1、第五章 土壤有机质(soil organic matter)教学目标教学目标 土壤有机质概述土壤有机质概述 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
2、本的物质有哪些？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。教学目标教学目标土壤有机质土壤有机质(soil organic matter)是指存在于土壤中的所有含碳碳的有机物质有机物质，它包括土壤中各种动、植物残体，微生物体动、植物残体，微生物体及其分解和合成分解和合成的的各种有机物质各种有机物质（广义广义概念）。狭义狭义的土壤有机质是指土壤腐殖质土壤腐殖质，即土壤中的各种动植物动植物残体残体，在微生物微生物的作用下形成的一类特殊的高分子高分子化合
3、物化合物。土壤有机质？土壤有机质？土壤有机碳？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l微生物是土壤有机质的最早来源。l动物来源 l植物来源植物来源l工农业副产品工农业副产品土壤有机质的基本来源。土壤有机质的基本来源。地面植被残落物和根系地面植被残落物和根系是土壤有机质的主要来源，如是土壤有机质的主要来源，如树木、灌丛、草类及其残落物，每年都向土壤提供大树木、灌丛、草类及其残落物，每年都向土壤提供大量有机残体。量有机残体。自然土壤自然土壤森林植被下的枯枝落叶森林植被下的枯枝落叶 荒漠景观荒漠景观热带雨林下仅凋落物干物质量即达热带雨林下仅凋落物干物质量即达16700
4、16700千克千克/公顷公顷 年年荒漠植物群落的凋落物干物质量仅为荒漠植物群落的凋落物干物质量仅为530530千克千克/公顷公顷 年年不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大（1 1）作物的根茬、还田的秸杆和翻压绿肥；）作物的根茬、还田的秸杆和翻压绿肥；（2 2）人畜粪尿；）人畜粪尿；（3 3）城市生活垃圾、污水；）城市生活垃圾、污水；（4 4）土壤微生物、动物的遗体及分泌物）土壤微生物、动物的遗体及分泌物(如蚯蚓、昆虫等如蚯蚓、昆虫等)（5 5）施用的各种有机肥料施用的各种有机肥料（厩肥、堆沤肥、腐殖酸（厩肥、堆沤肥、腐殖酸 肥料、污泥以及土杂肥等）肥料、污泥以及土杂肥等）耕作土壤耕作土壤
5、二、有机质的含量及组成二、有机质的含量及组成 一般含量在一般含量在0-5%0-5%之间。之间。泥炭土可高达泥炭土可高达20%20%或或30%30%以上，壤土和砂质土壤不足以上，壤土和砂质土壤不足0.5%0.5%据有机质含量，把土据有机质含量，把土壤分为：壤分为：有机土壤有机土壤 有机质含量有机质含量%20%矿质土壤：矿质土壤：有机质含量有机质含量%20%有机质含量（有机质含量（%）肥力水平肥力水平 1.5 高高1 1、有机质含量有机质含量表 2-1、全球土壤 0-100 cm 和 0-15cm 土层中有机碳的含量0-100cm 土层中的有机碳0-15cm 土层中的有机碳土纲面积103 km2M
6、g/ha总量 1015g占全球%范围（%）代表值（%）新成土始成土有机土暗色土变性土旱成土软土灰化土淋溶土老成土氧化土其它总计149212158017452552328731743548048781828311330117727644135215991632045306583513114669931012414835235778191107371127105119181576922235175587811000.06-6.00.06-6.012-571.2-100.5-1.80.1-1.00.9-4.01.5-5.00.5-3.80.9-3.30.9-3.04760.90.62.42.01.4
7、1.42.0表 5-1 不同地区旱地和水田耕层土壤有机质含量有机质含量（%）地 区旱地水田东北平原4.454.96黄淮海平原0.991.27长江中下游平原1.742.74南方红壤丘陵1.652.52珠江三角源程序平原2.012.73土壤有机质0.5%5%0.5-2.0%7%1.5-3.5%2 2、土壤有机质的组成、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 Sub
8、stance)非腐殖物质 20%40%（Non-Humic Substance)常见的化合物有：常见的化合物有：糖类物质，有机酸糖类物质，有机酸含氮化合物含氮化合物(氨基糖，氨基酸氨基糖，氨基酸)脂类（脂肪、蜡脂、单宁、树脂），链烷脂类（脂肪、蜡脂、单宁、树脂），链烷芳香化合物（酚类和醌类聚合而成）芳香化合物（酚类和醌类聚合而成）腐殖物质非腐殖物质成份植物组分（%）土壤有机质（%）纤维素半纤维素木质素粗蛋白油脂、蜡质20-5010-3010-301-151-82-100-235-5028-351-8植物植物组织与土壤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)
