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2.2 土壤生物与 土壤有机质

2.2 土壤生物与 土壤有机质. 2.2.1 土壤生物. 1 、土壤生物多样性 A 、原生动物：单细胞真核生物， 10 4 -10 5 个 /g 土。鞭毛虫、变形虫 B 、后生动物：多细胞动物。线虫、蠕虫、蚯蚓、蚂蚁 疏松土壤，破碎植物残体. C 、微生物. 细菌 （ bacteria ） 放线菌 （ actinomyces ） 真菌 （ fungi ） 藻类 (algae) 原生动物 （ protozoon ）. 2 、微生物营养类型.

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2.2 土壤生物与 土壤有机质

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Presentation Transcript

  1. 2.2 土壤生物与土壤有机质

  2. 2.2.1 土壤生物 1、土壤生物多样性 • A、原生动物：单细胞真核生物，104-105个/g土。鞭毛虫、变形虫 • B、后生动物：多细胞动物。线虫、蠕虫、蚯蚓、蚂蚁 疏松土壤，破碎植物残体

  3. C、微生物 细菌 （bacteria） 放线菌 （actinomyces ） 真菌 （fungi） 藻类 (algae) 原生动物 （protozoon）

  4. 2、微生物营养类型 • 1）化能有机营养型：异养型，需要有机化合物作为碳源，并从氧化有机化合物的过程中获得能量。大多数细菌、几乎全部真菌和原生动物。 • 2）化能无机营养型：自养型，以CO2为碳源，从氧化无机化合物中取得能量。亚硝酸菌、硝酸菌等。

  5. 3）光能有机营养型：光能异养型，能量来自于光，需有机化合物作为氢供体以还原CO2，并合成细胞物质。3）光能有机营养型：光能异养型，能量来自于光，需有机化合物作为氢供体以还原CO2，并合成细胞物质。 • 4）光能无机营养型：自养型，利用光能进行光合作用，以无机化合物作为氢供体以还原CO2，并合成细胞物质。 藻类、光合细菌

  6. 微生物作用： • 调节植物生长的养分循环； • 产生并消耗CO2，CH4，NO，N2O，CO和H2等； • 促进团聚体的形成； • 分解有机废弃物； • 是新物种基因材料的源和库

  7. 2.2.2 土壤有机质 土壤中来源于生命的物质

  8. 一、为什么研究有机质 土壤有机质 土壤碳固定与碳循环 土壤肥力 土壤污染 土壤环境 质量 全球变化

  9. 温室效应（CO2、CH4）与陆地碳汇问题 认识碳汇的可能变化 探索缓解途径，寻找新的碳汇

  10. 不同系统的碳库容量比较 Carbon pool (Pg, 1Pg=1015 g)

  11. How important? • SOM as a support for biomass production 江苏80年代初期产量与有机质的关系

  12. How important? Fauna & Microbe

  13. How important? 土壤污染物浓度（mg/kg DM）

  14. 不同土壤生态系统的有机质 荒漠，SOM少,<0.n DT/ha 森林下，SOM丰富 102 DT/ha 农业土壤：根茬等,n DT/ha

  15. 作物根系、残茬及根系分泌物 农业土壤有机质来源 农 家 肥 工业、生活垃圾 三种形态：新鲜有机质、半分解有机质、腐殖质

  16. 二、土壤有机质的某些量的特点 • 1，土壤中有机质含量：0~300g/kg， 有机质土壤：>200g/kg； 矿质土壤：<200g/kg； 耕作土壤：5~50 g/kg；平均：10~20g/kg 东北 华中、华南 华北、西北 逐渐降低

  17. 有机物质的组成：成分复杂 1 植物残体： 主要成分： C、H、O、N、P、S、K • 烧失量：90%~95% 以上，C、H、O、N 灰分：P、S、Ca、 Mg、 K、 Si、 Zn、Mo、 B、 Fe、Mn

  18. 关于土壤有机质的某些量的关系 2 有机质的构成量和含碳量 土壤腐殖质：占有机质~90%； 非腐殖物质中：碳水化合物占有机质 5%~25% 有机质的含碳量： 源物质（残体）：40%； 胡敏酸：50%；富里酸：40%； 土壤有机质平均：58% SOM=SOC*1.724

