土壤肥料学 2土壤有机质09-10(1)

①水解作用 蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下， 分解成氨基酸的作用称水解作用。 蛋白质 → 氨基酸 ②氨化作用
分解含氮有机物产生氨的生物学过程
称氨化作用。 CH2NH2COOH＋O2 → HCOOH＋CO2＋NH3（氧化） CH2NH2COOH＋H2 → CH3COOH＋NH3（还原） CH2NH2COOH＋H2O →CH2(OH)COOH＋NH3 （水解）
土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素 等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解： 核蛋白质(磷细菌水解)→磷酸(K＋＋Na＋＋Ca2＋) →磷酸盐 产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石 灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐， 降低其有效性。在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢，其
2 土壤有机质
2.1 土壤有机质的来源、组成 2.2 土壤有机质的转化 2.3 土壤腐殖质 2.4 土壤有机质的作用和调节
土壤有机质的定义??
存在于土壤中的所有含碳的有机化合物。 它主要包括土壤中各种动物、植物残体， 微生物体及其分解和合成的各种有机化合物。
2.1 土壤有机质的来源、组成
1）土壤有机质的来源 2）土壤有机质的含量
吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过 程，称反硝化作用。其反应如下： C6H12O6＋24KNO3 → 24KHCO3＋6CO2＋12N2↑＋18H2O
反硝化细菌
（3）含磷有机物的转化
土壤中表层有26％—50％是以有机磷状态存在， 主要有核蛋白、核酸、磷脂、核素等、这些物质 在多种腐生性微生物作用下，分解的最终产物为 正磷酸及其盐类，可供植物吸收利用。 但在嫌气条件下，很多嫌气性土壤微生物能引 起磷酸还原作用，产生亚磷酸，并进一步还原 成磷化氢。
3）土壤有机质的组成
1）土壤有机质的来源
植物残体 动物、微生物残体
动物、植物、微生物的排泄物和分泌物
人为施入土壤中的各种有机肥料
2）土壤有机质的含量
不同类型土壤中含量差异很大，可小于1%或者大于 20%。根据耕作层中有机质含量,可将土壤分为:
有机质土壤
>20%
矿质土壤
<20%
3）土壤有机质的组成 碳水化合物
（2）含氮有机物的转化
土壤中含氮有机物可分为两种类型：一是蛋白质类型，如各种类 型的蛋白质；二是非蛋白质型，如几丁质、尿素和叶绿素等。土 壤中含氮的有机物在土壤微生物作用下，最终分解为无机态氮 （NH4+—N和NO3-—N）。
水解过程 氨化过程 硝化过程 反硝化过程
蛋白质
多肽
氨基酸
氨基酸分解产生NH3 NH3氧化生成硝酸。 硝态氮还原成气态氨的过程。
4.2 11.6
40.1~49.8
1.6~4.3 8.0~12.6
45.9
2.8 9.8
（4）分子结构特性
是一种高分子聚合物. 分子量 分子外形 H： n×10000 F ： n×100-n×1000
球形或棒状，非晶质,比表面积大 腐殖质分子中心是一个稠环或类似稠环的芳 香核，可借共价键、离子键或氢键，与下述 分子中的数种结合：(1)多糖、(2)多肽、(3)酚 类醌 、(4)金属离子、(5)有机酚类
2.2.2 腐殖化过程
定义 土壤有机质在微生物作用下，把有机质分解产生的简单有 机化合物及中间产物转化成更复杂的、稳定的、特殊的高 分子有机化合物—腐殖质的过程。 分两个阶段
①产生构成腐殖质基本组成的原始材料（简单有机物）
氧化
②合成阶段：多元酚
醌
+氨基酸或肽 酶
腐殖质
土壤腐殖质形成过程中的转化途径
含碳有机物质的转化
土壤有机质中的碳水化合物如纤维素、半纤维素、淀粉 等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解 为单糖： (C6H10O5)n＋nH2O → nC6H12O6 ①好氧条件：生成的单糖由于环境条件和微生物种类不同，
又可通过不同的途径分解，其最终产物也不同。如果在好
气条件下，有好气性微生物分解，最终产物为水和二氧化 碳，放出的热量多，称氧化作用。其反应如下：
不含氮的有机物的转化 含氮有机物的转化 含磷有机物的转化 含硫有机物的转化
（1）不含氮的有机物的转化
主要是碳水化合物，如糖类、纤维类、半纤维类、脂肪和木质素等。
