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土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分,儘管土壤有機質的含量只佔土壤總量的很小一部分,但它對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要作用的意義。一方面,它含有植物生長所需要的各種營養元素(最主要的),也是土壤微生物活動的能源,對土壤物理、化學和生物學性質能有著深刻的影響。另一方面,土壤有機質對重金屬、農藥等各種有機、無機污染物的行為能有顯著的影響。而且土壤有機質對全球碳平衡起著重要的作用,被認為是影響全球」溫室效應」的主要因素。土壤有機質是指存在於土壤中的所有含碳的有機化合物。它主要包括土壤中各種動物、植物殘體,微生物體及其分解和合成的各種有機化合物。中國地域遼闊,由於各地的自然條件和農林業經營水平不同,土壤有機質的含量差異較大。低者少於1%,多者可高達20%。土壤有機質含量的多少,基本上可以反映土壤肥力水平的高低。

1 土壤有機質 -來源

土壤有機質土壤有機質提升
土壤有機質是指土壤中含碳的有機化合物。土壤中有機質的來源十分廣泛。

(1)植物殘體:包括各類植物的凋落物、死亡的植物體及根系。這是自然狀態下土壤有機質的主要來源。對森林土壤尤為重要。森林土壤相對農業土壤而言具有大量的凋落物和龐大的樹木根系等特點。中國林業土壤每年歸還土壤的凋落物干物質量按氣候植被帶劃分,依次為:熱帶雨林,亞熱帶常綠闊葉林和落葉闊葉林,曖溫帶落時闊時林,溫帶針闊混交林,寒溫帶針葉林。熱帶雨林凋落物干物質量可達16700Kg/(km2·a),而荒漠植物群落凋落物干物質量僅為530kg/(nm2·a).

(2)動物、微生物殘體:包括土壤動物和非土壤動物的殘體,及各種微生物的殘體。.這部分來源相對較少。但對原始土壤來說,微生物是土壤有機質的最早來源。

(3)動物、植物、微生物的排泄物和分泌物:土壤有機質的這部分來源雖然量很少,但對土壤有機質的轉化起著非常重要的作用。

(4)人為施入土壤中的各種有機肥料(綠肥、堆肥、漚肥等),工農業和生活廢水,廢渣等,還有各種微生物製品,有機農藥等。

2 土壤有機質 -含量

土壤有機質的含量在不同土壤中差異很大,含量高的可達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%(如荒漠土和風沙土等)。在土壤學中,一般把耕作層中含有機質20%以上的土壤稱為有機質土壤,含有機質在20%以下的土壤稱為礦質土壤。一般情況下,耕作層土壤有機質含量通常在5%以上。全球土壤0?/FONT>100cm和0?/FONT>15cm土層中有機碳的含量(有機質的含碳量平均為58%,所以土壤有機質的含量大致是有機碳含量的1.724倍)

3 土壤有機質 -組成

土壤有機質土壤有機質提升
(一)土壤有機質的類型

進入土壤中的有機質一般以三種類型狀態存在。

(1)新鮮的有機物:指那些進入土壤中尚未被微生物分解的動、植物殘體。它們仍保留著原有的形態等特徵。對森林土壤而言,一般指枯凋落物的L層(Litter)。相當於土壤剖面形態記述中的A。。層。

(2)分解的有機物:經微生物的分解,已使進入土壤中的動、植物殘體失去了原有的形態等特徵。有機質已部分分解,並且相互纏結,呈褐色。包括有機質分解產物和新合成的簡單有機化合物。對森林土壤而言,一般指枯凋落物層中的F層(Fermetation)。此層一般在土壤剖面形態記述中為A。層

(3)腐殖質:指有機質經過微生物分解后並再合成的一種褐色或暗褐色的大分子膠體物質。與土壤礦物質土粒緊密結合,是土壤有機質存在的主要形態類型,占土壤有機質總量的85%?/FONT>90%。對森林土壤而言,一般指枯落物層中H層(humus)。在土壤剖面形態記述中,通常與上述的F層共同記為A。層。

(二)土壤有機質的組成

土壤有機質的組成決定於進入土壤的有機物質的組成,進入土壤的有機物質的組成相當複雜。各種動、植物殘體的化學成分和含量因動、植物種類、器官、年齡等不同而有很大的差異。一般情況下,動植物殘體主要的有機化合物有碳水化合物、木素、蛋白質、樹脂、蠟質等。土壤有機質的主要元素組成是C、O、H、N,分別佔52%-58%、34%-9%、3.3%-4.8%,3.7%-4.1%。