  19. 关于土壤有机质的某些量的关系 • 3 元素组成 C/N:~12, C/P ~100;

  20. 三. 土壤中有机质如何转化？

  21. 微生物 动物 有机质分解转化过程

  22. 1、矿化作用 CO2、SO42-、 NH4+-N 、NO-3—N、 H2PO4-、HPO42- 好氧： 微生物 有机质 兼气：NH4+-N 、—SH、 有机酸 微生物 有机质 CH4 厌氧

  23. 土壤呼吸：微生物分解土壤有机质，释放 CO2于空气中； 矿化作用(mineralization)：复杂有机物通过微生物的分解转化为简单的化合物，同时释放出矿质养料的过程。

  24. 有机化合物分解的差异 有机质分解由易而难的递进 单糖、淀粉和简单蛋白质 粗蛋白质 纤维素、半纤维素 脂肪、蜡质 木质素

  25. 土壤有机质的矿化作用 • A、糖类化合物 • B、含氮有机化合物 • 水解作用： • 蛋白质 氨基酸 氨化作用硝化作用 • NH2-N----NH3-N------NO2-N、NO3-N

  26. 分解作用的意义 • 分解产生：CO2、CH4—温室气体，前者占绝对优势。 • CO2释放速率：衡量有机质分解强度与生物活动强度的指标； • 有机质补充养分的途径

  27. 2, 腐殖质化过程 腐殖质化过程：进入土壤的有机物质在微生物 的作用下转变为比原物质组成更为复杂、结构更为稳定的腐殖质的过程。 腐殖物质：土壤中特有的、分子结构复 杂的一类有机大分子。

  28. 腐殖物质(humus)：土壤中特有的、分子结构复 杂的一类有机大分子。 • 特点：颜色：暗色分子量：很大；形状：伸曲性，短棒形，比表面积很大（~2000m2/g); • 亲水性：吸水容量大 ，

  29. 腐殖质化系数：每克重的新鲜有机质 加入土壤中经过一年转变为腐殖质的克数。旱田：0.2-0.3; 水田：0.25-0.40 分两个阶段： （1）产生原材料---含有芳核结构的物质（木质素、酚） （2）合成阶段： 多酚氧化酶 缩合 多元酚 醌 腐质酸 微生物

  30. 腐殖酸的人为分离方法 胡敏素 (不溶解) NaOH 浅黄色溶液 —富里酸（黄腐酸） 土 壤 过滤 富里酸 酸化 溶液 过滤 褐色沉淀 — 胡敏酸（褐腐酸） 胡敏酸

  31. 土壤有机质的转化过程 CO2、H2O 矿质养分 好氧分解 矿化作用 土壤有机质 CH4、H2S 有机酸等 兼气、厌氧分解 微生物 分解作用 多元酚，氨基酸、 醌 腐殖化作用 缩合 胡敏酸

  32. SOM = 不同分解程度的源物质和不同合成及缩合程度的新物质 源物质(bio-origin): 碳水化合物、木质素、蛋白质、树脂、蜡质等； 新物质（腐殖物质，humus)： 腐殖物质：胡敏酸、富哩酸、胡敏素

  33. 土壤有机质含量并不总是不变的 空间和时间上，土壤有机质水平存在变化或波动

  34. 有机质平衡：秸秆还田不能无限提高土壤有机质含量有机质平衡：秸秆还田不能无限提高土壤有机质含量

  35. 四、 影响土壤中有机质分解转化的因素：温度 • 微生物活动响应于温度变化 无分解：≤0℃； 分解随温度而加强：0-35℃；升温10℃， 分解速率提高2~3倍 最适分解温度：20~35 ℃

  36. 四、 影响土壤中有机质分解转化的因素：水分 微生物适宜的含水量 <-0.03Mpa, 厌气分解； -0.03~-0.1 Mpa, 适宜分解； >0.3MPa, 分解迅速降低； > -4MPa, only fungi 但是，频繁的干湿交替，强烈促进分解

