第二章 土壤有机质

植物残体碳分为两个组分： 易分解组分；难分解组分
植物残体在土壤中的分解和转化过程：
第一阶段：可溶性有机化合物以及部分类似有机物进 入土壤后的头几个月很快矿化 。 第二阶段：残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶 段未被矿化的植物残体碳相对缓慢分解。
有机残体进入土壤经1年降解后，有机质的2/3以CO2的 形式释放而损失，残留在土壤中的不足1/3。
32.3
Min. (g kg-1)
Median (g kg-1)
Max. (g kg-1)
1.3 21.8 241.0
几何平均值
Geometric mean* (g kg-1)
22.9bd
199
32.5
4.9 24.5 127.8
25.7cd
86
26.3
5.1 19.0 115.2
20.0ab
113
60
800
净 初 植 50
700
级物
600
生 生 40
500
产物 力量
30
400
300 20
200
10 100
0
0
热带雨林 温带森林 热带草原 苔原冻温土带地草带原 岩石沙，漠沙灌漠木 耕作土壤
沼泽
2. 土壤有机质的组成
土壤有机质的主要元素组成
In terms of its chemical composition, organic matter consists predominantly of carbon, nitrogen, oxygen and hydrogen which are arranged in a variety of ways to produce a wide range of compounds, some of which have particularly complex structures.
干物质 C
O
H
N
% 52~58 34~39 3.3~4.8 3.7~4.1
C/N大约为10~15左右
土壤有机质的化学组成
carbohydrate
Sugar, starches, 糖类·淀粉等 Cellulose, Hemi-cellulose (半)纤维素 Lignin 木质素
proteins and amino acids 含N化合物
东北地区
Northeastern China
华东地区
Eastern China
华南地区
Southern China
华北地区
Northern China
西北地区
Northwestern China
西南地区
Southwestern China
Num.
886
算术平均值
Arithmetic mean (g kg-1)
嫌氧条件下的分解 好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土
壤中积累有机酸、乙醇等中间产物；极厌氧条件下会产生 CH4、H2等还原性气体。
4C2H5COOH 2H2O 细菌4CH3COOH CO2 CH4 CH3COOH 细菌CO2 CH4 CO2 4H2 细菌 2H2O CH4
简单碳水化合物
Carbohydrate
Organic acid
CO2＋H2O
在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O的过程受到 阻碍,产生有机酸的累积,从而造成植物根系萎缩、腐烂。
含氮化合物
Protein
蛋白质
Amino acid
氨基酸
百度文库
NH4＋
NO3-
N素同化
N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关。
CO2的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生 物活性的重要指标，
二、植物残体的分解和转化
植物残体主要包括植物根、茎、叶的死亡组织。其中 各类有机化合物的含量范围是：
可溶性有机化合物 纤维素 半纤维素 蛋白质 木质素 （糖分、氨基酸等）
5~10%
15~60% 10~30% 2~15% 5~30%
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。
胡敏素(Humin) 胡敏酸(Humic acid) 富啡酸(Fulvic acid)
Soil humus
humin
humus Humic acid
Nonhumus Fulvic acid
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
Mineralization（矿质化)：指复杂的有机质在微生物的作 用下，转化为简单的无机物的过程。
R (C,4H ) 2O2 酶、氧化CO2 2H2O 能量
含碳碳和氢的化合
土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总 量的百分数称有机质的矿化率(mineralization percent)。
腐殖物质在土壤中很稳定，抗微生物分解能力很强， 主要与其本身的化学结构及其与金属离子和粘土矿物之 间的相互作用、团聚体内部的夹杂有关。
它是一类以芳香化合物或其聚合物为核心，符合 了其他类型有机物质的有机复合体。 它与土壤中粘土矿物紧密结合，以有机—无机复 合体方式存在。 能存在与蒙脱石、蛭石等膨胀型矿物的层间，不 与微生物接触。 土壤腐殖质的年周转量为1.1%。
（三）植物残体的特性
物理状态: 多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎易于 分解。 有机物质C/N：大，不易分解；小，易于分解
一般耕作土壤表层有机质的C/N比在8:1到10:1之间， 平均在10:1到12:1之间。 硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解
土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、 农耕措施密切相关。
目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,中国 东部沿海地区北方土壤有机质含量高于南方土壤，中西 部南方高于北方。东西来看。南方地区西部高于东部， 北方地区东部高于西部。
中国地带性土壤表层SOM 含量
Regions
全国
Whole country
一、土壤有机质的来源
土壤有机质主要来源是各种植物残体 (redidue: dead plant part)，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、 器官、年龄等的不同而有很大差异，从而导致土壤有机质 的差异。
Forest soil（森林土壤)：枯枝落叶(lither) Steppe soil（草原土壤)：草、根系(grass and root system) Cultivated soil（耕作土壤)：作物残茬(crop residue)、
Resin 树脂·Tannin 单宁·Wax蜡质·Fat 脂肪
Ash element 灰分元素
The main groups of organic compounds include carbohydrates, proteins and amino acids, lignin and humus, the latter representing the end-product of organic matter decomposition. The proportions of these compounds vary according to the type of organic matter and its stage of decomposition.
