土壤有机质矿质化与作用机理
第2章 土壤有机质
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College of plant science
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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
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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)
土壤肥料学知识点-1
一、名词解释1．土壤生产力：土壤产出农产品的能力。
2．根外营养：植物通过地上部器官吸收养分和进行代谢的过程。
3．土壤经度地带性：地球表面同一纬度从东到西，土壤类型有规律的更替。
4．普钙中磷酸的退化作用：过磷酸钙吸湿后，其中的磷酸一钙会与过磷酸钙所含的杂质硫酸铁、铝等发生化学反应，形成溶解度低的铁、铝磷酸盐。
5、化学风化作用：指岩石、矿物在水、二氧化碳等因素作用下发生化学变化而产生新物质的过程。
6、腐质化系数：每克干重的有机物经过一年分解后转化为腐殖质（干重）的克数。
7、氮的利用率：作物吸收利用的氮素占施入土壤氮素的百分率。
8．养分的主动吸收：消耗能量使养分有选择的透过质膜进入到细胞内部的吸收。
9、土壤:是陆地表面由矿物质、有机物质、水、空气和生物组成，具有肥力并且能生长植物的未固结层。
10、土壤粘土矿物：在风化过程或成土过程中重新形成的层状铝硅酸盐矿物和氧化物。
11、土壤肥力：在植物生长的全过程中，土壤具有能供应和协调植物正常生长发育所必需的养分、水分、空气和热量的能力。
12、土壤有机质的矿质化作用：土壤有机质在微生物作用下分解转化成无机矿质养分的过程。
13、土壤容重：单位容积原状土的干重称为土壤容重。
14、养分的被动吸收：：指不需要消耗植物代谢能的吸收方式，依电化学势梯度吸收，一般从高浓度到低浓度方向。
15、氨化作用:指土壤中有机化合物在微生物作用下分解形成氨（或铵离子）的过程。
16、微量营养元素：作物需要量很少，一般占作物干重的千分之几到十万分之几。
17.扩散：由于根系不断向根际吸收养分，因而造成根际养分低于土体养分浓度，从而形成养分浓度差，在浓度差的推动下，养分就从土体向根际迁移。
18.离子颉抗作用：指一种离子的存在会抑制根系对另外一种离子的吸收。
19.硝酸还原作用：硝态氮被植物吸收后，不能直接与酮酸结合，必须经过还原过程，使硝态氮转变为氨态氮，才能与酮酸结合形成氨基酸、蛋白质。
20.水势：土壤水与标准状态水的自由能之差。
土壤有机质的作用及调节
土壤有机质的作用及调节一、土壤有机质的作用土壤有机质在土壤肥力和植物营养中具有多方面的重要作用。
主要包括以下几个方面：（一）提供作物需要的各种养分土壤有机质不仅是一种稳定而长效的氮源物质，而且它几乎含有作物和微生物所需要的各种营养元素。
大量资料表明，我国主要土壤表土中大约80%以上的氮、20%~76%的磷以有机态存在，在大多数非石灰性土壤中，有机态硫占全硫的75%~95%。
随着有机质的矿质化，这些养分都成为矿质盐类（如铵盐、硫酸盐、磷酸盐等），以一定的速率不断地释放出来，供作物和微生物利用。
，另外，据估计土壤有机质的分解以及微生物和根系呼吸作用所产生的CO2每年可达1.35*1011t,大致相当于陆地植物的需要量,可见土壤有机质的矿化分的重要来源,也是植物碳素营养的重要来源.解是大气中CO2此外，土壤有机质在分解过程中，还可产生多种有机酸（包括腐殖酸本身），这对土壤矿质部分的一定溶解能力，促进风化，有利于某些养分的有效化，还能络合一些多价金属离子，使之在土壤溶液中不致沉淀而增加了有效性。
（二）增强土壤的保水保肥能力和缓冲性腐殖质疏松多孔，又是亲水胶体，能吸持大量水分，故能大大提高土壤的保水能力。
此外腐殖质改善了土壤渗透性，可减少水分的蒸发等，为作物提供更多的有效水。