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機質中最主要的有機化合物,碳水化合物的含量大約佔有機質總量的15?/FONT>27%。包括糖類、纖維素、半纖維素、果膠質、甲殼質等。糖類有葡萄糖、半乳糖、六碳糖、木糖、阿拉伯糖、氨基半乳糖等。雖然各主要自然土類間植被、氣候條件等差異懸殊,但上述各糖的相對含量都很相近,在剖面分佈上,無論其絕對含量或相對含量均隨深度而降低。纖維素和半纖維素為植物細胞壁的主要成分,木本植物殘體含量較高,兩者均不溶於水,也不易化學分解和微生物分解。果膠質在化學組成和構造上和半纖維素相似,常與半纖維素伴存。甲殼質屬多糖類,和纖維素相似,但含有氮,在真菌的細胞膜、甲殼類和昆蟲類的介殼中大量存在,甲殼質的元素組成或為(C8H13O5N4)n

(2)木素
木素是木質部的主要組成部分,是一種芳香性的聚合物。木素在林木中的含量約佔30%,木素的化學構造尚未完全清楚,關於木素中是否含氮的問題目前尚未闡明,木素很難被微生物分解。但在土壤中可不斷被真菌、放線菌所分解。由C14研究指出,有機物質的分解順序為:葡萄糖>半纖維素>纖維素>木素

(3)含氮化合物
動植物殘體中主要含氮物質是蛋白質,它是構成原生質和細胞核的主要成分,在各植物器官中的含量變化很大。蛋白質的元素組成除碳、氫、氧外,還含有氮(平均為10%),某些蛋白質中還含有硫(0.3%-2.4%)或磷(0.8%)。蛋白質是由各種氨基酸構成的。一般含氮化合物易為微生物分解,生物體中常有一少部分比較簡單的可溶性氨基酸可為微生物直接吸收,但大部分的含氮化合物需要經過微生物分解后才能被利用。

(4)樹脂、蠟質、脂肪、單寧、灰分物質

樹脂、蠟質、脂肪等有機化合物均不溶於水,而溶於醇、醚及苯中,都是複雜的化合物。單寧物質有很多種,主要都是多元酚的衍生物,易溶於水,易氧化,與蛋白質結合形成不溶性的,不易腐爛的穩定化合物。木本植物木材及樹皮中富含單寧,而草本植物及低等生物中則含量很少。植物殘留體燃燒后所留下的灰為灰分物質,其主要元素為鈣、鎂、鉀、鈉、硅、磷、硫、鐵、鋁、錳等,此外還有少量的碘、鋅、硼、氟等元素。這些元素在植物生活中有著巨大的意義。

4 土壤有機質 -過程

土壤有機質土壤有機質的礦質化過程分為化學的轉化過程、活動物的轉化過程和微生物的轉化過程
土壤有機質的礦質化過程:土壤有機質在微生物作用下,分解為簡單的無機化合物的過程。

土壤有機質的礦質化過程分為化學的轉化過程、活動物的轉化過程和微生物的轉化過程。這一過程使土壤有機質轉化為二氧化碳、水、氨和礦質養分(磷、硫、鉀、鈣、鎂等簡單化合物或離子),同時釋放出能量。這一過程為植物和土壤微生物提供了養分和活動能量,並直接或間接地影響著土壤性質,同時也為合成腐殖質提供了物質基礎。

(1)土壤有機質的化學的轉化過程

土壤有機質的化學的轉化過程的含義是廣義的,實際上包括著生物學及物理化學的變化。

1.水的淋溶作用:降水可將土壤有機質中可溶性的物質洗出。這些物質包括簡單的糖、有機酸及其鹽類、氨基酸、蛋白質及無機鹽等。約佔5%—10%水溶性物質淋溶的程度決定於氣候條件(主要是降水量)。淋溶出的物質可促進微生物發育,從而促進其殘餘有機物的分解。這一過程對森林土壤尤為重要,因森林下常有下滲水流可將地表有機質(枯落物)中可溶性物質帶入地下供林木根系吸收。

2.酶的作用:土壤中酶的來源有三個方面:一是植物根系分泌酶,二是微生物分泌酶,三是土壤動物區系分泌釋放酶。土壤中已發現的酶有50?/FONT>60種。研究較多的有氧化還原酶、轉化酶和水解酶等。酶是有機體代謝的動力,因此,可以想象酶在土壤有機質轉化過程中所起的巨大作用。

