第5章++土壤有机质

水解酶5 土壤有机质5.1 土壤有机质的含量、来源及其组成土壤有机质（广义）——土壤中所含碳的有机物质，它包括土壤中的各种动、植残体、微生物体及其分解、合成的产物。

土壤有机质（狭义：腐殖质）——土壤指土壤中有机物质残体经微生物作用形成的一类特殊的、复杂的、性质比较稳定的高分子有机化合物。

5.1.1 土壤有机质的含量砂质土不足1.0%，热带土壤则更小一些。

东北的黑土可高达8%~10%，有机质含量不足20%的土壤，称为矿质土壤。

有些地区的沼泽土、泥炭土，有机质含量可超过20%，一般把有机质含量高达20%以上的土壤称为有机土壤， 5.1.2 土壤有机质的来源在自然土壤中，地面植被残落物和根系是土壤有机质的主要来源，如树木、灌丛、草类及其残落物，每年都向土壤提供大量有机残体。

农业土壤中，土壤有机质的来源较广，主要有：（1）作物的根茬、还田的秸杆和翻压绿肥；（2）人畜粪尿、工农副产品的下角料（如酒槽、亚铵造纸废液等）；（3）城市生活垃圾、污水；（4）土壤微生物、动物的遗体及分泌物（如蚯蚓、昆虫等）；（5）人为施用的各种有机肥料（厩肥、堆沤肥、腐殖酸肥料、污泥以及土杂肥等）。

5.1.3 土壤有机质的组成1．土壤有机质化学元素组成 土壤有机质的基本元素组成是C 、H 、O 、N ，碳占52%~58%、氧占34%~39%、氢占3.3%~4.8%、氮占3.7%~4.1%，其次是P 和S ，C/N 比大约在10~12之间。

2．土壤有机质化合物组成 土壤有机质化合物组成十分复杂．．．．．．腐殖物质是经土壤微生物作用后，由酚类和醌类物质聚合由芳香环状结构和含N 化合物、碳水化合物组成的复杂的多聚体，性质稳定、新形成的暗棕色的高分子化合物。

3．土壤有机质的形态 进入土壤中的有机物质的形态一般有以下几种：（1）新鲜的有机物质（2）半腐解的有机物质（3）腐殖物质 是经微生物改造后的有机物质，是一类特殊的有机化合物。

通常与矿质土粒结合在一起，性质稳定的土壤腐殖质。

5.2 土壤有机质的矿质化过程5.2.1 （不含氮的）碳水化合物的转化（C 6H 10O 5）n + nH 2O nC 6H 12O 6（纤维素、淀粉） （葡萄糖）酵母菌 O 2 O 2 O 2 霉菌 O 2 O 2 丁酸细菌 缺氧甲烷细菌 缺氧1．在通气良好供氧充足条件下，经好氧微生物作用，使葡萄糖C 2H 5OH 迅速分解成CO 2和H 2O ，并放出大量的热量。

C 6H 12O 6 2C 2H 5OH + 2CO 2 + 热量C 2H 5OH CH 3COOH + H 2O + 热量CH 3COOH CO 2 + H 2O + 热量C 6H 12O 6 C 2H 4O 4 + H 2O + 热量C 2H 4O 4 CO 2 + H 2O + 热量2．在通气不良，缺氧条件下，好氧微生物活动受到抑制，而厌氧微生物占据优势，使分解过程进行缓慢，其终端产物是H 2、CH 4、CO 2等一些还原性物质，并可能累积一些有机酸。

如下式：C 6H 12O 6 CH 3CH 2CH 2COOH + 2H 2 + CO 2 + 热量 （丁酸）H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2O 5.2.2 含氮有机物质的转化1．氨化作用有机态氮的氨化包括蛋白质类物质水解转化为简单的氨基酸和氨基酸脱氨基过程：蛋白质 + H 2O RCHNH 2COOHRCHNH 2COOH + H 2O RCHOHCOOH + NH 3↑RCHNH 2COOH + O 2 RCOOH + CO 2 + NH 3↑RCHNH 2COOH + H 2 RCH 2COOH + NH 3↑2．硝化作用土壤中的氨在亚硝酸细菌的作用下氧化成亚硝酸，再经硝化细菌作用氧化成硝酸：2NH 3 + 3O 2 2HNO 2 + 2H 2O + 158 卡水解酶 水解酶 氧化酶还原酶 亚硝酸细菌2HNO2 + O22HNO3 + 42卡硝酸细菌进行硝化作用的土壤条件是pH6~9，通气良好。