腐殖质因带有正负两种电荷，故可吸咐阴、阳离子；又因其所带电性以负电+、Ca2+、荷为主，所以它具有较强的吸咐阳离子的能力，其中作为养料的K+、NH4Mg2+等阳离子一旦被吸咐后，就可避免随水流失，而且能随时被根系附近的其他阳离子交换出来，供作物吸收，仍不失其有效性。
腐殖质保存阳离子养分的能力，要比矿质胶体大许多倍至几十倍。
一般腐殖质的吸收量为150~400cmol（+）/kg。
因此，保肥力很弱的砂土中增施有机肥料后，不仅增加了土壤中养分分数，改良砂土的物理性质，还可提高其保肥能力。
腐殖质是一种含有多酸性功能团的弱酸，其盐类具有两性胶体的作用，因此有很强的缓冲酸碱变化的能力。
土壤有机质
土壤为微生物提供了良好的生活条件，如，较多的有机养分，适宜 的水分和空气，稳定的温度和酸碱度。
土壤中的土居小动物如鼠类，蚯蚓，昆虫等，啃食，粉碎，搬动有 机质，加速了残体组织的破坏，与土壤接触，有利于微生物作用。
如果有机残体的C/N较小，如豆科植物(20：1-30：1)则对微生物 活动显著有利，有机残体分解快。对作物供N。
其它养分缺乏也影响有机残体的分解，如P，K很重要，微生物原 生质灰分中含高达25%的P和10%的K。
不论施入土壤的有机质的C/N比如何，最终得到的土壤有机质的 C/N比相对稳定，平均为10-12：1，这个比值相当稳定。
电荷数量随土壤pH而变，属两性电荷:
羧基 R-COOH R-COOH = R-COO- + H+
氨基 R-NH2 R-NH2 + H+ = R-NH+
亚氨基 R-CHNH R——NH + H+ = R——NH2+
R’
R’
四）溶解度、颜色和吸水性 胡敏酸不溶于水，其一价盐溶于水，多价盐如Ca、Mg、
近富啡酸。 水稻土，HA/FA比自然土壤（旱地）高，但胡敏酸芳构化和分子量较
小。 母质，石灰岩母质的土壤HA/FA比值比非石灰性土壤高，胡敏酸芳构
化较高。
第四节 土壤有机质在肥力上的作用
一、提供作物需要的养分 矿化：养分释放，稳定而长效，自然土样几乎提供所有的N素，
50-60%的P，80%的S，B、Mo及其它微量元素。含N多的组分（氨 基酸、多肽）矿化较高，氮素矿化率高达4-6%，作物N素的主要来 源。
（土壤学讲义）第2章土壤有机质
第二章土壤有机质 (Soil Organic Matter)第一节土壤有机质的来源、含量及其组成第二节土壤有机质的分解和转化第三节土壤腐殖物质的形成和性质第四节土壤有机质的作用及管理第一节土壤有机质的来源、含量及其组成一、定义是指土壤中所有含碳的有机化合物。
二、来源动、植物残体和微生物(落叶、死亡茎杆、根系、动物的排泄物、代谢产物等)人工施入土中的有机肥料三、含量耕层含有机质20%以上的土壤—有机质土壤而含有机质20%以下的土壤—矿质土壤但耕作土壤中表层有机质的含量通常在5%以下，一般在1%——3%之间。
四、组成1、元素组成C——52%-58%O——34%-39%H——3.3%-4.8%N——3.7%-4.1%其次为P、S等，C/N比大约在10左右2、化合物组成类木质素蛋白质纤维素半纤维素乙醚和乙醇可溶性化合物第二节土壤有机质的分解和转化一、分解和转化过程 (Decomposition of Organic)（一）矿质化过程1、定义：指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二氧化碳、水和能量，所含氮、磷、硫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，这一过程称为有机质的矿化过程。
2、各种化合物矿质化过程1）碳水化合物好气条件下分解—速度快，中间产物有机酸不易积累，最终产物是CO2和水，并释放出大量的热量。
嫌气条件下分解—速度很慢，并有大量中间产物——有机酸积累，最终产物中除有CO2外，还有大量还原性物质CH4、H2等出现，同时释放的热能也低些。
2) 脂肪、树脂、蜡质、单宁等在好气条件下—除生成CO2和水，并放出能量外，还常产生有机酸在嫌气条件下—则可产生多酚类化合物,氧化可转化为酮类化合物，也可通过聚合、缩合等作用，形成土壤沥青。
