第五讲土壤碳库的形成与转化

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1、1第五讲 土壤碳库的形成与转化第一部分 土壤有机质的来源、含量及其组成第二部分 土壤生态系统中有机物质的生成与分解累积第三部分 影响土壤库中有机质分解与累积的因素第四部分 有机质对土壤库的影响第五部分 土壤腐殖物质的形成和性质第六部分 土壤有机质的作用及管理2我国土壤有机质分布图0.5%7%0.5-2.0%5%3第一部分 土壤有机质的来源、含量及其组成土壤有机质：是指土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称。包括：1、土壤中各种动/植物残体 2、微生物体 3、土壤生物分解/合成的各种有机物质4一、土壤有机质的来源一、土壤有机质的来源l微生物：最早来源l动物

2、来源 l植物来源自然土壤经过耕种或其它人类活动影响后产生的：l农业副产品l有机肥料l有机农药l工业副产品基本来源52、有机质的组成、有机质的组成(1)化学元素组成土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N。其中，C/N比大约在1012之间。二、含量及组成二、含量及组成1、有机质含量、有机质含量 一般含量在0-5%之间。泥炭土可高达20%或30%以上 漠境土和砂质土壤不足0.5%6(2)物质组成：(i)微生物体，动、植物残体；(ii)简单有机化合物（主要有木质素、蛋白质，半纤维素，纤维素及其他小分子化合物等）非腐殖物质(占土壤有机质的20-30%以上)；(iii)腐殖物质腐殖物质。7腐殖物质i)定

3、义：是由多酚和多醌类物质在微生物作用下聚合而成的含芳香环结构的非晶形高分子有机化合物。ii)颜色：黄色 棕黑色iii)结构未知iv)是土壤有机质的主体，占其60-80%8第二部分 土壤生态系统中有机物质的生成与分解累积落红不是无情物落红不是无情物化作春泥更护花化作春泥更护花9R（C，4H，养分）+2O2 CO2+2H2O+能量+养分 酶氧化一、矿化作用与腐殖化过程1、矿化作用矿化作用(Mineralization)土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。102、腐殖化过程腐殖化过程(Humification)各种有机化合物通过微生物合成或在原植物

4、组织中聚合转变为组成和结构比原来更为复杂的新的有机化合物的过程。1112腐殖化系数：腐殖化系数：单位质量有机物质的有机碳在土壤中分解一年后的残留碳量称为有机物质的腐殖化系数。13有机质的分解与合成示意图有机质的分解与合成示意图14在好氧条件下在好氧条件下，微生物活动旺盛，分解作用快而彻底，有机物质彻底分解为CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。在嫌气条件下在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分解作用慢且不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物中间产物。在极端嫌气的情况下在极端嫌气的情况下，除了产生中间产物外中间产物外，还产生CH4、H2等还原等还原性物质性物质，其中的养料

5、和能量释放很少，对植物生长不利。15二、生物物质循环在土壤形成中的作用(1)固定营养元素固定营养元素 生物摄取从岩石、矿物中释放出来的养分元素，通过一系列的生物化学过程将易溶性、无机态转化为有机态化合物而固定在生物体内。死亡的生物或其残体被微生物分解后，被固定的养分元素又被下一代或别的生物再吸收利用，这种循环过程保证了土壤生态系统的发展。由有机物质生成的土壤腐殖质决定着土壤潜在肥力及其有效性。16表52 陆地生态系统光合作用形成的干物质及固定的能量17(2)保存和富集植物养分保存和富集植物养分表53 能被植物进行生物学吸附的元素18 土壤条件的好坏在很大程度上影响生物产量，从而影响养分循环的强

6、度；进入土壤的有机质，在土壤生物的作用下分解、转化是养分循环与能量传递的重要环节。在农田生态系统中，作物被移出后带走了大量植物营养元素，从而导致土壤养分枯竭，系统生产力下降。施用各种矿质肥料可以归还植物营养元素，但却不能弥补由此减少的土壤能量。因此，在农田生态系统中归还在农田生态系统中归还有机残渣是改善土壤生态功能、提高经济效益的一个有效途径有机残渣是改善土壤生态功能、提高经济效益的一个有效途径。19三、土壤生态系统中有机物质的分解积累 进入土壤后的有机物质的分解过程分为两个阶段：第一阶段是易分解物质（主要是可溶性物质，如简单的糖类、蛋白质和有机酸等）的快速分解过程；第二阶段是难分解物质（如木

7、质素和腐殖质等）的缓慢分解过程。一个碳原子的旅程据Garrels等（1975)计算：在大气圈中停留4年；在生物圈中停留11年；在海洋上层水域停留385年；在深海中停留10万年；在地壳中停留3.42亿年20第三部分 影响土壤库中有机质分解、积累和转化的因素一、影响有机质的分解和积累的因素21（一）有机肥的化学组成对分解积累的影响1、有机质的化学组成影响有机肥最初阶段的分解速率；、有机质的化学组成影响有机肥最初阶段的分解速率；有研究报道，黑麦草地上部分的分解速率开始时快于地下部分，约6个月后差异消失；大麦的地上和地下部分在土壤中分解5年后残留率仍有很大差异，前者为12，后者为16。2、有机质的、有