3．反硝化作用5CoH12O6 + 24KNO324KHCO3 + 6CO2 + 12NO2↑ + 18H2O反硝化作用的氮素损失，随土壤有机质含量、NO3-N的数量、pH值和温度升高而增强。

如用15N标记(NH4)2SO4施于稻田，40天损失了30%的氮，其中一部分的氮是通过反硝化作用损失的。

5.2.3 影响土壤有机质转化的因素土壤有机质的转化受各种外界环境条件的影响，由于微生物是土壤有机质分解和周转的驱动力．因此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。

(一)有机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影响其与外界因素的接触面，从而也影响其矿化速率。

特别重要的是有机物质组成中的碳氮比(指有机物中碳素总量和氮素总量之比)对其分解速度影响很大。

所谓C/N比是指有机物中的有机碳和有机氮的质量之比。

在细菌的生命过程中，分解有机质时满足其合适的C/N比值一般为25: 1。

< 25: 1时，有充足的N素分解速率较快，也能提供农作物所需的N素，>25: 1时，N素不足，微生物会被迫从土壤中吸取必需的N素，出现与作物争N的局面，而导致作物缺N，生长不良以致减产的后果。

由此可见，在向土壤施入有机物质时，如秸秆还田及其它有机肥，应注意C/N是否合适，当C/N过大，则需补充一定的速效N肥，以降低其C/N比值，以免造成微生物与作物争N的不良局面。

除C/N外，C/P、C/S比也对有机物质的分解有一定的影响，但作用一般不如C/N大。

各种植物残体的碳氮比不同，禾本科的根茬和茎秆的碳氮比为50～80 ：1，故残体的分解较慢，土壤硝化作用受阻的时间也较长，而豆科植物的碳氮比为20～30 ：l，故分解速度快，对硝化作用的阻碍很小。

此外成熟残体比幼嫩多汁残体碳氮比要高。

为了防止植物缺氮，并促使其迅速分解，在使用含氮量低的水稻、小麦等作物秸秆时应同时适当补施速效氮肥。

但无论有机物质的C／N比大小如何．当它进人土壤后．经过微生物的反复作用，在一定条件下，它的C／N比或迟或早都会稳定在一定的数值。

一般耕作土壤表层有机质的C ／N在8 ：11～15 ：l，平均在10 ：1—1 2 ：1之间，处于植物残体和微生物C／N之间，土壤C／N的变异主要受地区的水热条件和成土作用特征的控制，如我国湿润温带的土壤中稳定于10：1—12：1之间，而热带、亚热带地区的红黄壤则可达20：1。

总之，在土壤中施用植物残体时，应该考虑上述的共同特点。

(二)土壤的水分和通气状况有机质的分解强度与土壤含水量有关。

当土壤在风干状态(只含吸湿水)时，微生物因缺水而活动能力降低，分解很缓慢，当土壤湿润时，微生物活动旺盛，分解作用加强，但若水分太多，使土壤通气性变坏又会降低分解速度。

植物残体分解的最适水势在－0．1～－O．03 MPa之间，当水势降到－0．3 MPa以下，细菌呼吸作用迅速降低，而真菌一直到－5～－4 MPa 时可能还有活性。

另外土壤有机质的分解转化也受土壤干湿交替作用的影响，干湿交替一方面可使土壤的呼吸作用短时间内大幅度提高，并使其在几天内保持稳定的土壤呼吸强度，从而增强土壤有机质的矿化作用。

另一方面会引起土壤胶体，尤其是蒙脱石、蛭石等粘土矿物的收缩和膨胀，使土壤团聚体崩裂，其结果：一是使原先不能被分解的有机物质因团聚体的分散而暴露于外，加速厂分解；二是干燥引起部分土壤微生物死亡。