9、(3)存在形态：存在形态：动、植物残体动、植物残体（新鲜）（新鲜）半分解的动、植物残体半分解的动、植物残体 腐植物质腐植物质三、影响土壤有机质含量的因素三、影响土壤有机质含量的因素决定决定土壤有机质含量的因素：4输入4输出4碳平衡有机质土壤层1m输入输出CO2碳平衡碳平衡碳平衡 0 碳源大气层(输出-输入)生态系统生态系统第二节 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、微生物、酶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
10、料。酶 R （C,4H）+2O2 CO2+2H2O+能量 含碳和氢的化合物 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。在好氧条件下在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用可进行，微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质较快而彻底，有机物质 CO2和和H2O，而，而N、P、S等等则以矿质盐类释放出来。则以矿质盐类释放出来。在极嫌气的情况下在极嫌气的情况下，还产生，还产生CH4、H2等还原物质等还原物质，其，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。中的养料和能量释放很少，
11、对植物生长不利。在嫌气条件下在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分解作，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、乙醇用进行得既慢又不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等等中间产物中间产物。嫌氧分解：细菌 4C2H5COOH +2H2O 4CH3COOH +CO2 +CH4 细菌 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提供植物、微生物生命活动所需的碳源和能源和能源 提供中间产物，为合成腐殖质准备原料提供中间产物，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，二氧化碳大量产生可
12、进一步风化土壤，促进养分释放促进养分释放矿化分解意义？矿化分解意义？各种有机化合物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。腐殖化作用。矿化与腐殖化的关系？矿化与腐殖化的关系？2 2、腐殖化作用（腐殖化过程）、腐殖化作用（腐殖化过程）二、植物残体的分解和转化二、植物残体的分解和转化表现为一个整体的动力学动力学特点。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
13、解转化阶段：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）（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）（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%。植物根系植物根系在土壤中的年残留量比其地上部分地上部分稍高一些。三、土壤腐殖物质的分解和转化第一过程第一过程:腐殖
14、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：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：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%。富啡酸的
15、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（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（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
