土壤生物与土壤有机质
第2章 土壤有机质
5 / 59
5%
0.5%
0.5-2.0%
7%
College of plant science
6 / 59
表 5-1 不同地区旱地和水田耕层土壤有机质含量 地 东北平原 黄淮海平原 长江中下游平原 南方红壤丘陵
珠江三角区冲积平原 珠江三角源程序平原
区 旱地 4.45 0.99 1.74 1.65 2.01
有机 残体
mineralization 腐殖化作用
humification
13 / 59
一.有机质的矿化作用 mineralization
（一）矿化作用的概念（Mineralization ）：
有 机物 质在微生物 的作用下分 解成无机营 养元素的过 程 （The conversion of an element from an organic form to an inorganic state as a result of microbial decomposition）。 （二）矿化作用的意义
第二章 土壤有机质
(soil organic matter)
土壤生物与土壤有机质
7、菌根
真菌的菌丝侵入植物根部 后，和植物根组织生活在一起， 称为菌根。
其真菌称为菌根真菌。
8、原生动物（protozoon） 数量有68000多种。一般在每平米15厘米深
的土壤里有10-100亿个(1-10万个/克土)原生动物， 它们的活重在耕层达150-200磅/每英亩。
原生动物是动物中最低级的。 典型种类有: 变形虫
4、放线菌（actinomycetes） • 放线菌是原核微生物，菌丝比真菌细，菌丝断裂为孢
子每克土壤中的细胞数在104～106变动。
• 链霉菌属，占70%～90%；其次为诺卡氏菌属占10%～ 30%；小单胞菌属占第三位，只有1%～15%。它们的大 部分均属好氧腐生菌。
• 产生抗生素，对其他有害菌能起拮抗作用。
真 菌 菌 落
3、霉菌
• 对土壤通气性非常敏感； • 霉菌在酸性土壤中能生活，在酸性土壤中具有明显的
优势; • 霉菌多数分布在有机质丰富，通气好的表层土壤中; • 较常见的有青霉、毛霉、链霉和曲霉四个属的许种; • 霉菌的数量在正常情况下，每克土壤中有0.1-1百万
个，相当于每平方米100-1000亿个，其生物量可达每英 亩500- 5000磅; • 霉菌是土壤中异养型微生物的重要部分。
腐殖质与矿物质土粒紧密结合，不能用机械方法 分离。
有机质总量的85%-90% 对土壤物理、化学、生物学性质都有良好作用。 土壤肥力水平主要标志。
二、土壤有机质的组成和性质
1、化学元素组成： 土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N; C/N比大约在10-12之间。
2、有机质的组成（腐殖质）
化合物组成可分为: 腐殖物质（Humic Substance) 非腐殖物质（Non-Humic Substance)
土壤微生物与有机质
1、细菌：土壤细菌占土壤微生物总数的70%90%，数量极其庞大。
（1） 节杆菌属：能利用各种有机物碳 源和能源，并降解土壤中难分解的 物质和多种化学农药； （2）芽孢杆菌属：大多为对动植物无 害的腐生菌，一般具有很强的分解 蛋白质和复杂多糖的能力，对土壤 有机质的分解起着重要作用； （3）假单胞菌属：有益的假单胞菌属 因其具有代谢多种化合物能力，在 降解土壤中的有机农药和除草剂等 发挥重要作用，同时是制造多种产 品的经济微生物； （4）其他各种细菌生理群：有分解糖、 淀粉、纤维素等的碳水化合物分解 细菌，有将有机含氮化合物中的氮 素转化成氨的氨化细菌。
• 土壤有机质(soil organic matter)
• 土壤有机质泛指土壤中来源于生命的物质 。
土壤微生物是土壤肥力 和土壤健康的重要指标，是 土壤有机物的主要分解者， 通过分解动物残体获得自身 所需的营养物质的同时，为 植物生长提供必要的养分元 素，是陆地生态系统生物循 环的重要环节。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，可以持久稳 定地向微生物提供能源。