3) 木质素类不同植物的木质素，都含芳香核，是一类成分和结构都极复杂的有机化合物，是最不易分解的有机成分。
在好气条件下—主要通过真菌和放线菌的作用，先进行氧化和脱水，再缓慢分解，其芳香核变为醌型化合物在嫌气条件下—分解极漫，在沼泽泥炭地木质素大量累积。
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。
土壤学第三章
（二）来源于各种动植物残体及其它们的代谢物
树木、灌丛、草类、和其它植物残体。植物生长量成为土壤有 机质含量的主要依据。 土壤动物：蚯蚓、蚂蚁、鼠类、昆虫等的残体及分泌物。
（三）来源于施入的各种有机肥。
土壤生物
1.土壤动物 2.土壤微生物 3.植物根系及其与微生物的联合 4.土壤酶
1 .土壤动物
土壤动物：指长期或一生中大部分时间生 活在土壤或地表凋落物层中的动物。它们直接 或间接地参与土壤中物质和能量的转化，是土 壤生态系统中不可分割的组成部分。
线虫可分为腐生型线虫和寄生型线虫
腐生型线虫：主要取食对象为细菌、真菌、低等藻类和土壤中的微小原生动 物，其活动对土壤微生物的密度和结构起控制和调节作用，另外通过捕食多种 土壤病原真菌，可防止土壤病害的发生和传播。 寄生型线虫：其寄主主要是活的植物体的不同部位，寄生的结果通常导致植 物发病。
蚯蚓：土壤蚯蚓属环节动物门的寡 毛纲，是被研究最早（自1840年达尔 文起）和最多的土壤动物。 蚯蚓体圆而细长，其长短、粗细 因种类而异；身体由许多环状节构 成，体节数目是分类的特征之一 。 蚯蚓是典型的土壤动物，主要集中生活在表土层或枯落 物层，因为它们主要捕食大量的有机物和矿质土壤，土壤中 枯落物类型是影响蚯蚓活动的重要因素，不具蜡层的叶片是 蚯蚓容易取食的对象 。 作用：蚯蚓通过大量取食与排泄活动富集养分，促进土 壤团粒结构的形成，并通过掘穴、穿行改善土壤的通透性， 提高土壤肥力。因此，土壤中蚯蚓的数量是衡量土壤肥力的 重要指标。
纤维素分解菌活性明显减弱；纤维分解细菌的活动也受到分解物料C/N 的影响。
自生固氮细菌
固氮细菌
共生固氮细菌
自生固氮细菌是指独自生活时能将分子态氮还原成 氨，并营养自给的细菌类群。
土壤有机质的作用及管理
土壤有机质的作用及管理土壤有机质是土壤中的一种重要成分，它对于土壤的肥力、水分保持能力、结构稳定性和生物多样性都起着至关重要的作用。
土壤有机质的管理包括增加有机质含量以及合理利用有机质来改善土壤质量。
下面将详细介绍土壤有机质的作用及管理方法。
首先，土壤有机质对土壤肥力的影响是显著的。
有机质中含有丰富的营养元素，如氮、磷、钾等，通过微生物的分解作用，这些元素会释放给植物供其吸收利用，从而提高土壤的肥力。
此外，有机质还可以提供植物所需的微量元素和生长激素，促进植物生长发育。
有机质中的腐殖酸和胡敏酸等有机酸，可以提高土壤的酸度，促进矿质肥料中营养元素的溶解和释放，增强植物对肥料的吸收能力。
其次，土壤有机质对土壤水分的保持能力有很大的影响。
有机质中的有机胶体具有良好的保水性能，能够吸附和保持大量的水分。
有机质还能够增加土壤的孔隙度和团聚体结构，增加土壤的渗透性和保水能力，减少土壤的水分蒸发和流失。
此外，土壤有机质对土壤结构的稳定性也起到了重要的作用。
有机质能够与土壤颗粒形成团聚体，增加土壤的结构稳定性和防止土壤的风蚀、水蚀等。
有机质的分解释放的胶体颗粒能够填充土壤孔隙，增加土壤的含水能力和透气性，改善土壤的通气性和保水能力。
最后，土壤有机质对土壤生物多样性的保护和维持也非常重要。
有机质提供了微生物的生存环境和营养源，丰富了土壤的微生物群落，维持了土壤生态系统的平衡。
微生物参与了有机质的分解过程，释放出丰富的营养元素供植物吸收利用。
有机质还提供了土壤中的栖息地和食物源，保护了土壤中的土壤动物和其它生物，维持了土壤的生物多样性。
针对土壤有机质管理，一方面可以通过施加有机肥料和有机废弃物来增加土壤有机质含量。
有机肥料和有机废弃物中富含的有机质能够持续地供应给土壤和植物。
另一方面，可以通过合理的土壤管理措施来利用土壤有机质，提高土壤质量。
