土壤有机质

土壤有机质是指存在于土壤中的所含碳的有机物质。它包括各种动植物的残体、微生物体及其会分解和合成的各种有机质。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分,尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分,但它对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要作用的意义。

土壤有机质矿质化作用 土壤有机质

基本资料

土壤有机质是指存在于土壤中的所含碳的有机物质。它包括各种动植物的残体、微生物体及其会分解和合成的各种有机质。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分,尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分,但它对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要作用的意义。 中文名称土壤有机质 外文名称soil organic matter

来源

  土壤有机质是指土壤中含碳的有机化合物。土壤中有机质的来源十分广泛。土壤有机质可分成腐蚀质和非腐蚀质。微生物是土壤有机质的最早来源。

植物残体

  土壤有机质提升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。对森林土壤尤为重要。森林土壤相对农业土壤而言具有大量的凋落物和庞大的树木根系等特点。中国林业土壤每年归还土壤的凋落物干物质量按气候植被带划分,依次为:热带雨林,亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶林,暧温带落时阔时林,温带针阔混交林,寒温带针叶林。热带雨林凋落物干物质量可达16700Kg/(km2·a),而荒漠植物群落凋落物干物质量仅为530kg/(nm2·a).

动物、微生物残体

  包括土壤动物和非土壤动物的残体,及各种微生物的残体。.这部分来源相对较少。但对原始土壤来说,微生物是土壤有机质的最早来源。

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。

废水废渣

  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。

含量

  土壤有机质的含量在不同土壤中差异很大,含量高的可达20%或30%以上(如泥炭土,某些肥沃的森林土壤等),含量低的不足1%或0.5%(如荒漠土和风沙土等)。在土壤学中,一般把耕作层中含有机质20%以上的土壤称为有机质土壤,含有机质在20%以下的土壤称为矿质土壤。一般情况下,耕作层土壤有机质含量通常在5%以上。有机质的含碳量平均为58%,所以土壤有机质的含量大致是有机碳含量的1.724倍。  类型  土壤有机质提升进入土壤中的有机质一般以三种类型状态存在。  (1)新鲜的有机物:指那些进入土壤中尚未被微生物分解的动、植物残体。它们仍保留着原有的形态等特征。对森林土壤而言,一般指枯凋落物的L层(Litter)。相当于土壤剖面形态记述中的A。。层。  (2)分解的有机物:经微生物的分解,已使进入土壤中的动、植物残体失去了原有的形态等特征。有机质已部分分解,并且相互缠结,呈褐色。包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。对森林土壤而言,一般指枯凋落物层中的F层(Fermetation)。此层一般在土壤剖面形态记述中为A。层  (3)腐殖质:指有机质经过微生物分解后并再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质。与土壤矿物质土粒紧密结合,是土壤有机质存在的主要形态类型,占土壤有机质总量的85-90%。对森林土壤而言,一般指枯落物层中H层(Humus)。在土壤剖面形态记述中,通常与上述的F层共同记为A。层。

组成

  土壤有机质的组成决定于进入土壤的有机物质的组成,进入土壤的有机物质的组成相当复杂。各种动、植物残体的化学成分和含量因动、植物种类、器官、年龄等不同而有很大的差异。一般情况下,动植物残体主要的有机化合物有碳水化合物、木素、蛋白质、树脂、蜡质等。土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N,分别占52%-58%、34%-9%、3.3%-4.8%,3.7%-4.1%。  (1)碳水化合物  3.7%-4.1%,其次是P和S,C/N比在10左右。碳水化合物是土壤有机质中最主要的有机化合物,碳水化合物的含量大约占有机质总量的15%-27%。包括糖类、纤维素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。糖类有葡萄糖、半乳糖、六碳糖、木糖、阿拉伯糖、氨基半乳糖等。虽然各主要自然土类间植被、气候条件等差异悬殊,但上述各糖的相对含量都很相近,在剖面分布上,无论其绝对含量或相对含量均随深度而降低。纤维素和半纤维素为植物细胞壁的主要成分,木本植物残体含量较高,两者均不溶于水,也不易化学分解和微生物分解。果胶质在化学组成和构造上和半纤维素相似,常与半纤维素伴存。甲壳质属多糖类,和纤维素相似,但含有氮,在真菌的细胞膜、甲壳类和昆虫类的介壳中大量存在,甲壳质的元素组成或为(C8H13O5N4)n  (2)木素  木素是木质部的主要组成部分,是一种芳香性的聚合物。木素在林木中的含量约占30%,木素的化学构造尚未完全清楚,关于木素中是否含氮的问题目前尚未阐明,木素很难被微生物分解。但在土壤中可不断被真菌、放线菌所分解。由C14研究指出,有机物质的分解顺序为:葡萄糖半纤维素纤维素木素  (3)含氮化合物  动植物残体中主要含氮物质是蛋白质,它是构成原生质和细胞核的主要成分,在各植物器官中的含量变化很大。蛋白质的元素组成除碳、氢、氧外,还含有氮(平均为10%),某些蛋白质中还含有硫(0.3%-2.4%)或磷(0.8%)。蛋白质是由各种氨基酸构成的。一般含氮化合物易为微生物分解,生物体中常有一少部分比较简单的可溶性氨基酸可为微生物直接吸收,但大部分的含氮化合物需要经过微生物分解后才能被利用。  (4)树脂、蜡质、脂肪、单宁、灰分物质  树脂、蜡质、脂肪等有机化合物均不溶于水,而溶于醇、醚及苯中,都是复杂的化合物。单宁物质有很多种,主要都是多元酚的衍生物,易溶于水,易氧化,与蛋白质结合形成不溶性的,不易腐烂的稳定化合物。木本植物木材及树皮中富含单宁,而草本植物及低等生物中则含量很少。植物残留体燃烧后所留下的灰为灰分物质,其主要元素为钙、镁、钾、钠、硅、磷、硫、铁、铝、锰等,此外还有少量的碘、锌、硼、氟等元素。这些元素在植物生活中有着巨大的意义。