4、藻类：土壤藻类是土壤生物的先行者，可通过光能自养 的能力，成为土壤上最先有机物质制造者之一，荒地和干燥 的沙漠土壤中的腐殖质多来自土壤藻类。
微生物与有机质的相互作用
1）微生物与土壤有机质和黏土矿物之间的相互作用 • 土壤中80%-90%的微生物是黏附在各种矿物、有机质 或矿物—有机物复合体表面，形成单个的微生物群落 或生物膜。微生物与土壤有机质和黏土矿物之间的相 互作用也是由分子间力、静电力、疏水作用力、氢键 和空间位阻效应等多种作用力或作用因素共同决定或 影响的物理化学过程。微生物吸附于矿物、有机质、 表面后，其细胞代谢将会发生明显的变化，从而影响 到土壤中与生物相关的一系列土壤环境过程，如矿物 风化与形成、土壤结构稳定性土壤养分有效性等。
土壤有机质
从广义上讲，土壤有机物是指土壤中各种含碳有机物，包括各种动植物残留物，微生物及其分解和合成的各种有机物质。
从狭义上讲，土壤有机质（SOM）通常是指由有机残留物通过微生物作用而形成的一种特殊，复杂和稳定的大分子有机化合物（腐殖酸）。
土壤有机质是土壤固相的重要组成部分，也是植物营养的主要来源之一。
它可以促进植物的生长发育，改善土壤的物理性质，促进微生物和土壤生物的活性，促进土壤中营养元素的分解，并提高土壤肥力和缓冲作用。
它与土壤的结构，通气，渗透性，吸附和缓冲密切相关。
通常，当其他条件相同或相似时，有机物的含量在一定范围内与土壤肥力成正相关。
土壤有机质主要来自植物，动物和微生物残留，其中高等植物是主要来源。
微生物是最早出现在原始土壤母体材料中的生物。
随着生物的进化和土壤形成过程的发展，动植物残留物及其分泌物已成为土壤有机质的基本来源。
在天然土壤中，土壤有机质的主要来源是地面植被残留物和根，例如树木，灌木，草及其残留物，它们每年为土壤提供大量有机残留物。
在农业土壤中，土壤有机质的来源广泛，主要包括作物残茬，秸秆还田和绿肥。
人畜粪便，工农业副产品的废料（如酒糟，亚硫酸铵造纸废液等）；城市生活垃圾和污水；土壤微生物，动物（例如earth，昆虫等）的残留物和分泌物；人工施用各种有机肥料（肥料，腐殖酸，肥料，污泥，土壤和杂肥等）。
其中，耕种土壤中的自然植被已不存在，主要是人们每年使用的作物根系分泌物，残茬，垃圾和有机肥料（绿肥，堆肥，堆肥和肥料等）。
尽管进入土壤的有机残留物来源不同，但从化学角度来看，它们主要是碳水化合物（包括一些简单的糖和多糖，例如淀粉，纤维素和半纤维素），含氮化合物（主要是蛋白质），木质素和其他物质。
此外，还有一些脂溶性物质（例如树脂，蜡等）。
土壤有机质的基本元素是C，O，h和N，其中C占52％-58％，O占34％-39％，H占3.3％-4.8％，N占3.7。
％-4.1％。
第二个是p和s，其次是K，CA，Mg，Si，Fe，Zn，Cu，B，Mo，Mn和其他灰分元素，C / N通常为10-12。
土壤有机质
第二章土壤有机质一、土壤有机质的来源、含量及其组成1土壤有机质的概念指存在于土壤中所有含碳的有机质。
由生命体和非生命体两大部分组成。
2来源（1）土壤微生物是土壤有机质的最早来源（2）动、植物残体是自然土壤有机质的主要来源（3）作物根茬、有机肥料、工农业和生活废水、废渣、微生物制品、有机农药等有机质3土壤有机质的含量不同土壤有机质含量差异很大，其含量与气候、植被、地形、土壤类型、耕作措施等因素密切相关。
耕层含有机质20%以上的土壤称为有机土壤；20%以下的称为矿质土壤。
4有机质的组成元素组成：主要为C、H、O、N，其次是P和S。
化合物组成：主要是类木质素和蛋白质，其次是半纤维素以及乙醚和乙醇可溶性化合物。
5土壤腐殖质：除未分解和半分解、植物残体及微生物残体以外的有机物质总称。
由非腐殖质物质和腐殖物质组成，占土壤有机质的90%。
（1）非腐殖物质：有特定的物理化学性质、结构已知的有机化合物，包括一些经微生物改变的植物有机化合物，和微生物合成的有机化合物。
如碳水化合物、氨基酸、蛋白质、氨基酸、脂肪、蜡质、木质素、树脂、核酸、有机酸等。