16、因素（三）植物残体的特性（三）植物残体的特性1、物理状态、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（有机物质组成的碳氮比（C/NC/N）对其分解速度影响对其分解速度影响微生物体微生物体C/N：5：1植物残体植物残体20 C作为能源消耗作为能源消耗分解有机质时满足合适的分解有机质时满足合适的C/N比值一般
17、为比值一般为25:1自身细胞需自身细胞需1N、5C小麦秸小麦秸 90.38 豌豆秸豌豆秸 38.53 蚕豆秸蚕豆秸 36.17图3 有机物料在草甸栗钙土中的腐解动态Fig 3 Decomposition of stalk compostsin meadow shestnut soil0204060801001200510152025月month残留率residual percentage莜麦秸 naked oak stalk小麦秸 wheat stalk披碱草 dahuria wildrygass stalk豌豆秸 pea stalk蚕豆秸 broad bean stalk表 2-2 一些有机
18、物质的碳、氮含量及其 C/N 比有机物质C%N%C/N云杉锯屑硬木锯屑小麦秸秆玉米禾茎甘蔗渣黑麦草（开花期）草坪禾草黑麦草（营养期）成熟苜蓿干草腐烂畜肥堆肥嫩苜蓿干草毛叶苕子城市淤泥土壤微生物细菌放线菌真菌土壤有机质软土 Ap 层老成土 A1平均 B 层50463840404040404041404040315050505652460.050.10.50.70.81.11.31.51.82.12.53.03.54.510.08.55.04.92.35.1600/1400/180/157/150/137/131/126/125/120/116/113/111/17/15/16/110/111/1
19、23/19/1激发作用：（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（四）土壤特性1、质地、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
20、碱性，而真菌则最适于酸性条件下（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）土壤腐殖物质腐殖物质的形成过程形成过程称为腐殖化作用。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生物和生物化学生物化学过程，还有一些纯化学纯化学的反应。第一阶段是植物残体分解产生简单简单的有机碳化合物有机碳化合物；第二阶段是通过微生物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，聚合聚合形成高分子多聚化合物高分子多聚化合物
21、，即腐殖物质腐殖物质的形成途径途径途径1：假定腐殖物质通过还原糖还原糖形成的，糖和氨基酸经非酶性的聚合聚合作用形成棕色的含氮聚合物，即腐殖物质。途径途径2和和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多元酚和醌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：多元酚理论：酚酚醌醌醌醌氨基酸氨基酸腐殖质单体分子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
22、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、土壤腐殖酸的分组理想的提取剂应满足：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（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
23、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 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
24、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、腐殖质的化学组成 我国主要土壤腐殖酸的元素组成元素（%）CHO+SNHA50-603.1-5.331-413.0-5.6FA45-534.0-4.840-482.5-4.3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。表 2-3 我国主要土壤表土中腐殖物质的元素组成(无灰干基)胡敏酸 HA（%）富啡酸 FA（%）腐殖物质范围平均范围平均CHONC/H43.9-59.6