转化反应

  转化过程土壤有机质的矿质化过程:土壤有机质在微生物作用下,分解为简单的无机化合物的过程。  土壤有机质的矿质化过程分为化学的转化过程、活动物的转化过程和微生物的转化过程。这一过程使土壤有机质转化为二氧化碳、水、氨和矿质养分(磷、硫、钾、钙、镁等简单化合物或离子),同时释放出能量。这一过程为植物和土壤微生物提供了养分和活动能量,并直接或间接地影响着土壤性质,同时也为合成腐殖质提供了物质基础。

化学转化

  土壤有机质的化学的转化过程的含义是广义的,实际上包括着生物学及物理化学的变化。  1.水的淋溶作用:降水可将土壤有机质中可溶性的物质洗出。这些物质包括简单的糖、有机酸及其盐类、氨基酸、蛋白质及无机盐等。约占5%-10%水溶性物质淋溶的程度决定于气候条件(主要是降水量)。淋溶出的物质可促进微生物发育,从而促进其残余有机物的分解。这一过程对森林土壤尤为重要,因森林下常有下渗水流可将地表有机质(枯落物)中可溶性物质带入地下供林木根系吸收。  2.酶的作用:土壤中酶的来源有三个方面:一是植物根系分泌酶,二是微生物分泌酶,三是土壤动物区系分泌释放酶。土壤中已发现的酶有50-60种。研究较多的有氧化还原酶、转化酶和水解酶等。酶是有机体代谢的动力,因此,可以想象酶在土壤有机质转化过程中所起的巨大作用。

动物转化

  从原生动物到脊椎动物,大多数以植物及植物残体为食。在森林土壤中,生活着大量的各类动物,如温带针阔混交林下每公顷蚯蚓可达258万条等,可见活动物对有机质的转化起着极为重要的作用。机械的转化:动物将植物或残体碎解,或将植物残体进行机械的搬进及与土粒混合,均可促进有机物被微生物分解。化学的转化:经过动物吞食的有机物(植物残体)未被动物吸收部分,经过肠道,以排泄物或粪便的形式排到体外,已经经过动物体内分解或半分解。土壤动物中蚯蚓的分解作用最大,因此,在某种程度上,可用土壤中蚯蚓的数量来评价土壤肥力的高低。