8、机质的C/N比也影响分解速率；比也影响分解速率；C/N比对分解速率的影响只表现在分解的开始阶段（含N量高则分解速度就快），而且可以被土壤中的N素所补偿。3、木质素含量是影响有机肥残留率的主要因素。、木质素含量是影响有机肥残留率的主要因素。草根的分解量与(C/N 木质素%)/(糖%)呈反相关；有机肥的腐殖化系数与(木质素%)/(苯醇溶性物水溶性物碳水化合物)呈正相关；有机肥的C/N比越大，N素的残留率就越大。22（二）有机肥施用量对分解速率的影响 在有机肥分解的初期，施用量明显影响分解速率；当有机质的分解时间足够长（36个月以上）时，有机质分解速率不受施用量的影响。23（三）土壤对有机肥分解积累

9、的影响 土壤中的矿物质部分对土壤有机质的彻底分解有阻滞作用。（其作用实际上不是在分解上，而是通过将中间产物固定来阻滞彻底分解。）(1)较细颗粒颗粒对有机物质分解的阻滞作用较大；(2)不同类型黏土矿物黏土矿物对有机质分解的阻滞作用不同，蒙脱石高岭石；(3)土壤中的某些成分某些成分在有机质的分解和积累中起重要作用，如：石灰和代谢性Ca2+促进新鲜植物残体的分解，但阻碍腐殖质的分解(与胡敏酸等形成不易被微生物吸收的胡敏酸钙等)；(4)水铝英石水铝英石能阻滞有机物质的彻底分解并使土壤保持较高的有机质含量；(5)土壤水分水分状况影响有机质的分解，适宜的水分含量有利于有机质的分解，干湿交替也能促进有机质的

10、分解；(6)土壤肥力土壤肥力状况也影响有机质的分解，肥力越高，有机质的分解越快。24（四）有机肥对土壤有机质分解速率的影响激发效应：指土壤中加入的新鲜有机物质对土壤有机质分解速率的影响。正激发效应：指促进土壤有机质分解的过程。负激发效应：指抑制土壤有机质分解的过程。土壤有机质含量在很大程度上影响有机肥的激发效应。易分解的有机组成，包括热水溶性物质苯醇溶性物质会产生正激发；纤维素和木质素成分则易发生负激发。有机肥施入土壤后是否发生激发效应，决定于有机肥的施入是否有利于土壤微生物更好的利用土壤有机质。25（一）土壤生物的组成与活性 土壤动物促进植物残体的破碎和运输 真菌可促进木质素的分解 细菌和放

11、线菌可促进碳水化合物的分解二、影响有机物质的分解和转化的因素26（二）土壤特性 1、质地质地 粘粒含量越高，有机质含量也越高。2、pH值值 中性、钙质丰富较好，pH6.5-7.5。3.水分水分 最适湿度：土壤持水量的50-80%低洼、积水有利于有机质的积累 4.通气性通气性 通气不良易造成有机质累积 5.温度温度 最适宜温度大约为25-35 27（三）植物残体的特性1、物理状态（新鲜程度、破碎程度、紧实程度）2、C/N比 有机物质组成的碳氮比（C/N）对其分解速度影响很大。以25：1或30：1较为合适。C/N降至大约25：1以下，微生物不再利用土壤中的有效氮，相反，由于有机质较完全的分解而释放

12、矿质态氮。2829第四部分 有机质对土壤库的影响 一方面，土壤条件影响进入土壤库中的有机质的分解和积累；另一方面，进入土壤库中的有机质成为土壤的组分后，影响土壤的各种性质，进而又影响有机质的分解和积累。一、轻组有机质的性质一、轻组有机质的性质 轻组的大部分是经过轻微变化的植物物质，腐殖质占314%，大部分还能看出细胞结构，基本上以游离状态存在。其中的有机质分解速度比植物组织的慢，比腐殖质的快。30二、有机无机复合体及其性质二、有机无机复合体及其性质 耕作土壤中有机质的大部分与无机组分结合在一起，无机组分中又以黏土矿物占绝大部分。由于有机无机复合机制大多涉及电子的转移，必将影响复合体的阳离子交换

13、量；有机无机复合还使土壤的表面积发生变化。31三、有机质对土壤性质的影响三、有机质对土壤性质的影响1、有机质对土壤结构的影响 团聚体中的有机碳含量随团聚体的增大而增加，但当团聚体的粒径大到一定程度时，团聚体有机质含量不再增加。有研究表明，当粒径大于5mm时，腐殖质含量反而下降。土壤有机质使土壤颗粒团聚成大小在0.15mm左右的水稳性团体。2、有机质的供肥作用 有机肥的施用不仅提高土壤有机质含量，改善土壤物理性质，而且通过微生物的分解或直接释放营养元素而供给植物养分。32第五部分 土壤腐殖物质的形成和性质一、土壤腐殖物质的主体是什么？土壤腐殖物质的主体是指各种腐殖酸及其与金属离子结合的盐类。33