(2)土壤有機質活動物的轉化過程

從原生動物到脊椎動物,大多數以植物及植物殘體為食。在森林土壤中,生活著大量的各類動物,如溫帶針闊混交林下每公頃蚯蚓可達258萬條等,可見活動物對有機質的轉化起著極為重要的作用。機械的轉化:動物將植物或殘體碎解,或將植物殘體進行機械的搬進及與土粒混合,均可促進有機物被微生物分解。化學的轉化:經過動物吞食的有機物(植物殘體)未被動物吸收部分,經過腸道,以排泄物或糞便的形式排到體外,已經經過動物體內分解或半分解。土壤動物中蚯蚓的分解作用最大,因此,在某種程度上,可用土壤中蚯蚓的數量來評價土壤肥力的高低。

(3)土壤有機質的微生物轉化過程

土壤有機質的微生物的轉化過程是土壤有機質轉化的最重要的,最積極的進程。微生物對不含氮的有機物生轉化:不含氮的有機物主要指碳水化合物,主要包括糖類、纖維素、半纖維素、脂肪、木素等、簡單糖類容易分解,而多糖類則較難分解;澱粉、半纖維素、纖維素、脂肪等分解緩慢,木素最難分解,但在表性細菌的作用下可緩慢分解。

葡萄糖在好氣條件下,在酵母菌和醋酸細菌等微生物作用下,生成簡單的有機酸(醋酸、草酸等)、醇類、酮類。這些中間物質在空氣流通的土壤環境中繼續氧化,最後完全分解成二氧化碳和水,同時放出熱量。土壤碳水化合物分解過程是極其複雜的,在不同的環境條件下,受不同類型微生物的作用,產生不同的分解過程。這種分解進程實質上是能量釋放過程,這些能量是促進土壤中各種生物化學過程的基本動力,是土壤微生物生命活動所需能量的重要來源。一般來說,在嫌氣條件下,各種碳水化合物分解形成還原性產物時釋放出的能量,比在好氣條件下所釋放的能量要少得多,所產生的CH4、H2等還原物質對植物生長不利。

2.微生物對含氮的有機物轉化

土壤中含氮有機物可分為兩種類型:一是蛋白質類型,如各種類型的蛋白質;二是非蛋白質型,如幾丁質、尿素和葉綠素等。土壤中含氮的有機物在土壤微生物作用下,最終分解為無機態氮(NH4+?/FONT>N和NO3-—N)

①水解過程

蛋白質在微生物所分泌的蛋白質水解酶的作用下,分解成為簡單的氨基酸類含氮化合物。蛋白質水解蛋白質消化蛋白質多肽氨基酸。
②氨化過程

蛋白質水解生成的氨基酸在多種微生物及其分泌酶的作用下,產生氨的過程。氨化過程在好氣、嫌氣條件下均可進行,只是不同種類微生物的作用不同。

③硝化過程

在通氣良好的情況下,氨化作用產生的氨在土壤微生物的作用下,可經過亞硝酸的中間階段,進一步氧化成硝酸,這個由氨經微生物作用氧化成硝酸的作用叫做硝化作用。將硝酸鹽轉化成亞硝酸鹽的作用稱為亞硝化作用。

硝化過程是一個氧化過程,由於亞硝酸轉化為硝酸的速度一般比氨轉化為亞硝酸的速度快得多,因此土壤中亞硝酸鹽的含量在通常情況下是比較少的。亞硝化過程只有在通氣不良或土壤中含有大量新鮮有機物及大量硝酸鹽的發生,從林業生產上看,此過程有害,是降低土壤肥力的過程,因此應盡量避免。

④反硝化過程

硝態氮在土壤通氣不良情況下,還原成氣態氮(N2O和N2),這種生化反應稱為反硝化作用。其過程可用下式表示:

3.微生物對含磷有機物的轉化

土壤中有機態的磷經微生物作用,分解為無機態可溶性物質后,才能被植物吸收利用。

土壤中表層有26%?/FONT>50%是以有機磷狀態存在,主要有核蛋白、核酸、磷脂、核素等、這些物質在多種腐生性微生物作用下,分解的最終產物為正磷酸及其鹽類,可供植物吸收利用。

在嫌氣條件下,很多嫌氣性土壤微生物能引起磷酸還原作用,產生亞磷酸,並進一步還原成磷化氫。

4.微生物對含硫有機物的轉化

土壤中含硫的有機化合物如含硫蛋白質、胱氨酸等,經微生物的腐解作用產生硫化氫。硫化氫在通氣良好的條件下,在硫細菌的作用下氧化成硫酸,並和土壤中的鹽基離子生成硫酸鹽,不僅消除硫化氫的毒害作用,而且能成為植物易吸收的硫素養分。