在土壤中存在时间短、易被降解和作为基质被微生物利用，占土壤腐殖质的60%~80%。
（2）腐殖物质：是经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。
是土壤有机质的主体，也是土壤有机质中最难降解的组分，占土壤有机质的60%~80%二、土壤有机质的分解和转化（一）矿质化过程土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分和能量的过程。
1单糖的分解：在有氧条件下彻底分解，形成二氧化碳和水，在缺氧条件下，形成有机酸类的中间产物，并产生还原性的甲烷及氢气。
2纤维素的分解：首先分解为单糖，然后进一步分解。
3含氮有机质的分解主要是蛋白质的分解，是土壤氮素循环的主要过程。
包括4个过程：（1）水解过程：蛋白质在水解酶作用下分解成简单的氨基酸（2）氨化作用：在氨化细菌作用下，有机态氮变成无机态氮（即氨或铵）的过程。
土壤生物在土壤研究中的意义
土壤生物在土壤研究中的意义1、形成土壤结构微生物的区系组成、生物量和它们的生命活动对土壤的形成与发育关系密切。
在土壤中，微生物会通过代谢活动的氧气与二氧化碳的交换，以及分泌有机酸等有助于土壤粒子形成大的团粒结构，并形成真正意义上的土壤。
2、分解有机质这一点是微生物对于土壤作用更显着的一点。
微生物有着分解作用，对于作物的残根、烂根、落叶等微生物都可以使其腐烂并分解，然后转化为营养元素供给于作物。
并在这些过程中形成腐殖质，从而改善土壤的结构。
同时微生物的代谢产物还可以分解矿物质，通过分解作用从而产生磷、钾等元素提供给作物吸收利用。
3、固氮作用有些微生物可以通过转化空气中的氮元素，为作物提供“氮肥”。
这就像是当人处于高原环境出现缺氧反应时，我们用氧气瓶来提供氧气。
如果没有氧气瓶我们很难呼吸到足够的氧气从而缓解缺氧症状；同样的，如果没有微生物，这些空气中的氮元素就会白白浪费掉。
4、整治病害有些病害是由病原菌微生物所导致，这时我们就可以用与它们会产生克制作用的微生物来进行防治。
不光绿色环保，效果也更为出众。
问题出在哪里，就用相对应的办法解决无疑是更好的解决方案。
换句话理解就是：杀鸡焉用宰牛刀？当然用杀鸡刀是更顺手的。
5、防治虫害在自然界，存在着许多对害虫有致病作用的微生物，利用这种致病性来防治害虫是一种有效的生物防治方法。
利用微生物防治害虫的研究始自19世纪，到20世纪上半期逐渐进入开发实用阶段。
发展较快的是真菌和细菌杀虫剂，目前，应用较多的细菌有苏云金杆菌，真菌主要有绿僵菌、白僵菌等。
6、降解有害物质的残留常年耕种的土壤，难免会积累残留农药，甚至是各种垃圾，这对作物的生长百害而无一利。
微生物群可以对这些有害物质进行分解，使它们变的低害、甚至无害。
生物对土壤形成的作用
生物对土壤形成的作用
生物对土壤的影响是非常重要的，它们可以促进土壤发育，改善土壤性质，影响土壤结构，维持土壤有机物的均衡和土壤pH 值，以及影响土壤通量和土壤生物活性。
首先，生物对土壤发育有着重要作用。
许多动物，如兔子，土拨鼠和线虫等，可以通过挖掘地下洞穴，将其粪便分散到土壤中，不仅可以增加土壤的质量，而且还可以增加土壤的有机质含量和氮的供应。
此外，蜘蛛等昆虫还通过吸收其栖息地的有机物质，释放肥料，从而促进土壤的营养和pH反应。
其次，生物还可以改善土壤性质。
根瘤菌是一类植物和土壤之间的关联菌类，它们具有特殊的化学特性，可以自发地吸收土壤中的氮、磷和钾，从而改善土壤肥力，增加土壤有机质含量，使土壤更有益于它们植物生长发育。
此外，生物对土壤结构也具有重要作用。
沃尔夫发现，微生物可以分泌凝胶分子，将土壤中的颗粒结合在一起，而这些粒子比它们没有微生物活性的土壤要多。
这会改善土壤的结构，使其具有良好的吸水性，便于根系的生长发育。
此外，生物还可以维持土壤有机物的均衡和土壤pH值。
研究表明，微生物可以生成大量碳酸盐酶将土壤中多种有机物分解，从而维持有机物的平衡，而细菌分泌会升高土壤的有机碳含量，从而影响土壤的pH值，使其偏酸或偏碱，从而改变其生长条件。
最后，生物还会影响土壤通量和土壤生物活性。