好气条件下
生成简单的有机酸、醇、酮类，最后完 全分解成CO2和水，同时释放热量。
通气不良条件下
形成有机酸类中间产物，最后产 生甲烷、氢气等还原性物质。
土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解
各种微生物都有其最适宜于活动的pH范围， pH过低(<5.5)或过高(>8.5)对一般的微生物都不大适宜
2.3 土壤腐殖质
1）土壤腐殖质的分组
2）土壤腐殖质的存在状态 3）土壤腐殖酸的性质 4）腐殖质的变异性
土壤腐殖质是褐色或暗褐色的，芳香族 结构的，具有多官能团的含氮的、复杂的 高分子有机化合物。 在土壤中，通常以腐殖酸盐的形态存在， 并与矿物粘粒结合形成复合物。
动物的转化过程
和微生物的转化过程
1) 化学的转化过程
水的淋溶作用
降水可将土壤有机质中可溶性的 物质洗出。这些物质包括简单的 糖、有机酸及其盐类、氨基酸、 蛋白质及无机盐等。
酶的作用
酶在土壤有机质转化过程中起着巨 大作用，几乎大部分的生物转化过 程都是在酶的作用下完成的。
2) 动物的转化过程
从原生动物到脊椎动物，大多数以植物及植物残体为食。在森林土 壤中，生活着大量的各类动物，如温带针阔混交林下每公顷蚯蚓可 达258万条等，可见活动物对有机质的转化起着极为重要的作用。
1）土壤腐殖质的分组
目前常用的提取剂 （1）ห้องสมุดไป่ตู้.1M NaOH溶液 （2）0.1M NaOH + 0.1M 焦磷酸钠混合提取液
腐殖质的提取与分组 轻组 重组
黑腐酸 黄腐酸 褐腐酸
胡敏素
失去水溶性和碱溶性
胡敏酸
不溶于酸 腐殖酸
占腐殖酸总量的60%左右
富里酸
溶于酸
2）土壤腐殖质的存在状态
游离态腐殖质
占有机质总量的15-27%,包括糖类、纤维 素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。
木质素
木质部的主要组成部分，是一种芳香 族的聚合物。
含氮化合物
主要是蛋白质。
树脂、蜡质、脂肪、单宁、灰分物质
2.2 土壤有机质的转化
4.2.1 矿质化过程
4.2.2 腐殖化过程
4.1.3 矿质化和腐殖化过程的关系
4.2.4 影响土壤有机质转化的因素
③硝化作用
氨态氮被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化 成硝酸的过程，称硝化作用。这一作用可分为两 个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝 酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。
其反应如下：
2NH2＋3O2 → 2HNO2＋2H2O＋热量 2HNO2＋O2 → 2HNO3＋热量
④反硝化作用
同细菌在无氧或微氧条件下以NO3－或NO2－作为呼
nC6H12O6＋6O2 → 6CO2＋6H20＋热量
②厌氧条件 如果在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作 用下缓慢分解，并形成一些还原性气体、有机酸， 产生的热量少，称发酵作用。其反应为： C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH＋2H2＋2CO2＋热量 4H2＋CO2 → CH4＋2H2O
1）温度
微生物活动响应于温度变化：
≤0℃ :无分解。
0-35℃:分解随温度而加强,每升温10℃ ,分解速 率提高2-3倍。 25-35 ℃：最适分解温度。
2）土壤水分与通气状况
土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的：
土壤中微生物的活动需要适宜的土壤含水量， 但过多的水分导致进入土壤的氧气减少，从而改 变土壤有机物质的分解过程和产物。 土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交 替作用的影响
2.2.3 矿质化和腐殖化过程的关系
土壤有机质的矿质化过程和腐殖化过程是即互相对立， 又互相联系，即互相独立，又互相渗透的两个过程。
矿质化过程是有机质释放养分的过程，又是为腐殖质合 成提供原料的过程，没有矿质化过程就没有腐殖化过程；
同时腐殖化过程的产物—腐殖质并不是一成不变的，它 可以再经矿质化过程而释放养分以供植物吸收利用。
2.2.4 影响土壤有机质转化的因素
有机质是土壤中最活跃的物质组成。
一方面，外来有机物质不断地输入土壤，并经微生物 的分解和转化形成新的腐殖质； 另一方面，土壤原有有机质不断地被分解和矿化，离 开土壤。进入土壤的有机物质与有机碳从土壤中损失之 间的平衡决定了土壤有机质的含量。
凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素 都会影响有机物质的分解和转化。
反应如下：
H3PO4 → H3PO3 → H3PO2 → PH3
（4）含硫有机物的转化
土壤中含硫的有机化合物如含硫蛋白质、
胱氨酸等，经微生物的腐解作用产生硫化 氢,通气良好的条件下,进一步氧化成硫酸, 和土壤中的盐基离子生成硫酸盐。
植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分 解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含 氮有机物的氨化细菌，都能分解有机硫化物，产 生硫化氢，其反应如下： 蛋白质 → 硫氨基酸 → H2S 还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的 过程，称硫化作用。其反应如下：
3）植物残体的特性
新鲜多汁的有机物质比干枯秸秆易于分解
有机物质的细碎程度
有机物质组成的碳氮比(C/N)
对微生物来说，同化1份氮到体内，必 须相应需要约24份的碳。
4）土壤特性 土壤质地在局部范围内影响土壤有机质的含量
土壤有机质的含量与其粘粒含量具有极显著的正相关。 腐殖质与粘粒胶体结合形成的粘粒一腐殖质复合体，可防 止有机质遭受分解，免受微生物的破坏。
与矿物成分中的强盐基化合成稳 定的盐类，主要为腐殖酸钙和镁
结合态腐殖质
与含水三氧化物
如Al2O3· 2O· 2O3· 2O化合成凝胶体 XH Fe yH
与土壤黏粒结合成有机无机复合体
3）土壤腐殖酸的性质
（1）颜色 整体呈黑色或黑褐色，富里酸呈淡黄色，胡敏酸为褐色。 （2）溶解性 富里酸溶于水、酸、碱 胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱
分子结构
（5）电性 腐殖质是两性胶体，但以负电荷为主 。 负电荷来源于 COOH 、 =C=O 、-OCH3 、OH
其中羧基是最重要的功能基团；腐殖质的总酸度通常
是指羧基和酚羟基的总和。 总酸度以胡敏素、胡敏酸和富里酸的次序增加。
（6）吸水性 腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能 力，最大吸水度最大吸水度达500％，在湿度 饱和的空气中，其湿度为200％。强大的吸水 性使土壤具有较强的持水供水能力。
（3）元素组成 C、 H 、N 、O、 P、 S，
其次Fe、 Ca、 Mg 、Si 。
胡敏酸 富里酸 C％ 50--62 45--48 H％ 2.8--6.6 5--6 O+S％ 31--40 43--48 N％ 2.0--6.0 1.5
总体来说，一般腐殖质平均含碳为58%，氮5.6%， 其C/N比为10：1-12：1。
我国主要土壤表土中腐殖物质的元素组成 （无灰干基）
胡敏酸HA（％） 富里酸FA（％） 范围 43.4~52.6 4.0~5.8 平均 46.5 4.8
腐殖物质
范围 C H 43.9~59.6 3.1~7.0 平均 54.7 4.8
O
N C/H
31.3~41.8
2.8~5.9 7.2~19.2
36.1
土壤有机质在水分、空气、土壤动物和 土壤微生物的作用下，发生极其复杂的转 化过程，这些过程综合起来可归结为两个 对立的过程，即土壤有机质的矿质化过程 和腐殖化过程。
2.2.1 矿质化过程
定义
土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合 物二氧化碳、水、氨和矿质养分（磷、硫、钾、钙、 镁等简单化合物或离子），同时释放出能量的过程。 化学的转化过程 分为
机械的转化
动物将植物或残体碎解，或将植物残体进 行机械的搬进及与土粒混合，均可促进有 机物被微生物分解。
化学的转化
经过动物吞食的有机物（植物残体）未被动 物吸收部分，经过肠道，以排泄物或粪便的 形式排到体外，已经经过动物体内分解或半 分解。
3) 微生物的转化过程
是土壤有机质转化最重要的最积极的过程， 有多种酶参与了催化。
2H2S＋O2 → 2H2O＋2S
2S＋3O2＋2H2O → 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用， 形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。
CO2
（2/3以上）
有 机 残 体
降解 土壤微生物量 （3%-8%） 残留土 壤部分 多糖类、有机酸类等非 腐殖质物质 （3%-8%） 腐殖质 （10%-30%）