第三章、土壤生物及土壤有机质

第三章、土壤生物及土壤有機質第一節、土壤生物與土壤的關係一、土壤生物的種類1.大型生物土壤中大型生物如：齧齒類及食蟲動物、昆蟲類、木蝨、蟎、蝸蝓、蝸牛、蜘蛛、百足蟲、蚯蚓、千足蟲等。

土壤中大型生物的活動對土壤的影響包括：(1)齧齒類常搗碎土塊，變成團粒狀，且搬運土塊。

進而使土壤中有機質團結，且促進空氣流通及排水良好，但其害處在傷害農作物。

(2)昆蟲類能搬運或消化土壤，常把地面植物及動物遺體物質帶入土中，對土壤有機質的移動與破壞有很大的影響，其作穴對土壤通氣亦有影響。

此類動物繁殖力大，其遺體對土壤有機物生成頗有影響。

(3)蚯蚓及蝸牛為土壤中最重要的腹足動物，常以腐朽植物體為食物。

蚯蚓常吃食土壤而再排泄出來，據估計每年每英畝有15噸之乾土穿過蚯蚓之體。

土壤之穿過其體不僅是可作其食物之有機質部份，且有礦物成分，均受其體內消化酵素之作用，又能弄碎土粒，使有機質、氮素、交換性鈣及鎂、有效磷、p H、鹽基飽和度及陽離子交換能量，均有顯著增加，故可增進土壤肥力。

土壤中的無機元素對動物的分布和數量亦有一定影響。

由於石灰質土壤對蝸牛殼的形成很重要，所以在石灰質地區的蝸牛數量往往比其它地區多。

2.土壤微生物(1)線蟲：分為雜食性、肉食性、寄生類等。

(2)原生動物：即單細胞動物，土壤中常見者有三種，變形蟲、纖毛蟲、鞭毛蟲等。

原生動物之主要食物為有機物，故對有機物的分解頗有影響。

而有一部份原生動物以細菌為食物，對於限制細菌之繁殖頗有影響。

3.土壤植物土壤植物可分為：土壤藻類、土壤蕈類、土壤放射菌類、土壤細菌等四類。

(1)土壤藻類可分為：綠藻、藍綠藻、黃綠藻、細藻等。

藻類對土壤性質及植物生長可能的影響如下：∙增加土壤有機質，因其能行光合作用製造有機質。

∙增進土壤通氣，因其行光合作用能放出氧氣。

∙已知有固氮能力之細菌和藻類（如藍綠藻）很多，稱為「固氮生物」，能吸收氮氣，進行固碳作用(nitrogen fixation)。

∙能助長細菌及蕈類之分解有機質及合成有機質。

(2)土壤蕈類可分為：黴菌、蕈菌、酵母菌等。

∙黴菌：為土壤菌類中最重要者，對酸鹼適應力甚強，由喜酸性環境，在強酸的土壤環境甚中為依靠其對有機質的分解。

∙蕈類：廣見於森林土壤中，對有機質亦有分解功能。

∙酵母菌：腐植質中較多，對有機質的分解能力較弱。

(2)土壤細菌類：可分為自營性細菌(autotrophic bacteria)與異營性細菌(heterotrophic bacteria)兩種。

∙自營性細菌：係利用無機鹽類的氧化作用攝取所需能量。

∙異營性細菌：係以有機質為其營養料，有可分為好氣性(Aerobic)與嫌氣性(Anaerobic)兩種，前者分解速率較後者快約10倍；後者對Fe+3的還原成Fe+2（以奪取氧化鐵中的氧氣，並產生土壤斑紋顏色的變化），扮演著重要的角色。

(3)土壤放射菌類：其在土壤中最大的作用為分解有機質，適於鹼性環境中繁殖，酸性環境中作用力較差，此外放射菌具有強力的分解有機物能力。

二、土壤微生物對土壤及高等植物的影響1.有機質之分解與降解作用降解作用主要是將大分子量的有機質，特別是腐植質，分化成較小分子量的有機質，有利於後續的分解作用的進行。