研究表明，微生物活动对土壤气体的流通非常重要，提高了气体的蒸发和扩散，甚至还能够改善土壤的水分分布。
此外，微生物还可以释放大量的活性物质，从而增加土壤生物活性，使植物可以更好地吸收营养，促进植物的生长和发育。
土壤生物和土壤有机质性质及作用
土壤生物与土壤有 机质性质和作用
2.2.1 土壤生物
1、土壤生物多样性
• A、原生动物：单细胞真核生物，104-105 个/g土。鞭毛虫、变形虫
• B、后生动物：多细胞动物。线虫、蠕虫、 蚯蚓、蚂蚁 疏松土壤，破碎植物残体
土壤生物与土壤有 机质性质和作用
C、微生物
细菌 （bacteria）
放线菌 （actinomyces ）
真菌 （fungi）
藻类
(algae) 原生动物 （protozoon）
土壤生物与土壤有 机质性质和作用
2、微生物营养类型
• 1）化能有机营养型：异养型，需要有机化合
物作为碳源，并从氧化有机化合物的过程中获得 能量。大多数细菌、几乎全部真菌和原生动物。
土壤生物与土壤有 机质性质和作用
不同土壤生态系统的有机质
荒漠，SOM 少,<0.n DT/ha
森林下，SOM丰富
102 DT/ha
土壤生农物业与土土壤壤：有根茬等,n DT/ha 机质性质和作用
农 业
作物根系、残茬 及根系分泌物
土
壤
有
农家肥
机
质
来
源 工业、生活垃圾
三种形态：新鲜土有壤机生质物、与半土分壤有解有机质、腐殖质
• 2）化能无机营养型：自养型，以CO2为碳源，
从氧化无机化合物中取得能量。亚硝酸菌、硝酸 菌等。
土壤生物与土壤有 机质性质和作用
• 3）光能有机营养型：光能异养型，能量来
自于光，需有机化合物作为氢供体以还原CO2， 并合成细胞物质。
• 4）光能无机营养型：自养型，利用光能进
行光合作用，以无机化合物作为氢供体以还原 CO2，并合成细胞物质。
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藻类
C、微生物
(algae) 原生动物 （protozoon）
土壤生物与土壤有机质
2、微生物营养类型
1）化能有机营养型：异养型，需要有机化合
物作为碳源，并从氧化有机化合物的过程中获得 能量。大多数细菌、几乎全部真菌和原生动物。
2）化能无机营养型：自养型，以CO2为碳源，
从氧化无机化合物中取得能量。亚硝酸菌、硝酸 菌等。
2 有机质的构成量和含碳量
土壤腐殖质：占有机质~90%； 非腐殖物质中：碳水化合物占有机质 5%~25% 有机质的含碳量：
源物质（残体）：40%； 胡敏酸：50%；富里酸：40%； 土壤有机质平均：58% SOM=SOC*1.724
土壤生物与土壤有机质
关于土壤有机质的某些量的关系
3 元素组成
CO
大气CO2（ppm） 碳汇（Pg/yr）
650 550 450 350 250
1800 2000 2200 大气CO2
2 1.5 1 0.5 0 -0.5 2400 2600 年 碳汇
土壤生物与土壤有机质
认识碳汇的可 能变化
探索缓解途径， 寻找新的碳汇
不同系统的碳库容量比较
Carbon pool (Pg,
70
60
50
40 10
y = 35.622Ln(x) - 43.085 R2 = 0.9506
15
20
25
30
SOM(g/kg)
江苏80年代初期产量与有机质的关系 土壤生物与土壤有机质
How important?
Soil Fauna biomass (Individual/m2)
Microbial C(mg/kg)
2.2 土壤生物与
土壤有机质
土壤生物与土壤有机质
2.2.1 土壤生物
1、土壤生物多样性
A、原生动物：单细胞真核生物，104105个/g土。鞭毛虫、变形虫
B、后生动物：多细胞动物。线虫、蠕 虫、蚯蚓、蚂蚁 疏松土壤，破碎植物残体
土壤生物与土壤有机质
细菌 （bacteria）
放线菌 （actinomyces ）
100
R2 = 0.9094
0
15 20 25 30 35 40 45 SOC(g/g) 土壤生物与土壤有机质
How important?