微生物转化

  土壤有机质的微生物的转化过程是土壤有机质转化的最重要的,最积极的进程。微生物对不含氮的有机物生转化:不含氮的有机物主要指碳水化合物,主要包括糖类、纤维素、半纤维素、脂肪、木素等、简单糖类容易分解,而多糖类则较难分解;淀粉、半纤维素、纤维素、脂肪等分解缓慢,木素最难分解,但在表性细菌的作用下可缓慢分解。  葡萄糖在好气条件下,在酵母菌和醋酸细菌等微生物作用下,生成简单的有机酸(醋酸、草酸等)、醇类、酮类。这些中间物质在空气流通的土壤环境中继续氧化,最后完全分解成二氧化碳和水,同时放出热量。土壤碳水化合物分解过程是极其复杂的,在不同的环境条件下,受不同类型微生物的作用,产生不同的分解过程。这种分解进程实质上是能量释放过程,这些能量是促进土壤中各种生物化学过程的基本动力,是土壤微生物生命活动所需能量的重要来源。一般来说,在嫌气条件下,各种碳水化合物分解形成还原性产物时释放出的能量,比在好气条件下所释放的能量要少得多,所产生的CH4、H2等还原物质对植物生长不利。  1.微生物对含氮的有机物转化  土壤中含氮有机物可分为两种类型:一是蛋白质类型,如各种类型的蛋白质;二是非蛋白质型,如几丁质、尿素和叶绿素等。土壤中含氮的有机物在土壤微生物作用下,最终分解为无机态氮(NH4+-N和NO3--N)  ①水解过程  蛋白质在微生物所分泌的蛋白质水解酶的作用下,分解成为简单的氨基酸类含氮化合物。蛋白质水解蛋白质消化蛋白质多肽氨基酸。  ②氨化过程  蛋白质水解生成的氨基酸在多种微生物及其分泌酶的作用下,产生氨的过程。氨化过程在好气、嫌气条件下均可进行,只是不同种类微生物的作用不同。  ③硝化过程  在通气良好的情况下,氨化作用产生的氨在土壤微生物的作用下,可经过亚硝酸的中间阶段,进一步氧化成硝酸,这个由氨经微生物作用氧化成硝酸的作用叫做硝化作用。将硝酸盐转化成亚硝酸盐的作用称为亚硝化作用。  硝化过程是一个氧化过程,由于亚硝酸转化为硝酸的速度一般比氨转化为亚硝酸的速度快得多,因此土壤中亚硝酸盐的含量在通常情况下是比较少的。亚硝化过程只有在通气不良或土壤中含有大量新鲜有机物及大量硝酸盐的发生,从林业生产上看,此过程有害,是降低土壤肥力的过程,因此应尽量避免。  ④反硝化过程  硝态氮在土壤通气不良情况下,还原成气态氮(N2O和N2),这种生化反应称为反硝化作用。其过程可用下式表示:  2.微生物对含磷有机物的转化  土壤中有机态的磷经微生物作用,分解为无机态可溶性物质后,才能被植物吸收利用。  土壤中表层有20%-50%是以有机磷状态存在,主要有核蛋白、核酸、磷脂、核素等、这些物质在多种腐生性微生物作用下,分解的最终产物为正磷酸及其盐类,可供植物吸收利用。  在嫌气条件下,很多嫌气性土壤微生物能引起磷酸还原作用,产生亚磷酸,并进一步还原成磷化氢。  3.微生物对含硫有机物的转化  土壤中含硫的有机化合物如含硫蛋白质、胱氨酸等,经微生物的腐解作用产生硫化氢。硫化氢在通气良好的条件下,在硫细菌的作用下氧化成硫酸,并和土壤中的盐基离子生成硫酸盐,不仅消除硫化氢的毒害作用,而且能成为植物易吸收的硫素养分。  在土壤通气不良条件下,已经形成的硫酸盐也可以还原成硫化氢,即发生反硫化作用,造成硫素散失。当硫化氢积累到一定程度时,对植物根素有毒害作用,应尽量避免。  进入土壤的有机质是由不同种类的有机化合物组成,具有一定生物构造的有机整体。其在土壤中的分解和转化过程不同于单一有机化合物,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)5%-10%,纤维素15%--60%,半纤维素10%-30%,蛋白质2%-15%,木质素3%-50%。它们的含量差异对植物残体的分解和转化有很大影响。  据估计,进入土壤的有机残体经过一年降解后,2/3以上的有机质的二氧化碳的形式释放而损失,残留在土壤中的有机质不到1/3,其中土壤微生物量占3%-8%,多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖质物质占3%-8%,腐殖质占10%-30%。植物根系在土壤中的年残留量比其他地上部分稍高一些。

因素

有机残体的组成状况

  (1)影响有机质的转化、有机残体的物理状态:  一般情况下,多汁幼嫩新鲜的绿肥易分解。  (2)、有机残体的化学成分。  一般情况下,阔叶比针叶快;叶片比残根快,豆科比禾本科快。  (3)、有机残体的碳氮比  用C/N表示。微生物吸收1份氮,就要吸收5份碳用于构成自身细胞,同时要消耗20份碳作为生命活动的能量。微生物分解需有机质的C/N为25:1。