25、3.1-7.031.3-41.82.8-5.97.2-19.254.74.836.14.211.643.4-52.64.0-5.840.1-49.81.6-4.38.0-12.646.54.845.92.89.83、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。种类 羧基 酚羟基 醇羟基 醌基 酮基 甲氧基 总酸度 HA 150-570 210-570 20-490 10-260 10-50 30-80 670FA 550-1120 30-570 260-95 30-200 120-270 30-120 1030
26、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。表 2-4 我国主要土壤表土中腐殖物质的含氧功能基（cmol（p+）/kg）含氧功能基胡敏酸富啡酸羧基酚羟基醇羟基醌基酮基甲氧基275-481221-347224-42690-18132-20632-95639-845143-257515-58154-058143-254394、腐殖酸的络合性腐殖酸具有一定的络合性络合性。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、Al、Ca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
27、。5、腐殖酸的电性腐殖酸含有可电离的含氧官能团及可质子化的氨基，故腐殖酸是一种两性胶体。即可以带负电荷，也可以带正电荷。而通常以带负电荷为主。腐殖质的电荷数量随pH值的变化而变化。COOH OHNH2COOHCOO-O-+2H+NH3+COO-腐殖酸分子结构的核心腐殖酸分子结构的核心腐殖酸的电荷来源（三）腐殖质的稳定性与变异性（三）腐殖质的稳定性与变异性1、腐殖质的稳定性腐殖质的稳定性很强，对微生物的分解的抵抗能力很强，因此分解周期长。在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于三个月，植物残体形成的新的有机质的半分解期为4.7-9年，而胡敏酸的平均停留时间为780-3000年，富里酸为200-
28、630年。2、腐殖质的变异性HA/FA值：表示胡敏酸胡敏酸与富里酸富里酸含量的比值。是表示土壤腐殖质成份腐殖质成份变异的指标之一。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胡敏酸为主，HA/FA比大于1.而在温暖潮湿的南方南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸富里酸为主，HA/FA比一般小于1.在同一地区，水稻土水稻土的腐殖质的HA/FA 比大于旱地旱地。在同一地区，熟化程度熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。第四节 土壤有机质的作用及管理一一、有机质的作用、有机质的作用（一）有机质在土壤肥力肥力上的作用东北的黑土东北的黑土土壤有机无机复合体示意图Al3+,Fe3+,Ca2+1
29、、提供植物需要的养分、提供植物需要的养分直接提供：直接提供：土壤有机质是作物所需的土壤有机质是作物所需的氮、磷、硫、微氮、磷、硫、微量元素量元素等各种养分的主要来源。等各种养分的主要来源。间接作用：多种有机酸和腐殖酸对土壤矿质部分有一间接作用：多种有机酸和腐殖酸对土壤矿质部分有一定的定的溶解能力溶解能力，可以促进矿物风化，有利于某些养料，可以促进矿物风化，有利于某些养料的的有效化有效化。一些与有机酸和富里酸。一些与有机酸和富里酸络合络合的金属离子可以保留于土壤溶液中的金属离子可以保留于土壤溶液中不致沉淀而增加有效性。不致沉淀而增加有效性。物理性质物理性质土壤团聚体土壤团聚体的形成过程和稳定性方
30、面起着重要作用。的形成过程和稳定性方面起着重要作用。改善改善土壤结构土壤结构，使土壤的透水性、蓄水性、通气性以，使土壤的透水性、蓄水性、通气性以及根系的生长环境有所改善。及根系的生长环境有所改善。腐殖物质具有巨大的腐殖物质具有巨大的比表面积比表面积和亲水基团，和亲水基团，吸水量吸水量是是粘土矿物的粘土矿物的5倍，能改善土壤有效持水量，使得更多的倍，能改善土壤有效持水量，使得更多的水能为作物所利用。水能为作物所利用。颜色与热性质颜色与热性质：由于腐殖质是一种深色的物质，深色：由于腐殖质是一种深色的物质，深色土壤吸热快，在同样日照条件下，其土温相对较高。土壤吸热快，在同样日照条件下，其土温相对较高
31、。2、改善土壤性质改善土壤性质土壤中土壤中养料含量养料含量与与保肥能力保肥能力在酸性土壤中，有机质通过与单体铝的复合，降低在酸性土壤中，有机质通过与单体铝的复合，降低土壤交换性铝的含量，从而土壤交换性铝的含量，从而减轻铝的毒害减轻铝的毒害。养分的有效性养分的有效性：如增加土壤中磷的有效性和提高磷：如增加土壤中磷的有效性和提高磷肥的利用率、增加土壤微量元素的有效性。肥的利用率、增加土壤微量元素的有效性。提高土壤腐殖物质含量，就增强土壤对酸碱度变化提高土壤腐殖物质含量，就增强土壤对酸碱度变化的的缓冲性能缓冲性能。化学性质化学性质3、生物性质、生物性质土壤微生物生命活动所需土壤微生物生命活动所需养分