在土壤通氣不良條件下,已經形成的硫酸鹽也可以還原成硫化氫,即發生反硫化作用,造成硫素散失。當硫化氫積累到一定程度時,對植物根素有毒害作用,應盡量避免。

進入土壤的有機質是由不同種類的有機化合物組成,具有一定生物構造的有機整體。其在土壤中的分解和轉化過程不同於單一有機化合物,表現為一個整體的動力學特點。植物殘體中各類有機化合物的大致含量範圍是:可溶性有機化合物(糖分、氨基酸)5%?/FONT>10%,纖維素15%?/FONT>60%,半纖維素10%?/FONT>30%,蛋白質2%?/FONT>15%,木素5%?/FONT>30%。它們的含量差異對植物殘體的分解和轉化有很大影響。

據估計,進入土壤的有機殘體經過一年降解后,2/3以上的有機質的二氧化碳的形式釋放而損失,殘留在土壤中的有機質不到1/3,其中土壤微生物量佔3%?/FONT>8%,多糖、多糖醛酸苷、有機酸等非腐殖質物質佔3%?/FONT>8%,腐殖質佔10%?/FONT>30%。植物根系在土壤中的年殘留量比其他地上部分稍高一些。

5 土壤有機質 -因素

土壤有機質外界條件通過制約微生物的活動,而影響有機質的轉化
1、有機殘體的組成狀況
(1)、有機殘體的物理狀態:
一般情況下,多汁幼嫩新鮮的綠肥易分解。
(2)、有機殘體的化學成分。
一般情況下,闊葉比針葉快;葉片比殘根快,豆科比禾本科快。
(3)、有機殘體的碳氮比
用C/N表示。微生物吸收1份氮,就要吸收5份碳用於構成自身細胞,同時要消耗20份碳作為生命活動的能量。微生物分解需有機質的C/N為25:1。

2、外界條件
外界條件通過制約微生物的活動,而影響有機質的轉化。
1)最適溫度:20~30度。
2)、濕度和通氣狀況:在田間持水量的60%最好。
3)、土壤pH:細菌最適pH6.5—7.5,放線菌中性到為鹼性,真菌酸性到中性條件

6 土壤有機質 -作用

土壤有機質的含量與土壤肥力水平是密切相關的。雖然有機質僅占土壤總量的很小一部分,但它在土壤肥力上起著多方面的作用卻是顯著的。通常在其他條件相同或相近的情況下,在一定含量範圍內,有機質的含量與土壤肥力水平呈正相關。

有機質是植物營養的主要來源之一

土壤有機質中國土壤有機質提升技術研討會現場
土壤有機質中含有大量的植物營養元素,如N、P、K、Ca、Mg、S、Fe等重要元素,還有一些微量元素。土壤有機質經礦質化過程釋放大量的營養元素為植物生長提供養分;有機質的腐殖化過程合成腐殖質,保存了養分,腐殖質又經礦質化過程再度釋放養分,從而保證植物生長全過程的養分需求。

有機質的礦質化過程分解產生的CO2是植物碳素營養的重要來源,據估計,土壤有機質的分解及微生物和根系呼吸作用產生的CO2,每年可達135億七,大致相當於陸地植物的需要量。由此可見,土壤有機質的礦質化過程產生的CO2既是大氣中CO2的重要來源,也是植物光合和作用的重要碳源。土壤有機質還是土壤N、P最重要的營養庫,是植物速效性N、P的主要來源。土壤全N的92%-98%都是儲藏在土壤中的有機N,且有機N主要集中在腐殖質中,一般是腐殖質含量的5%,據研究,植物吸收的氮素有50%?/FONT>70%是來自土壤。土壤有機質中有機態P的含量一般占土壤全磷的20%-50%,隨著有機質的分解而釋放出速效磷,供給植物營養。在大多數非石灰性土壤中,有機質中有機態硫佔全硫的75%-95%,隨著有機質的礦質化過程而釋放,被植物吸收利用。

土壤有機質在分解轉化過程中,產生的有機酸和腐殖酸對土壤礦物部分有一定的溶解能力,可以促進礦物風化,有利於某些養分的有效化。一些與有機酸和富里酸絡合的金屬離子可以保留在土壤溶液中,不致沉澱而增加其有效性。土壤腐殖質與鐵形成的某些化合物,在酸性或鹼性土壤中對植物及微生物是有效的