土壤污染物浓度（mg/kg DM）
PAEs PAHs 硝基苯 胺类 卤代烃类
CK 16.926 9.436 0.181 0.046 0.109
化肥 7.667 6.221 0.465
1Pg=1015 g)
Terretrial Ecosystem 620
SOM
1500
Air
760
Ocean & Marine
000
Rock
5000+1000
土壤生物与土壤有机质
How important?
SOM as a support for biomass production
80
基础产量/实际产量(%)
东北
华中、华南 华北、西北
逐渐降低
土壤生物与土壤有机质
有机物质的组成：成分复杂
1 植物残体：
主要成分： C、H、O、N、P、S、K
烧失量：90%~95% 以上，C、H、O、N
灰分：P、S、Ca、 Mg、 K、 Si、 Zn、 Mo、
B、 Fe、Mn
土壤生物与土壤有机质
关于土壤有机质的某些量的关系
农
作物根系、残茬 及根系分泌物
业
土
壤
农家肥
有
机
质
工业、生活垃圾
来 三种形态：新鲜有机土壤质生物、与土半壤有分机质解有机质、腐殖质
二、土壤有机质的某些量的特点
1，土壤中有机质含量：0~300g/kg， 有机质土壤：>200g/kg； 矿质土壤：<200g/kg； 耕作土壤：5~50 g/kg；平均：10~20g/kg
0 0.081
佛山污泥 40.025 10.585 0.198 0.001 0.257
广州污泥 38.081 8.527 9.528 0.034 0.624
土壤生物与土壤有机质
不同土壤生态系统的有机质
荒漠，SOM 少,<0.n DT/ha
森林下，SOM丰富 102 DT/ha
土壤农生物业与土土壤壤有机：质 根茬等,n DT/ha
和H2等； ➢ 促进团聚体的形成； ➢ 分解有机废弃物； ➢ 是新物种基因材料的源和库
土壤生物与土壤有机质
2.2.2 土壤有机质
土壤中来源于生命的物质
土壤生物与土壤有机质
一、为什么研究有机质
土壤有机质
土壤碳固定 与碳循环
土壤肥力
土壤污染
全球变化
土壤环境 质量
土壤生物与土壤有机质
温室效应（CO2、CH4）与 陆地碳汇问题
Fauna & Microbe
650
600
550
500
450
400
350
300
500 Fauna biomass & SOC in A horizon
10
20
400
y = 334.03Ln(x) - 641.92 R2 = 0.9745
30
40
50
SOC(g/kg)
300
200 y = 435.48Ln(x) - 1188.3
土壤生物与土壤有机质
3）光能有机营养型：光能异养型，能量来
自于光，需有机化合物作为氢供体以还原CO2， 并合成细胞物质。
4）光能无机营养型：自养型，利用光能进
行光合作用，以无机化合物作为氢供体以还原 CO2，并合成细胞物质。 藻类、光合细菌
土壤生物与土壤有机质
微生物作用：
调节植物生长的养分循环； ➢ 产生并消耗CO2，CH4，NO，N2O，CO
粗蛋白质 纤维素、半纤维素 脂肪、蜡质 木质素
土壤生物与土壤有机质
土壤有机质的矿化作用
A、糖类化合物 B、含氮有机化合物
水解作用：
蛋白质
氨基酸
氨化作用
硝化作用
NH2-N----NH3-N------NO2-N、NO3-N
有机质
兼气： NH4+-N 、—SH、
有机酸
微生物
CH4
厌氧
土壤生物与土壤有机质
土壤呼吸：微生物分解土壤有机质，释放
CO2于空气中；
矿化作用(mineralization)：复杂有机物通过微生
物的分解转化为简单的化合物，同时释放出矿质 养料的过程。
土壤生物与土壤有机质
有机化合物分解的差异
单糖、淀粉和 简单蛋白质
H
N
% 52~58 34~39 3.3~4.8 3.7~4.1
C/N:~12, C/P ~100;
土壤生物与土壤有机质
三. 土壤中有机质如何转化？
土壤生物与土壤有机质
物微 生
动 物
土壤生物与土壤有机质
1、矿化作用
微生物
有机质
好氧：
CO2 、 SO42-、 NH4+-N 、NO-3—N、
H2PO4-、HPO42-