14、34土壤腐殖物质形成过程中的转化途径35二、土壤腐殖物质的存在状态腐殖物质游离态结合态（很少）（很少）（52%-98%，与粘，与粘土矿物复合）土矿物复合）36土壤有机无机复合体示意图37三、土壤腐殖质的分组目前常用的提取腐殖酸剂（1）0.1M NaOH溶液 (提取其中的松结态腐殖质)（2）0.1M NaOH+0.1M 焦磷酸钠(Na4P2O7)混合提取液(提取其中的稳结态腐殖质)腐殖物质紧结态腐殖质松结态腐殖质稳结态腐殖质腐殖物质胡敏素胡敏酸富里酸38腐殖质分组方法溶液即溶液即富里酸富里酸39四、土壤腐殖酸的性质（一）物理性质（一）物理性质1、颜色颜色 黑褐色，富里酸呈淡黄色，胡敏酸呈褐色2、

15、溶解性溶解性 富里酸溶于水、酸、碱；胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱；富里酸的一价、二价盐溶于水，三价盐几乎不溶于水；胡敏酸的一价盐溶于水，但二价、三价盐几乎不溶于水。3、吸水性吸水性 最大吸水量可以超过500%404、分子结构分子结构（1）腐殖酸的分子量有较大的差异。（2）腐殖酸的分子形状 pH 2-3 纤维、纤维束状 4-7 网状、海绵状 8-9 页状 10 粒状5.胶体特性胶体特性 是土壤有机胶体的主要组成部分41元素（%）CHO+SN胡敏酸50-603.1-5.331-413.0-5.6富里酸45-534.0-4.840-482.5-4.3（二）腐殖酸的化学性质（二）腐殖酸的化学性质 1、

16、化学组成、化学组成我国主要土壤腐殖酸的元素组成 习惯上以58%为其平均值，故计算有机质的含量时，一般以1.724为折算系数。42种类 羧基 酚羟基 醇羟基 醌基 酮基 甲氧基 总酸度 胡敏酸 15-57 21-57 2-49 1-26 1-5 3-8 67富里酸 55-112 3-57 26-95 3-20 12-27 3-12 1032、含氧官能团 主要含羧基、酚羟基、羰基、醌基、醇羟基、甲氧基等。腐殖质的含氧官能团含量（mmol/kg-1）433、腐殖酸的络合性 络合物的稳定性随pH值的升高而增大。在pH4.8时能与Fe、Al、Ca等离子形成可溶性络合物，但在中性或碱性条件下会产生沉淀。4

17、44、腐殖酸的电性 腐殖酸是一种两性胶体。既可以带负电荷，也可以带正电荷，通常以带负电荷为主。腐殖质的负电荷数量随pH的升高而升高。45（三）腐殖质的稳定性与变异性1、稳定性 在温带条件下，一般植物残体的半分解周期少于3个月，植物残体形成的新的有机质的半分解期为4.7-9年，而富里酸的平均停留时间为200-630年，胡敏酸的平均停留时间可达780-3000年。462、变异性 HA/FA值：表示胡敏酸与富里酸含量的比值，是土壤腐殖质成分变异的指标之一。一般我国北方的土壤，特别是干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/FA比大于1.0；而在温暖潮湿的南方的酸性土壤中，土壤中以富里酸为主，H

18、A/FA比一般小于1.0；在同一地区，水稻土的腐殖质的HA/FA 比大于旱地，熟化程度高的土壤的HA/FA比较高。47一、有机质在土壤肥力上的作用（一）提供植物需要的养分 碳素营养：碳素循环是地球生态平衡的基础。土壤每年释放的CO2达1.351011吨，相当于陆地植物的需要量。氮素营养：土壤有机质中的氮素占全氮的90-98%磷素营养：土壤有机质中的磷素占全磷的20-50%其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。第六部分 土壤有机质的作用及管理48（二）改善土壤特性2、化学性质：、化学性质：影响土壤的表面性质；影响土壤的电荷性质；影响土壤保肥性；影响土壤的络合性质；影响土壤缓冲

19、性1、物理性质：、物理性质：促进良好结构体形成；降低土壤粘性，改善土壤耕性；降低土壤砂性，提高保蓄性；促进土壤升温。3、生理性质：、生理性质：影响根系的生长；影响植物的抗旱性影响植物的物质合成与运输；药用作用。49二、有机质在生态环境上的作用（一）有机质对重金属污染的影响 腐殖酸是重金属离子的络合剂，降低重金属的活性，从而使其毒性下降。（二）有机质对农药污染的影响（三）土壤有机质对全球碳平衡的影响50大气中CO2浓度的变化51全球碳循环52三、土壤有机质的管理 土壤有机质（碳）的动态平衡 土壤有机质含量并非可以无限提高，在稳定的生态系统中最终达到一个稳定值。53如何提高土壤有机质含量？1、坚持两个原则 平衡原则 经济原则 2.提高有机质含量的措施