土壤通气良好时，好气性微生物活跃，这时有机质进行着好气分解，其特点是速度快，分解较完全，矿化率高，中间产物累积少，有利于植物的吸收利用。

但不利于土壤有机质的累积和保存；反之，在土壤通气不良时，嫌气性微生物活动旺盛，有机质分解的特点是速度慢，分解不完全，矿化率低，中间产物容易积累，还会产生甲烷和氢气等对作物生长有毒害影响的还原性气体，但有利于有机质的积累和保存。

由上可知，土壤通气性过盛或过差，都对土壤肥力不利。

必须使土壤中好气性分解和嫌气性分解能够伴随配合进行，才能既保持适当的有机质水平，又能使炸物吸收利用足够的有效养料。

故调节土壤通气状况，是提高土壤肥力的方法之一。

(三)温度温度影响到植物的生长和有机质的微生物降解。

一般在0℃以下土壤有机质的分解速率很小。

在O～35°C范围内，有机质的分解随温度升高而加快。

温度每升高10°C，土壤有机质的最大分解速率提高2～3倍，土壤微生物活动的最适宜温度范围为25～35°C，超出这个范围，微生物活性就会明显受到抑制。

另外，土壤中有机质能否积累和消失，也要看湿度及其他条件。

在高温、干燥条件下，植物生长差，有机物质产量低，而微生物在好气条件下分解迅速，因而土壤中有机质积累少；在低温、高湿的条件下，有机质因为嫌气分解，故一般趋于累积．当温度更低、有机质来源少时，微生物活性低，则土壤中有机质同样也不会积累。

(四)土壤特性气候和植被在较大范围内影响土壤有机质的分解和积累，而土壤质地在局部范围内影响土壤有机质的质量分数．土壤有机质质量分数与其粘粒质量分数有极显著的正相关，粘质和粉砂质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。

腐殖质和粘粒胶体结合形成的粘粒—一腐殖质复合体，可免受微生物的破坏，防止有机质遭受分解。

土壤pH值也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。

各种微生物都有最适宜生存的pH值范围，真菌适宜于酸性环境(pH 3～6)，大多数细菌的最适pH值在中性范围(pH 6．5～7．5)，放线菌适合于徽碱性条件。

真菌在分解有机质过程中产生酸性很强的腐殖质酸，会使土壤酸度增高，肥力降低。

细苗则能产生提高土壤肥力的腐殖质酸，同时细菌中的固氮细菌能固定空气中的游离氮素，是提高土壤肥力的重要一环。

在通气良好的微碱性条件下，硝化细菌容易活动，因而土壤中的硝化作用旺盛。

因此在农业生产中，改良过酸过碱的土壤，对促进有机质的矿化有显著效果。

5.3 土壤腐殖质的形成和性质1．土壤腐殖质的组分腐殖物质是一类组成结构极为复杂的高分子聚合物，其主体是各种腐殖酸及其与金属离子相结合的盐类，与矿物质部分结合形成有机无机复合体。

目前，依据腐殖质的颜色和在不同溶剂中的溶解行为，把它分为胡敏素、胡敏酸和富啡酸三个组分，其分组方法如下：胡敏素是稀碱不溶的那部分腐殖物质，一般与粘粒矿物结合十分紧密，难以用试剂把它与粘粒矿物分离。

胡敏酸和富啡酸统称为腐殖酸，约占腐殖物质的60%左右，通常都以腐殖酸作为腐殖物质的代表，土壤真正游离的腐殖酸很少。

富啡酸的酸性很强、活性大，对矿物的风化和盐基的淋溶强度较大，是酸性森林土壤腐殖质的主要组分。

在腐殖质组分中，研究最多的是胡敏酸。

2．土壤腐殖质的性质（1）物理性质①分子量大小与形状利用电子扫描显微镜推断，腐殖酸是非晶体物质，分子结构十分松散，形状成无规则的变化，但受pH环境所控制，可以是纤维状—类海绵状—颗粒状—棒状的，在中性溶液中是网状的海绵体结构。