掌握影响转化因素中的C/N的详细内容和基本原理。,2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 1了解腐殖质形成过程的两个阶段的内容及相互 关系,组成土壤腐殖质最基本的物质有哪些? 2掌握土壤腐殖
2、质的组分、所带功能团对各组分 性质产生的影响。 掌握土壤有机质对土壤肥力以及环境保护所产生的影响。 了解提高土壤有机质的原则和途径,以及为什么 一再强调增施有机肥,以培肥土壤的科学道理。,教学目标,土壤有机质(soil organic matter) 是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质,它包括土壤中各种动、植物残体,微生物体及其分解和合成的各种有机物质(广义概念)。 狭义的土壤有机质是指土壤腐殖质,即土壤中的各种动植物残体,在微生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。,土壤有机质?,土壤有机碳?,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,微生物是土壤有机质的最早来源。
3、动物来源 植物来源 工农业副产品,土壤有机质的基本来源。,森林植被下的枯枝落叶,荒漠景观,热带雨林下仅凋落物干物质量即达16700千克/公顷年 荒漠植物群落的凋落物干物质量仅为530千克/公顷年,不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大,二、有机质的含量及组成,一般含量在0-5%之间。 泥炭土可高达20%或30%以上,壤土和砂质土壤不足0.5%,据有机质含量,把土壤分为: 有机土壤 有机质含量% 20% 矿质土壤: 有机质含量% 20%,1、有机质含量,土壤有机质,0.5%,5%,0.5-2.0%,7%,1.5-3.5%,2、土壤有机质的组成,(1)土壤有机质化学元素组成 土壤有机质的基本元
4、素组成是C、H、O、N, 碳占52%58%、 氧占34%39%、 氢占3.3%4.8%、 氮占3.7%4.1%, 其次是P和S, C/N比大约在1012之间。,(2)土壤有机质化合物组成 可分为 腐殖物质 60%80%(Humic Substance) 非腐殖物质 20%40%(Non-Humic Substance),常见的化合物有: 糖类物质,有机酸 含氮化合物(氨基糖,氨基酸) 脂类(脂肪、蜡脂、单宁、树脂),链烷 芳香化合物(酚类和醌类聚合而成),腐殖物质,非腐殖物质,植物组织与土壤有机质的部分组成比较,粗蛋白? 蛋白质?,绿色植物残体中化合物及元素组成,(3) 存在形态: 动、植物残
5、体(新鲜) 半分解的动、植物残体 腐植物质,三、影响土壤有机质含量的因素,决定土壤有机质含量的因素:,输入 输出 碳平衡,有机质,土壤层 1m,输入,输出,CO2,碳平衡,碳平衡,0 碳汇,=0,0 碳源,大气层,(输出-输入),生态系统,第二节 土壤有机质的分解和转化 一、简单有机化合物的分解和转化 1、有机质的矿化作用 (矿化过程) 有机化合物进入土壤后,一方面在微生物、酶的作用下发生氧化反应,彻底分解而最终释放出CO2 、H2O和能量,所含N、P、S等营养元素在一系列特定反应后,释放成为植物可利用的矿质养料。 酶 R (C, 4H) + 2O2 CO2 + 2H2O + 能量 含碳和氢的
6、化合物 氧化,这些简单有机化合物的分解从易到难的排列次序为: (1)单糖、淀粉和简单蛋白质; (2)粗蛋白质; (3)半纤维素; (4)纤维素; (5)脂肪、蜡质等; (6)木质素。,在好氧条件下,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。,在极嫌气的情况下,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。,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。,嫌氧分解: 细菌 4C2H5COOH + 2H2O 4CH3COOH + CO2 + CH4 细