32、和能量养分和能量的主要来源，没的主要来源，没有土壤有机质则不会有土壤中的所有有土壤有机质则不会有土壤中的所有生物化学生物化学过程。过程。蚯蚓通过掘洞、消化有机质、排泄粪便等直接改变土蚯蚓通过掘洞、消化有机质、排泄粪便等直接改变土壤微生物和植物的壤微生物和植物的生存环境生存环境。通过刺激微生物和动物的活动还能增加土壤通过刺激微生物和动物的活动还能增加土壤酶的活性酶的活性，从而直接影响土壤养分转化的生物化学过程。从而直接影响土壤养分转化的生物化学过程。腐殖酸被证明是一类腐殖酸被证明是一类生理活性物质生理活性物质，它能加速种子发，它能加速种子发芽，增强根系活力，促进作物生长。对土壤微生物而言，芽，增
33、强根系活力，促进作物生长。对土壤微生物而言，腐殖酸也是一种促进其生长发育的生理活性物质。腐殖酸也是一种促进其生长发育的生理活性物质。1 1、有机质与、有机质与重金属重金属离子的作用离子的作用土壤腐殖物质含有多种土壤腐殖物质含有多种功能基功能基，这些功能基对重金，这些功能基对重金属离子有较强属离子有较强络合和富集能力络合和富集能力。（二）、有机质在生态环境上的作用（二）、有机质在生态环境上的作用2 2、有机物质对、有机物质对农药农药等有机污染物的固定作用等有机污染物的固定作用土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的亲和力土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的亲和力 对有机污染物在土壤中的生物活性、残留
34、、生物降对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降 解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。可溶性腐殖物质能增加农药从土壤向地下水的迁移可溶性腐殖物质能增加农药从土壤向地下水的迁移 能更有效地迁移农药和其它有机物质能更有效地迁移农药和其它有机物质 腐殖物质还能作为还原剂而腐殖物质还能作为还原剂而 改变农药的结构、活性改变农药的结构、活性 降低毒性降低毒性二、土壤有机质的管理土壤有机质（碳）的动态平衡 土壤有机质含量并非可以无限提高,在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。4如何提高土壤有机质含量？如何提高土壤有机质含量？1、坚持两个原则 动态平衡原则动态平衡原则 经
35、济合理原则经济合理原则 1 1、耕作对有机质的影响、耕作对有机质的影响 对于原有机质含量高的土壤，随着耕种年数的递增，土对于原有机质含量高的土壤，随着耕种年数的递增，土壤有机质含量降低，土壤有机质含量可以损失壤有机质含量降低，土壤有机质含量可以损失20-30%我国黑龙江省的土壤调查资料表明：我国黑龙江省的土壤调查资料表明：开垦后开垦后20年年土壤有机质含量减少土壤有机质含量减少1/4-1/3，开垦后开垦后20-40年年土壤有机质含量土壤有机质含量又减少又减少1/4-1/3，在开垦在开垦60年年后土壤有机质减少到后土壤有机质减少到原来含量的原来含量的1/2以上以上。免耕可以显著增加土壤微生物生物
36、量和微生物碳与有机碳的比率，并使土壤有机质水平表现出提高的趋势。全国土壤有机质分布图（农业部土壤处）全国土壤有机质分布图（农业部土壤处）农业部农业部2004年近万农户监测结果年近万农户监测结果监测区土壤有机质含量从高到低的顺序为：4土壤有机质含量稳中有升。土壤有机质含量稳中有升。42000年土壤有机质含量比年土壤有机质含量比1998年上升年上升0.9g/kg42004又比又比2000年上升年上升0.35g/kg2 2、施肥有机质含量的影响、施肥有机质含量的影响施肥施肥 化肥:尿素，碳酸氢铵，过磷酸钙 有机肥:作物秸杆、绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥、秸杆施用有机肥有
37、机肥以提高土壤有机质水平是我国劳动人民在长期的生产实践中总结出来的宝贵经验。适当施用一些氮肥氮肥也是将土壤有机质保持在合适水平的一项措施有机、无机肥料配合施用不仅能增产，提高肥料利用率，还能提高土壤有机质的含量。“腐殖化系数腐殖化系数”：单位重量的有机物质碳在土壤中分解一年后的残留碳量。同类物质不同地区：东北地区华北、江南地区华南地区同一地区不同类物质：作物根厩肥作物秸杆绿肥。实行绿肥或牧草与作物轮作轮作可显著提高土壤有机质的含量表 2-5 中国不同地区耕地土壤中有机物质的腐殖化系数 东北地区 华北地区 江南地区 华南地区 作物秸杆 作物根 绿肥 厩肥 范围 平均 范围 平均 范围 平均 范围