例如，合理的轮作制度可以增加有机质的积累，防止土壤有机质的流失；充分利用有机质的分解过程，通过改善土壤通气性和水分保持能力，增加作物的产量和质量。
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土壤有机质矿质化与作用机理
简介
土壤中有机质在单位时间内的矿化量占初始量的百分比。
土壤有机质的矿化率决定于生物气候条件、耕作、轮作和施肥制度以及有机质的含量和组成、性质等因素。
一般温度较低的地区，有机质的矿化率也较低;耕作频繁的土壤，其矿化率则较高。
通常采用田间长期试验或14C断代法测定，也可用较为简便的氮素矿化换算法求得。
后一种方法认为，有机质中碳和氮的矿化率在一年的时间内可看作是成比例的。
因此，根据无氮肥区作物吸收的氮量，扣除土壤中来自生物固氮、降水、灌溉水和空气中输入的氮，加上淋失、径流、反硝化和挥发等途径而损失的氮，求得全年来自土壤有机质所矿化的氮，经过换算得有机质矿化率的近似值。
土壤中的有机质在土壤酶和微生物的作用下，一个氧化还原过程。
因为在土壤有机质分解过程中伴随着土壤有机质中养分释放和有效化的过程，所以又称做有机质的矿化。
土壤有机质通过分解变为简单无机化合物并放出二氧化碳的过程,是在微生物作用下进行的。
有机质的矿质化过程除产生各种可供作物吸收的养分外,也为进一步合成腐殖质提供原料。
碳水化合物可彻底分解成二氧化碳和水。
含氮化合物经水解和氧化，可产生氨并溶解于土壤溶液形成铵盐；氨或铵盐可经硝化作用成硝酸盐，铵盐和硝酸盐均可直接被作物吸收。
含磷有机物经水解生成磷酸，在土壤中形成磷酸盐，被作物吸收利用。
土壤有机质的来源：
动物、植物以及微生物的残体和有机肥料是土壤有机质的基本来源。
进入土壤中的有机质一般呈现三种状态：1、新鲜的有机物质；2、半腐解的有机物质；3、腐殖质。
新鲜的有机物质：是指刚进入土壤，仍然保持原来生物体解剖学上特征的那些动、植物残体，基本上未收到微生物的分解。
半腐解的有机质：指多少受到微生物分解的动植物残体，已失去解剖学上的特征，多为暗褐色的碎屑或小块。
腐殖质：是经过微生物分解，并再合成的有机物质，主要是腐殖酸类物质。
严格地讲，前二者不是土壤有机质，只有腐殖质才是土壤有机质。
但是由于不可能将它们完全分开，一般把部分半腐解的有机质和全部的腐殖质称为土壤有机质。
土壤有机质分解合成示意图：
土壤有机质的作用：
1、提供作物需要的各种养分：土壤有机质不仅是一种长效氮源物质，它还几乎包含作物和微生物所需的各种营养物质。
同时，土壤有机质的矿化分解也是大气中二氧化碳的重要来源。
2、增强土壤保水保肥能力和缓冲性：腐殖质疏松多空，又是亲水胶体，能吸持大量水分，大大提高土壤的保水能力。
对于保肥能力很弱的砂土，施用有机肥不仅增加了土壤中养分，还改良了砂土的物理性质，提高肥能力。
同时腐殖质是含有多酸性功能团的弱酸，有很强的缓冲酸碱变化的能力。
3、改善土壤的物理性质：腐殖质可以促进土壤团粒结构的形成，使土壤疏松透气，改善土壤耕性，改善土壤热状况，利于保温和春播作物的萌发生长。
4、促进土壤微生物活动：土壤微生物活动所需的能物质和营养物质都直接和间接来自土壤有机质，并且腐殖质能调节土壤酸碱反应，促进土壤结构等物理性质的改变，使其有利于微生物的活动。
5、促进植物的生理活性：一定浓度的腐殖质可以促进作物的生理活性。
腐殖酸盐可以调节作物体内糖代谢过程，促进还原糖的积累，提高细胞渗透压，从而增强了作物的抗旱能力；提高过氧化氢酶的活性，加速种子发育和养分的吸收；加强作物的呼吸作用，增加细胞膜的透性，从而提高其对养分的吸收能力，并加速细胞分裂，增强根系的发育。
6、减少农药和重金属的污染：腐殖质有助于消除土壤中的农药残毒和重金属污染以及酸性介质中铝、锰、铁的的毒性；褐腐酸能使残留在土壤中的某些农药溶解度增大，加速其淋出土体；腐殖酸还可和某些金属离子络合，从而使有毒的金属离子有可能随水排除土体。
增强土壤有机质的措施：
1、种植绿肥
2、增施有机肥
3、秸秆还田
4、用地养地相结合，实行轮作、间作等耕作制度。