7、菌 CH3COOH CO2 + CH4 细菌 CO2 + 4H2 2H2O + CH4, 提供植物、微生物生命活动所需的碳源和能源 提供中间产物,为合成腐殖质准备原料 二氧化碳大量产生可进一步风化土壤,促进养分释放,矿化分解意义?,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作用。 矿化与腐殖化的关系?,2、腐殖化作用(腐殖化过程),二、植物残体的分解和转化,表现为一个整体的动力学特点。 植物残体中各类有机化合物的大致含量范围是: 可溶性有机化合物(糖分、氨基酸等)5-10%, 纤维素 15-60%, 半纤
8、维素 10-30%, 蛋白质 2-15%, 木质素 5-30%。,有机残体进入土壤后的分解转化阶段: 第一阶段:(易分解部分) 可溶性有机化合物以及部分类似的有机物 土壤微生物生物量及其代谢产物 第二阶段:(难分解部分) 残留在土壤中的植物残体碳相对缓慢分解 木质素、蜡质及第一阶段未被矿化的植物残体碳。,据估计:进入土壤的有机残体经过一年降解 以二氧化碳的形式损失掉的有机质占 2/3 残留在土壤中的有机质不到 1/3, 其中土壤微生物生物量占3-8%, 多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质占3-8% 腐殖物质占 10-30%。 植物根系在土壤中的年残留量比其地上部分稍高一些。,三、土壤腐殖物质
9、的分解和转化,第一过程: 腐殖质经过物理化学作用和生物降解,使其芳香结构核心与其复合的简单有机物分离,或是整个复合体解体。,第二过程: 有机物质被分解(矿化)和转化,酚类聚合物被氧化。,第三个过程: 脂肪酸被分解与被释放的芳香族化合物(如酚类)参与新腐殖质的形成。,第四个过程:,有机无机复合过程。 腐殖质在土壤中与粘土矿物紧密结合以有机-无机复合体的方式存在。,土壤有机质的周转(turnover) : 有机物质进入土壤后由其一系列转化和矿化过程所构成的物质流通。 有机质周转时间: 当土壤有机质水平处于稳定状态时,土壤中有机质流通量达到土壤有机质含量所需的时间. 土壤腐殖质的年周转量为1 .1%
10、。富啡酸的年龄一般在0-500年,胡敏酸的年龄一般为1000-2500年,胡敏素的年龄一般大于1000年。,(一)温度 温度每升高10oC,土壤有机质的最大分解速率提高2-3倍。一般土壤微生物活动的最适宜温度大约为25-35 oC (二)土壤水分和通气状况 植物残体分解的最适水势在-0.03 -0.1 MPa之间, 水势降到-0.3MPa以下,细菌呼吸作用迅速降低,而真菌一直到-4 -5MPa时可能还有活性。土壤干湿交替,增加了土壤有机质的矿化作用。 当土壤为嫌气时,大多数分解有机质的好氧微生物停止活动,从而导致未分解有机质的积累。,四、影响土壤有机质分解和周转(turnover)的因素,(三
11、)植物残体的特性 1、物理状态 新鲜多汁的有机物质比干枯桔秆易于分解 有机物质的细碎程度影响其矿化速率。 密实有机物质比疏松有机物质的分解速率缓慢。,2、C/N比 有机物质组成的碳氮比(C/N)对其分解速度影响很大。 以25或30:1较为合适。 当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,,有机物质组成的碳氮比(C/N) 对其分解速度影响,微生物体C/N:5:1,植物残体,20 C作为能源消耗,分解有机质时满足合适的C/N比值一般为25: 1,自身细胞需1N、5C,小麦秸 90.38 豌豆秸 38.53 蚕豆秸 36.17,激发作用:(
12、 Priming effect)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。,激发效应可以是正、也可以是负 正激发效应存在有两大作用: 一是加速土壤微生物碳的周转, 二是由于新鲜有机物质引起土壤微生物活性增强,从而加速土壤原有有机质的分解。 但是通常情况下,微生物生物量的增加超过了分解的腐殖质量,因此净效应是土壤有机质增加。,(四)土壤特性 1、质地 土壤有机质的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关 2、pH值 土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。 大多数细菌活动的最适pH,在中性附近(pH6.5-7.5),放线菌的最适pH略偏向碱性, 而真菌则最适于酸性条