38、 平均 0.26-0.65 0.42(9)0.30-0.96 0.60(5)0.16-0.43 0.28(14)0.28-0.72 0.46(11)0.17-0.37 0.26(33)0.19-0.58 0.40(14)0.13-0.37 0.21(46)0.28-0.53 0.40(21)0.15-0.28 0.21(53)0.31-0.51 0.40(54)0.16-0.37 0.24(33)0.30-0.63 0.40(38)0.19-0.43 0.34(18)0.32-0.51 0.38(14)0.16-0.33 0.23(31)0.20-0.52 0.31(8)*括号内数值测定样本数
39、种植绿肥种植绿肥 绿肥绿肥是指把还在生长着的豆科绿色植物体翻入土壤的肥是指把还在生长着的豆科绿色植物体翻入土壤的肥料料。种植绿肥是一个培肥土壤、提高产量的有效措施。种植绿肥是一个培肥土壤、提高产量的有效措施。种植绿肥应依据种植绿肥应依据“因地制宜、充分用地、积极养地、因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合养用结合”的原则，同时也要考虑经济效益。的原则，同时也要考虑经济效益。秸秆还田秸秆还田 一般是指将作物收获后将秸秆切碎，不经堆腐直接翻入土一般是指将作物收获后将秸秆切碎，不经堆腐直接翻入土壤。壤。秸秆还田不仅节省劳力和运输，对促进土壤结构的形秸秆还田不仅节省劳力和运输，对促进土壤结构的形成、固
40、定和保存氮素以及促使土壤难溶性养分的释放比施成、固定和保存氮素以及促使土壤难溶性养分的释放比施用腐熟的有机肥效果更好。用腐熟的有机肥效果更好。3 3、调节土壤的水、气、热状况、调节土壤的水、气、热状况 调节调节土壤温度、湿度、通气状况，达到调节土土壤温度、湿度、通气状况，达到调节土壤有机质分解速率的目的。壤有机质分解速率的目的。（通过浇水、翻土措施（通过浇水、翻土措施,调节土壤的温度、湿度、通气等，调节有机质的积累和调节土壤的温度、湿度、通气等，调节有机质的积累和分解）分解）第五节第五节 土壤有机质与全球气候变化土壤有机质与全球气候变化全球气候变化全球气候变化?全球气候变化4CO2浓度增加浓度
41、增加4 280ppm-380ppm-580ppm4全球气候变暖（温室气体）全球气候变暖（温室气体）4 全球平均温度将在今后的全球平均温度将在今后的50100年间年间增加增加1.0-3.5 4降水格局的变化降水格局的变化4氮沉降氮沉降“脉冲式脉冲式”降水降水在过去在过去10,000年年(大图大图)及自及自1750年年(小图小图)的二氧化碳、甲烷大气浓度。图中显的二氧化碳、甲烷大气浓度。图中显示由冰蕊量度示由冰蕊量度(不同颜色表示不同的研究不同颜色表示不同的研究)及大气样本量度及大气样本量度(红线红线)的结果。大图的的结果。大图的右轴显示对应的辐射强迫力。右轴显示对应的辐射强迫力。(来源：政府间气
42、候变化专门委员会来源：政府间气候变化专门委员会IPCC 2007)年降水趋势：年降水趋势：19001900200020001998长江大水长江大水温度增加，海水的蒸发加快温度增加，海水的蒸发加快 地球平均温度每上升一度，空气地球平均温度每上升一度，空气所含水分是平常的两倍所含水分是平常的两倍厄尔尼诺现象，拉尼娜现象厄尔尼诺现象，拉尼娜现象 更丰富的雨量降落在太平洋的更丰富的雨量降落在太平洋的西岸西岸长江、嫩江和松花江均发生了全流域性特大洪水 大气中大气中CO2 浓度的不断增加浓度的不断增加化石燃料的大量消耗和土地利用变化化石燃料的大量消耗和土地利用变化 大气温度升高和降水格局的变化大气温度升高
43、和降水格局的变化生态系统功能过程的变化生态系统功能过程的变化人类赖以生存的地球系统造成的后果人类赖以生存的地球系统造成的后果植物的碳利用和干物质生产植物的碳利用和干物质生产植物的光和作用植物的光和作用地球一年中通过光合作用约吸收地球一年中通过光合作用约吸收2.01011t碳素碳素(6400t/s)，同时，同时将将3.21021J的日光能转化为化学能，并释放出的日光能转化为化学能，并释放出5.351011t O2 2030年以前年以前,对碳循环的研究缺乏应有的重视。对碳循环的研究缺乏应有的重视。4碳素来源充足碳素来源充足,不是不是生产力生产力的的限制因子限制因子。4碳素循环主要过程的光合固碳素循