有機質經分解後，其中之N, P, S, K, Ca, Mg等植物營養元素都釋放出來成為無機態，可供植物利用。

(1)好氣性（或稱喜氣性）微生物分解有機物過程：作用於土壤表層或排水良好時，氧氣提供充分，土中微生物對有機質分解速度甚快。

其分解速率約為嫌氣性環境的十數倍（圖3-1）。

(2)嫌氣性（或稱厭氣性）微生物分解有機物過程：作用於土壤底層或排水不良，造成缺氧時，嫌氣性微生物的作用仍須消耗土壤中的氧氣，使氧化還原電位降低，將土壤層塑造成還原環境，使土層的有機質發生還原分解，釋放出氧氣供給微生物分解所需（圖3-2）。

2.微生物之合成作用土壤中許多有機化合物，經微生物吸收分解後，在與微生物體內組織合成新的有機質，合成的有機質即成為腐植質的一部份。

此項作用對腐植質的形成關係至為重要。

（郭魁士，1997：115-116）3.固氮作用、硝化作用與脫氮作用土壤中有一部份微生物，如異營性的固氮細菌等，能吸收空氣中之游離氮氣，透過化學能轉化成自由氮原子（N2→2N），稱為「固氮作用」。

自由氮與氫氣合成氨氣（2N＋3H2→2NH3）或胺類有機質（有機質─NH2），稱為「胺化作用」，兩個過程合併是廣義的「固氮作用」。

含氮有機質分解過程又轉化成無機含氮化合物（如尿素和尿酸），這個過程是一種放熱反應，對土壤生物及作物均有益處。

（參：孫儒泳主編，1995：302）「硝化作用」(nitrification)係指「由氨氧或胺類轉化成硝酸的作用」（第一步亞硝酸鹽化：NH4＋→NO2－；第二步硝酸鹽化：NO2＋→NO3－），硝化細菌為嚴格的好氣性細菌，故盛行於排水與通氣良好的土壤。

硝酸在土壤中如遇鹽基離子（鹼金族及鹼土族離子），即形成硝酸鹽。

硝酸或硝酸鹽中之氮，特稱為硝酸態氮（Nitrate nitrogen，NO3－N），能供作物吸收，故亦屬於「有效性氮」。

「脫氮作用」（或稱「反硝化作用」）為與硝化作用相反的微生物（細菌及真菌）轉變作用，把硝酸化合物還原成為NO2、N2O、NO等氣體而揮發出去。

由於脫氮作用是無氧或缺氧條件下進行，這一過程通常是透過較差的土壤中進行的，故容易在排水不良或浸水的底土層中進行。

（參：郭魁士，1997：116-121；孫儒泳主編，1995：303-304）4.S、Mn、Fe等之氧化、還原作用排水良好的土壤環境，Fe、Mn與S透過自營性細菌之氧化作用，攝取所需的能量以維生活。

硫磺細菌產生硫酸，能促進土壤中許多礦物發生分解與溶解而形成硫酸鹽，植物要吸收之硫即為SO4-2，故此作用為對植物營養有利之作用。

但當土壤中所含的硫化鐵礦過多時，硫化鐵礦物被硫磺細菌氧化，會產生過多的硫酸，使土壤p H大幅降低，對作物生長不利。

反之，排水不良的土壤環境，S、Mn與Fe受嫌氣性細菌作用均易發生還原作用。

植物所吸收的鐵，主要為溶解性較大的Fe+2，故鐵之還原對植物營養有益，但溶解性Fe+2過多時（通常發生在土壤長期浸水時），則對植物生長有害。

有機質在排水不良與空氣閉塞情況下，受嫌氣性微生物分解，產生一些對植物生長有害的物質，如CH4, H2, (CH3)2S, H2S等。

故整體而言，還原環境較不利於作物生長。

（郭魁士，1997：121-123）5.微生物之活動對高等植物的影響（郭魁士，1997：123-125）(1)分解有機質及轉換無機質，使土壤及高等植物均獲益處（正面）。

(2)藻類行光合作用增加土壤之有機質及促進通氣（正面）。

(3)土壤微生物之間的相互競爭，產生抗生素之類物質，抑制或殺死外來細菌有淨化土壤及（灌溉）水源的功能（正面）(4)一般而言，在還原環境下，嫌氣性細菌的作用較不利於作物生長（負面）。