第二章 土壤有机质
Soil Organic Matter （SOM）
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 土壤有机质的作用和管理
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
Soil organic matter is derived from a number of sources (Fig.), of which the most important is plant litter. This consists of a variety of plant debris including leaves, stems, flowers, twigs, bark, and the large branches and trunks of trees.
成分 纤维素 半纤维素 木质素 蛋白质 脂肪、树脂等 % 2－10 0－2 30－50 28－35 1－8
土壤腐殖质（humus）
除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机 物质的总称。通常占土壤有机质的90%以上。
非腐殖物质(Non-humic substances)(20~30%) 腐殖物质(Humic substances)（60~80%）
Other soil organic components include soil organic matter, plant roots, root exudates, soil organisms together with their faecal remains and metabolites, and organic substances washed into the soil from vegetation.
施用的有 机肥
Forest soil（森林土壤)：酸性有机质(acid organic mater) Steppe soil（草原土壤)：中性有机质(neutral organic mater)
二、 土壤有机质的含量和组成
1. 土壤有机质含量
一般把耕层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土 壤，在20%以下的土壤，称为矿质土壤(mineral soil)。 耕作土壤中，表层SOM的含量通常在5%以下。
嫌气：水多气少,氧气不足，微生物活动受抑制,氧化分解 很慢;SOM腐殖化合成腐殖质
微生物活动最适湿度 田间持水量的60-80%。
wetting and drying cycle (干湿交替) 一方面增加土壤呼吸作用，破坏土壤结构体，利于SOM
的矿质化分解； 另一方面干燥时引起微生物死亡，又不利于SOM分解。
C/N＞25时，产生N素生物固定 C/N＜25时，产生N素有效化。
脂肪、树脂、蜡质、单宁等
这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之点 是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材料。
木质素
木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌 作用下缓慢的转化，最终产物是CO2和H2O，但往往只有50% 可形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始 材料。
SOM平衡：进入土壤中的有机质等于从土壤中损失的 有机质的状态。
（一）温度
影响植物生长和微生物的分解。
0℃以下， SOM分解速率很小； 0~35 ℃ 范围内，每升高10 ℃ ，SOM最大分解速率提高 2~3倍； 25~35℃ 下，微生物活动最旺盛，利于SOM矿化分解。
（二）土壤水分和通气状况
好气：水少气多,氧气充足，微生物活动旺盛,SOM矿化 分解,释放养分
矿化率一般在1%～3%。
土壤中简单有机化合物分解的难易顺序
容易 难
单糖、淀粉和简单蛋白质 粗蛋白质 半纤维素 纤维素 脂肪、蜡质等 木质素
好氧条件下的分解
微生物活动旺盛，分解作用快，分解最终产物位CO2和 H2O，释放出矿质盐类（NH4+、NO3-、HPO42-、H2PO4-、 SO42-等）。
四、影响土壤有机质分解和转化的因素
SOM 周转：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。 Humification 腐殖化过程： 简单→复杂 Mineralization 矿质化过程： 复杂→简单
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要的时间。
土壤微生物生物量 3~8% 多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质 3~8% 腐殖物质 10~30%
三、土壤腐殖物质的分解和转化
第一阶段：腐殖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。 第二阶段：释放的简单有机物质被分解（矿化）和转 化，酚类聚合物被氧化。 第三阶段：脂肪酸(fatty acid)被分解，被释放的芳香 族化合物（如酚类）参与新腐殖质的形成。
29.0
3.1 23.1 144.3
23.9bc
175
26.0
4.0 19.2 182.3
18.4a
216
31.8
1.3 16.1 241.0
19.5a
97
53.6
7.4 39.6 184.7
40.4e
不同陆地生态系统土壤有机质含量
SOM (Mg C/ha)
(Mg C/ha) (Mg C /ha y)