44、环主要过程的光合固碳碳作用形成作用形成生产力生产力,一一直是传统的直是传统的生态学生态学研究的研究的核心内容核心内容，人们一般将碳，人们一般将碳循环与生态系统的能量流动，如循环与生态系统的能量流动，如生物量、生生物量、生 产力产力等相结合。人们很少把生态系统中等相结合。人们很少把生态系统中有机物质生产过有机物质生产过程和土壤呼吸过程程和土壤呼吸过程联系起来，形成联系起来，形成碳循环碳循环的概念。的概念。植物固定植物固定CO2土壤，生物呼吸释放土壤，生物呼吸释放CO2碳的输入碳的输入碳的碳的输出输出生物分解释放生物分解释放CO2生态系统内碳循环生态系统内碳循环人为措施人为措施植物植物土壤土壤分解
45、分解输入输入植物固定植物固定CO2 据估计全球土壤有机质的总碳量在据估计全球土壤有机质的总碳量在14-15 X 1017g，大约是陆地，大约是陆地生物总碳量（生物总碳量（5.6 X 1017 g）的）的2.5-3倍。倍。碳素的输入、生物量中的碳贮量碳素的输入、生物量中的碳贮量(包括活体与凋落物包括活体与凋落物)和土壤中和土壤中有机碳的贮量及碳库间流量大小及变化是碳循环研究的核心有机碳的贮量及碳库间流量大小及变化是碳循环研究的核心土壤碳库碳贮量及其变化和调控机制的研究，是碳循环研究的土壤碳库碳贮量及其变化和调控机制的研究，是碳循环研究的重要内容重要内容 土壤有机质的分解土壤有机质的分解(矿化过程
46、矿化过程)：R （C,4H）+2O2 CO2+2H2 O+养分 含碳和氢的化合物 氧化酶植物向土壤的输入（腐殖化过程）：植物向土壤的输入（腐殖化过程）：植物植物凋落物凋落物腐殖质腐殖质嫌气性微生物嫌气性微生物分解又合成分解又合成土壤土壤归还归还影响有机质的分解和转化影响有机质的分解和转化的因素：的因素：温度，土壤水温度，土壤水分和通气状况，植物残体的特性，土壤特性分和通气状况，植物残体的特性，土壤特性4每年因土壤有机物质生物分解释放到大气的总碳量为68 X 1015g。“土壤呼吸土壤呼吸”4土壤呼吸（soil respiration）是指未扰动土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用，包括三个生物学过
47、程（即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物学过程。即含碳矿物质的化学氧化作用等几个生物学和非生物学过程。4全球每年因焚烧燃料释放到大气的碳为6 X 1015g，是土壤呼吸作用释放碳的8-9%。通过调节土壤温度、湿度、通气状况、土壤反应、施肥等因素能调节土壤微生物的活性，这也同样能达到调节土壤有机质分解速率的目的。固碳土壤学固碳土壤学科尔沁沙质草地被开垦内蒙古草甸草原被开垦 为什么人类开垦草地？为什么人类开垦草地？政策因素，人口原因，环境因素政策因素，人口原因，环境因素举例：草地开垦对土壤有机质的影响举例：草地开垦对土壤有机质的影响 草地开垦为农田后土壤中碳素损失草地开垦为农田后
48、土壤中碳素损失30-50。损失发生在开垦后的最初几年，损失发生在开垦后的最初几年，20a后趋于稳定后趋于稳定例：例：在美国大平原，在美国大平原，36a耕作后碳素损失了耕作后碳素损失了42。损失量以施有机肥最小，休闲轮作稍大，连作最损失量以施有机肥最小，休闲轮作稍大，连作最 大。大。2种草地开垦为农田后土壤有机质的变化(Schlesinger，1986）土壤有机质含量降低可能的机制土壤有机质含量降低可能的机制:4耕作的耕作的物理物理效应效应4耕作的耕作的微生物微生物效应效应4作物对生态系统作物对生态系统碳素分配比例碳素分配比例的影响的影响4收割对收割对地上生物量地上生物量的影响的影响4耕作对耕作
49、对土壤易蚀性土壤易蚀性(风和水蚀风和水蚀)的影响的影响退耕还林还草工程退耕还林还草工程昔日的陕北黄土高原昔日的陕北黄土高原 陕北志丹县水土保持流域治理区一陕北志丹县水土保持流域治理区一 退耕还草退耕还草 4黑河中游边缘绿洲农田退耕种植苜蓿黑河中游边缘绿洲农田退耕种植苜蓿5年后，风年后，风沙土和灰棕漠土沙土和灰棕漠土020cm SOC储量提高了储量提高了221 2784Land Degradation&Development 在线发表了中科在线发表了中科院武汉植物园博士研究生张克荣的研究论文院武汉植物园博士研究生张克荣的研究论文Change in soil organic carbon foll
50、owing the Grain-for-Green programme in China，发现土地利用变，发现土地利用变化化4-5年后土壤才开始表现为碳汇，并且推算出我年后土壤才开始表现为碳汇，并且推算出我国退耕还林还草后土壤有机碳以国退耕还林还草后土壤有机碳以36.67 g m-2 y-1的的速度积累。速度积累。土壤有机质土壤有机质-甲烷甲烷-全球气候变化全球气候变化 甲烷甲烷(CH4)俗称沼气，其浓度在温室气体中俗称沼气，其浓度在温室气体中 占第二位。其增长与世界人口的增长呈显著的占第二位。其增长与世界人口的增长呈显著的 正相关。正相关。增温潜能：增温潜能：CO21，CH423 大气圈大气