外界条件

  外界条件通过制约微生物的活动,而影响有机质的转化。  1)最适温度:20~30度。  2)、湿度和通气状况:在田间持水量的60%最好。  3)、土壤pH:细菌最适pH6.5-7.5,放线菌中性到为碱性,真菌酸性到中性条件

作用

  土壤有机质的含量与土壤肥力水平是密切相关的。虽然有机质仅占土壤总量的很小一部分,但它在土壤肥力上起着多方面的作用却是显著的。通常在其他条件相同或相近的情况下,在一定含量范围内,有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关。

提供植物营养

  中国土壤有机质提升技术研讨会现场  土壤有机质中含有大量的植物营养元素,如N、P、K、Ca、Mg、S、Fe等重要元素,还有一些微量元素。土壤有机质经矿质化过程释放大量的营养元素为植物生长提供养分;有机质的腐殖化过程合成腐殖质,保存了养分,腐殖质又经矿质化过程再度释放养分,从而保证植物生长全过程的养分需求。  有机质的矿质化过程分解产生的CO2是植物碳素营养的重要来源,据估计,土壤有机质的分解及微生物和根系呼吸作用产生的CO2,每年可达135亿t,大致相当于陆地植物的需要量。由此可见,土壤有机质的矿质化过程产生的CO2既是大气中CO2的重要来源,也是植物光合和作用的重要碳源。土壤有机质还是土壤N、P最重要的营养库,是植物速效性N、P的主要来源。土壤全N的92%-98%都是储藏在土壤中的有机N,且中国土壤有机质提升技术研讨会现场有机N主要集中在腐殖质中,一般是腐殖质含量的5%,据研究,植物吸收的氮素有50%-70%是来自土壤。土壤有机质中有机态P的含量一般占土壤全磷的20%-50%,随着有机质的分解而释放出速效磷,供给植物营养。在大多数非石灰性土壤中,有机质中有机态硫占全硫的75%-95%,随着有机质的矿质化过程而释放,被植物吸收利用。  土壤有机质在分解转化过程中,产生的有机酸和腐殖酸对土壤矿物部分有一定的溶解能力,可以促进矿物风化,有利于某些养分的有效化。一些与有机酸和富里酸络合的金属离子可以保留在土壤溶液中,不致沉淀而增加其有效性。土壤腐殖质与铁形成的某些化合物,在酸性或碱性土壤中对植物及微生物是有效的

促进植物生长发育

  土壤有机质,尤以其中胡敏酸,具有芳香族的多元酚官能团,可以加强植物呼吸过程,提高细胞膜的渗透性,促进养分迅速进入植物体。胡敏酸的钠盐对植物根系生长具有促进作用,试验结果证明胡敏酸钠对玉米等禾本科植物及草类的根系生长发育具有极大的促进作用。土壤有机质中还含有维生素B1、B2、吡醇酸和烟碱酸、激素、异生长素(β-吲哚乙酸)、抗生素(链霉素、青霉素)等对植物的生长起促进作用,并能增强植物抗性。