(5)脫氮作用使土壤損失氮素（負面）。

C x H y O z+(x+1/4y-1/2z)O2CO2+1/2yH2O (1)n(C x H y O z)（原生質）+NH3+(nx+n/4y-n/2z-5)O2+能量C5H7NO2+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O (2)C5H7NO2+5O25O2+2H2O+NH3+能量 (3)原生質(微生物的增長)合成作用有機質+氧+微生物氧化（呼吸）隨水排出熱圖3-1、好氣性環境微生物分解過程示意圖（酸性分解）（鹼性分解）有機物+微生物+醇+CO2, NH3, H2S+能+CH4+能2甲烷細菌之作用圖3-2、嫌氣性環境微生物分解過程示意圖第二節、土壤有機質一、土壤有機質的形成與環境1.地球上碳素的來源及變化土壤有機質源自光合作用，有機質即是含碳化合物，主由碳、(氫)、氧二（三）元素所組成。

碳對生物和生態系統的重要僅次於水，它構成生物體重量（乾重）的49%，大氣的平均CO2濃度為0.032％（即320ppm），然而近100年來，大氣中的CO2濃度呈現持續上升的趨勢。

夏天由於植物之光合作用較盛吸收大量的CO2，可使大氣中的CO2濃度降到0.032％以下，冬夏大氣中的CO2濃度可相差0.002%。

白天植物行光合作用消耗CO2；夜晚植物進行呼吸作用增加CO2濃度，因此夜晚的CO2濃度比白天多。

（參：孫儒泳主編，1995：297-280）此外，有很多生長在鹼性水域的中的水生植物，在進行光合作用時會釋出碳酸鈣（CaCO3）。

這種純碳酸鈣和黏土混合就可形成泥灰層，泥灰層長期受壓就可轉變為石灰岩，廣泛分布於界各地的石灰岩大都是這樣生成的。

（參：孫儒泳主編，1995：297-280）2.土壤有機質的定義廣義的有機質包括：生物體、有機殘體、腐植質；狹義的有機質常即指「腐植質」。

土壤有機質可分為「有機殘體」(organic residues)與「腐植質」(humus)兩部份，前者包括植物及動物已死部份、動物排洩物等與分解出來呈游離狀態未被「聚合」的有機化合物（如醣類、氨基酸、脂肪、蛋白質、核酸等物質）。

後者為有機聚合物（尤其是酚類聚合物），分子量特大。

3.有機質的分解動植物殘體在土壤內或地面上之分解，其速度與其最終產物為無機鹽類，常依溫度（最重要因素）、水份、空氣、化學物質、p H、微生物種類及本身的抵抗力有關。

(1)溫度：一般而言，溫度愈高則分解速率愈快，合適的溫度為20-30℃，若在10℃以下或35℃以上時分解速率惡化。

所以熱帶地區的丘陵與臺地等排水良好的地區，一般有機質含量甚少。

(2)水份：適量的水份（排水良好）有助於土壤有機質分解，但水份過多且停留過久，會導致排水不良而使空氣（氧氣）缺乏，降低分解速率。

(3)化學成份：有效性（解離）Ca、Mg、Na、K、P、N等元素有助於分解有機質成份之C、H、O。

其中又以N最為重要。

(4)微生物：微生物的作用是土壤有機質分解過程中最重要的機制，可分為好氣性與嫌氣性微生物。

嫌氣性微生物常產生有機酸、醇類、CO2、NH3、H2S、CH4等氣體，好氣性微生物多產生CO2、H2O、NH3、SO4-2、PO4-3等。

（茹至剛，1994，《廢水防治工程》，pp.26-162）(5)土壤p H：視土壤微生物對p H的適應的情形而定，適應良好則分解速率快，反之則反。

好氣性微生物活動適宜的p H為6-9；嫌氣性微生物活動適宜的p H為6.5-8.0間。

(6)化合物對抵抗分解的能力：醣類、澱粉、水溶性蛋白質＞粗蛋白質＞半纖維＞纖維＞脂肪類、蠟類、木素等。

(7)時間與生成物：新鮮的生物殘體進入土壤中分解甚速，以後隨時間之增長而趨緩慢，其分解生成物之化學成份近似腐植質者分解甚慢。

4.自然環境與土壤有機質含量(1)多雨地區低窪積水之沼澤地：多雨地區低窪積水之沼澤地水生植物光合作用旺盛，其殘體沉積於地面，由於空氣不能進入，有機質分解速率受阻，遂聚積深厚的有機質層（好氣性微生物分解有機質速度約為嫌氣性微生物之10倍）。