13、件下(pH3-6)活动。 pH过底(8.5)都不大适宜。,土壤有机质的转化,第三节 土壤腐殖物质的形成和性质 腐殖化作用: (Humifcation) 土壤腐殖物质的形成过程称为腐殖化作用。 腐殖化作用是一系列极端复杂过程的总称,其中主要的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。,第一阶段是植物残体分解产生简单的有机碳化合物; 第二阶段是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; 第三阶段是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,即腐殖物质,腐殖物质的形成途径 途径1: 假定腐殖物质通过还原糖形成的,糖和氨基酸经非酶性
14、的聚合作用形成棕色的含氮聚合物,即腐殖物质。 途径2和3:构成了现在比较盛行的多元酚理论 即在腐殖物质形成过程中有多元酚和醌有机化合物的参与,它们可直接来自木质素(途径3),也可以是微生物的合成产物(途径2)。 途径4:是Selman Waksman的经典理论,即木质素-蛋白质理论,多元酚理论:,酚,醌,醌,氨基酸,腐殖质单体分子,木质素,微生物降解,酚醛和酸,二、土壤腐殖质-粘土矿物复合体,腐殖质,游离态 很少,结合态 52%-98% 与矿物的强盐基化合成稳定的盐类 含水三氧化物化合成复杂的凝胶体 与粘粒结合成有机无机复合体,土壤有机无机复合体示意图,Al3+,Fe3+,Ca2+,三、土壤腐
15、殖酸的分组,理想的提取剂应满足: (1)对腐殖酸的性质没有影响或影响极小; (2)获得均匀的组分; (3)具有较高的提取能力,能将腐殖酸几乎完全分离出来。,目前常用的提取分组方法 (1)0.1mol/l NaOH溶液 (2)0.1mol/l NaOH + 0.1mol/l 焦磷酸钠混合提取液,腐殖质分组方法,土壤腐殖酸的分组,四、土壤腐殖酸的性质,(一)腐殖酸的物理性质 1、颜色 腐殖酸整体呈黑褐色,富里酸呈淡黄色,胡敏酸呈褐色 2、溶解性 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。 3
16、、吸水性 腐殖质是一种亲水胶体,有强大的吸水能力,最大吸水量可以超过500%,从大气中的吸水量也可达自重的200%。,4、腐殖质的分子结构 (1)腐殖酸的分子量不仅因土壤和组分而异,而且即使同一样品用不同的方法提取和测定的结果,也有较大的差异。我国胡敏酸的分子量一般为890-2550,富里酸的分子量为675-1450之间。 (2)腐殖酸的分子形状 研究表明腐殖酸的分子结构是非晶质的,分子结构十分松散,其表层在不同的pH值下变化较大。 pH 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状,(二)腐殖酸的化学性质 、腐殖质的组成,腐殖质,胡敏素,胡敏酸,富里酸,、腐殖质的化
17、学组成,我国主要土壤腐殖酸的元素组成,就腐殖质整体来看,含碳量在55-60%之间,习惯上以58%为其平均值,测定土壤有机质就是有机碳的氧化量来计算,故计算有机质的含量时,一般以1.724为折算系数。,3、腐殖酸的含氧官能团,重要的含氧官能团有: 羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。 正是由于这些含氧官能团,腐殖酸表现出多种活性。,腐殖质的含氧官能团含量(cmol M).kg-1,总酸度:通常指羧基和酚羟基的总和。,4、腐殖酸的络合性,腐殖酸具有一定的络合性。可与铁、铝、铜、锌等金属离子形成络合物,酚羟基是参与络合的主要官能团。络合物的稳定性随pH值的升高而增大。在Ph4.8时能与Fe、
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