改善土壤的物理性质

  有机质在改善土壤物理性质中的作用是多方面的,其中最主要、最直接的作用是改良土壤结构,促进团粒状结构的形成,从而增加土壤的疏松性,改善土壤的通气性和透水性。腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂,土壤中的腐殖质很少以游离态存在,多数和矿质土粒相互结合,通过功能基、氢键、范德华力等机制,以胶膜形式包被在矿质土粒外表,形成有机-无机复合体。所形成的团聚体,大、小孔隙分配合理,且具有较强的水稳性,是较好的结构体。土壤腐殖质的粘结力比砂粒强,在砂性土壤中,可增加砂土的粘结性而促进团粒状结构的形成。腐殖质的粘结力比粘粒小,一般为粘力的1/12,粘着力为粘粒的1/2,当腐殖质覆盖粘粒表面,减少了粘粒间的直接接触,可降低粘粒间的粘结力,有机质的胶结作用可形成较大的团聚体,更进一步降低粘粒的接触面,使土壤的粘性大大降低,因此可以改善粘土的土壤耕性和通透性。有机质通过改善粘性,降低土壤的胀缩性,防止土壤干旱时出现的大的裂隙。  土壤腐殖质是亲水胶体,具有巨大的比表面积和亲水基团,据测定腐殖质的吸水率为500%左右,而粘土矿物的吸水率仅为50%左右,因此,能提高土壤的有效持水量,这对砂土有着重要的意义。腐殖质为棕色呈褐色或黑色物质,被土粒包围后使土壤颜色变暗,从而增加了土壤吸热的能力,提高土壤温度,这一特性对北方早春时节促进种子萌发特别重要。腐殖质的热容量比空气、矿物质大,而比水小,导热性居中,因此,土壤有机质含量高的土壤其土壤温度相对较高,且变幅小,保温性好。  土壤有机质是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源。没有它就不会有土壤中所有的生物化学过程。土壤微生物的种群,数量和活性随有机质含量增加而增加,具有极显著的正相关。土壤有机质的矿质化率低,不会像新鲜植物残体那样对微生物产生迅猛的激发效应,而是持久稳定地向微生物提供能源。因此,富含有机质的土壤,其肥力平稳而持久不易造成植物的徒长和脱肥现象。  土壤动物中有的(如蚯蚓等)也以有机质为食物和能量来源;有机质能改善土壤物理环境,增加疏松程度和提高通透性(对砂土而言则降低通透性),从而为土壤动物的活动提供了良好的条件,而土壤动物本身又加速了有机质的分解(尤其是新鲜有机质的分解)。进一步改善土壤通透性,为土壤微生物和植物生长创造了良好的环境条件。  土壤腐殖质是一种胶体,有着巨大的比表面和表面能,腐殖质胶体以带负电荷为主,从而可吸附土壤溶液中的交换性阳离子如K+、NH4+、、Ca2+、Mg2+等,一方面可避免随水流失,另一方面又能被交换下来供植物吸收利用。其保肥性能非常显著。土壤腐殖质和粘土矿物一样,具有较强的吸附能力,但单位质量腐殖质保存阳离子养分的能力比粘土矿物大几倍至几十倍,因此,土壤有机质具有巨大的保肥能力。腐殖酸本身是一种弱酸,腐殖酸和其盐类可构成缓冲体系,缓冲土壤溶液中H+浓度变化,使土壤具有一定的缓冲能力。更重要的是腐殖质是一种胶体,具有较强的吸附性能和较高的阳离子代换能力,因此,使土壤具有较强的缓冲性能。  有机质具有活化磷的作用  土壤中的磷一般不以速效态存在,常以迟效态和缓效态存在。因此土壤中磷的有效性低。土壤有机质具有与难溶性的磷反应的特性,可增加磷的溶解度,从而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率。此外,土壤腐殖酸被证明是一类生理活性物质,它能加速种子萌发,增强根系活力,促进植物生长,对土壤微生物而言,腐殖酸也是一种促进生长发育的生理活性物质。必须指出的是,有机质在分解时,也能产生一些不利于植物生长或甚至有害的中间物质,特别是在嫌气条件下,这种情况更易发生。

增加保持

  土壤有机质就是为作物生长发育提供养分的仓库。它是土壤养分中的大家族。另外,它还是判断土壤肥瘦标准的重要指标之一。所以,有机质在土壤中的地位和数量,一定要保持一个相对稳定数才好。我国的土壤有机质含量,一般旱地为0.5%-3.0%,水田为1.5%-6.0%。因为有机质的分解和转化是在不断进行的,所以,土壤有机质在消长过程中,土壤肥力也相应地随着不断改变。  如何增加和保持土壤有机质含量,提高农业作物产量,是农业生产的主要任务。这项任务就是给土壤有机质增加能源,主要的农业技术措施有以下4项:①增加生物总产量。在增产的前提下增加土壤有机质,因为地上部分产量增加了,地下的根系也随着增加,同时地下生物也相应兴旺发达,致使动植物残体增多。?力求秸秆多还田。秸秆还田是直接为土壤增加有机物。要改变在田间焚烧秸秆的习惯,因为焚烧秸秆既浪费有机物,而且使有机物变成二氧化碳跑到空气中又污染环境。?增加有机肥用量。合理施肥,实行有机物和无机肥料的配合,不断增加有机物残留在土壤中的数量。④减少土壤有机质补益药的消耗。例如,采取少耕、免耕、覆盖等措施,其目的就是减少和控制土壤氧气的供应,削弱微生物分解活动。覆盖则可以减少土壤水土流失。这样才能保持土壤有机质在提供养分的同时,增加能源,保持含量稳定。  以上几条技术措施,对增加土壤有机质是非常有利的,也是一种养地的过程。种地就必须养地,因为种地是消耗养分的过程,也即消耗土壤有机质的过程,产量越高消耗的有机质也就越多。只有通过养地技术,才能使土壤中的养分达到一个相对的平衡,才能保持土壤肥力不会下降。

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