  37. 四、影响土壤中有机质分解转化的因素：有机源物质性质四、影响土壤中有机质分解转化的因素：有机源物质性质 （1）物理性质：含汁性、致密性、破碎性； （2）化学性质：C/N, 材料间差异巨大 (微生物平均C/N: 8, 同化25份C相当于分解1份氮—施秸秆时补氮) 土壤C/N: 耕作土壤8~15（平均10~12）； 湿润温带土壤：10~12 南方红黄壤： ~20

  38. 某些物质的碳氮比(C/N)

  39. 四、影响土壤中有机质分解转化的因素：新鲜物质加入四、影响土壤中有机质分解转化的因素：新鲜物质加入 激发效应：因为新鲜可分解的有机物的一定量加入，促进了土壤原有有机质的分解，从而释放更多的养分。 正效应：养分矿化、植物吸收；微生物活动促进； 负效应：加速土壤有机质库的消解，释放某些不利元素。

  40. 四、影响土壤中有机质分解转化的因素：土壤性质四、影响土壤中有机质分解转化的因素：土壤性质 • 土壤质地：砂质土壤较利于有机质分解: 有机质的黏粒保护作用 • 中性土壤有利于有机质矿化：酸性土壤补钙-施石灰等于施肥

  41. 有机质的黏粒保护作用

  42. 氧化铁保护作用（水稻土） 湖南高产水稻土中SOC与物理性黏粒 渗育水稻土中SOC与无定型氧化铁（中国土壤,2000)

  43. 五、腐殖质的基本性质 • 分子量：变异很大. 越复杂，分子量越大； • 分子空间体积：黏粒级(纳米nm~微米um)间； • 形状：伸曲性，短棒形，交联构造引起的空隙，比表面积很大（~2000m2/g); • 亲水性：吸水容量大，单位重量下是黏土的4~5倍，可以达到本身质量的500%； • 颜色：暗色，棕色到黑色

  44. 腐殖质的化学功能基团 • 酸性功能基：羧基(R-COOH和酚羟基(酚-OH); • 中性功能基：醇羟基(R-CH2-OH)、醚基(R-CH2- O - CH2 - R)、酮基(R-C=O -R) 、醛基(R-C=O -H)和酯(R-C=O- R-O) ； • 碱性功能基：胺(R-CH2-NH2)、酰胺(R-C=O-NH-R);

  45. 腐殖酸的其他重要化学性质 • C.结构特征 • 1）含氧官能团 —C—OH， — —OH， =C=O，—OCH3， =O • 特征：带电性：两性胶体，以带负电为主 • —COOH —COO- • —OH —O- • —NH2 —NH3+ + 2H+ • —COOH —COO- • 可与Fe、Al、Ca、Zn等高价金属离子络合。 腐殖质分子结构核心 腐殖质分子结构核心

  46. 2）吸水性、溶解性：褐腐酸不溶于水，与K、Na、NH4+等一价盐类可溶，黄腐酸溶解度较大，腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，可超本身500%。3）稳定性：属高分子聚合物，稳定抗分解力强，植物残体半衰期年周转速率：1%左右，平均更新周期100年水平； 年龄： 富啡酸：500年内；胡敏酸：1000~2500年； 胡敏素：>1000年. 土壤腐殖质最老：8000年

  47. 六、有机质在土壤肥力中的作用

  48. a.提供作物及微生物需要的养分Ｎ、Ｃ源及微量元素等，植物生长所需氮：土壤，肥料a.提供作物及微生物需要的养分Ｎ、Ｃ源及微量元素等，植物生长所需氮：土壤，肥料 • b.增强土壤的保肥性能 　带电性主要是带负电，吸附阳离子

  49. c.促进团粒结构的形成，改善物理性质 腐殖质是种胶体，包被于矿质土粒的 外表，松 软，絮状，多孔 • d.促进作物生长 极低浓度的腐殖质分子，对植物有刺激作用 • e.消除土壤污染 与农药、重金属络合，减少毒害。

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