促進植物生長發育

土壤有機質,尤以其中胡敏酸,具有芳香族的多元酚官能團,可以加強植物呼吸過程,提高細胞膜的滲透性,促進養分迅速進入植物體。胡敏酸的鈉鹽對植物根系生長具有促進作用,試驗結果證明胡敏酸鈉對玉米等禾本科植物及草類的根系生長發育具有極大的促進作用。土壤有機質中還含有維生素B1、B2、吡醇酸和煙鹼酸、激素、異生長素(β-吲哚乙酸)、抗生素(鏈黴素、青霉素)等對植物的生長起促進作用,並能增強植物抗性。

改善土壤的物理性質

有機質在改善土壤物理性質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結構,促進團粒狀結構的形成,從而增加土壤的疏鬆性,改善土壤的通氣性和透水性。腐殖質是土壤團聚體的主要膠結劑,土壤中的腐殖質很少以遊離態存在,多數和礦質土粒相互結合,通過功能基、氫鍵、范德華力等機制,以膠膜形式包被在礦質土粒外表,形成有機?-無機複合體。所形成的團聚體,大、小孔隙分配合理,且具有較強的水穩性,是較好的結構體。土壤腐殖質的粘結力比砂粒強,在砂性土壤中,可增加砂土的粘結性而促進團粒狀結構的形成。腐殖質的粘結力比粘粒小,一般為粘力的1/12,粘著力為粘粒的1/2,當腐殖質覆蓋粘粒表面,減少了粘粒間的直接接觸,可降低粘粒間的粘結力,有機質的膠結作用可形成較大的團聚體,更進一步降低粘粒的接觸面,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。有機質通過改善粘性,降低土壤的脹縮性,防止土壤乾旱時出現的大的裂隙。

土壤腐殖質是親水膠體,具有巨大的比表面積和親水基團,據測定腐殖質的吸水率為500%左右,而粘土礦物的吸水率僅為50%左右,因此,能提高土壤的有效持水量,這對砂土有著重要的意義。腐殖質為棕色呈褐色或黑色物質,被土粒包圍后使土壤顏色變暗,從而增加了土壤吸熱的能力,提高土壤溫度,這一特性對北方早春時節促進種子萌發特別重要。腐殖質的熱容量比空氣、礦物質大,而比水小,導熱性居中,因此,土壤有機質含量高的土壤其土壤溫度相對較高,且變幅小,保溫性好。

促進微生物和土壤動物的活動
土壤有機質是土壤微生物生命活動所需養分和能量的主要來源。沒有它就不會有土壤中所有的生物化學過程。土壤微生物的種群,數量和活性隨有機質含量增加而增加,具有極顯著的正相關。土壤有機質的礦質化率低,不會像新鮮植物殘體那樣對微生物產生迅猛的激發效應,而是持久穩定地向微生物提供能源。因此,富含有機質的土壤,其肥力平穩而持久不易造成植物的徒長和脫肥現象。

土壤動物中有的(如蚯蚓等)也以有機質為食物和能量來源;有機質能改善土壤物理環境,增加疏鬆程度和提高通透性(對砂土而言則降低通透性),從而為土壤動物的活動提供了良好的條件,而土壤動物本身又加速了有機質的分解(尤其是新鮮有機質的分解)。進一步改善土壤通透性,為土壤微生物和植物生長創造了良好的環境條件。

提高土壤的保肥性和緩衝性
土壤腐殖質是一種膠體,有著巨大的比表面和表面能,腐殖質膠體以帶負電荷為主,從而可吸附土壤溶液中的交換性陽離子如K+、NH4+、、Ca2+、Mg2+等,一方面可避免隨水流失,另一方面又能被交換下來供植物吸收利用。其保肥性能非常顯著。土壤腐殖質和粘土礦物一樣,具有較強的吸附能力,但單位質量腐殖質保存陽離子養分的能力比粘土礦物大幾倍至幾十倍,因此,土壤有機質具有巨大的保肥能力。腐殖酸本身是一種弱酸,腐殖酸和其鹽類可構成緩衝體系,緩衝土壤溶液中H+濃度變化,使土壤具有一定的緩衝能力。更重要的是腐殖質是一種膠體,具有較強的吸附性能和較高的陽離子代換能力,因此,使土壤具有較強的緩衝性能。

有機質具有活化磷的作用
土壤中的磷一般不以速效態存在,常以遲效態和緩效態存在。因此土壤中磷的有效性低。土壤有機質具有與難溶性的磷反應的特性,可增加磷的溶解度,從而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率。此外,土壤腐殖酸被證明是一類生理活性物質,它能加速種子萌發,增強根系活力,促進植物生長,對土壤微生物而言,腐殖酸也是一種促進生長發育的生理活性物質。必須指出的是,有機質在分解時,也能產生一些不利於植物生長或甚至有害的中間物質,特別是在嫌氣條件下,這種情況更易發生。

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