土壤学第二章

第1节土壤生物：土壤微生物类群及作用、土壤中的动物及作用、土壤中高等植物根；第2节土壤有机质；第3节土壤腐殖质。

第二章 土壤有机质

• 第1节 土壤生物
  • 土壤微生物类群及作用
    • 土壤微生物
      • 指生活在土壤中借用光学显微镜才能看到的微小生物。
      • 主要作用
        • 调节植物生长的养分循环。 产生并消耗各种气体，影响全球气候的变化。 分解有机废弃物。 是新物种和基因材料的源和库。 病原微生物。
      • 土壤微生物的营养类型
        • 根据微生物对营养和能源的要求，一般可将其分为四大类型：
        • 异养型
          • 化能有机营养型
          • 光能有机营养型
        • 自养型
          • 化能无机营养型
          • 光能无机营养型
      • 土壤微生物的呼吸类型
        • 好氧微生物
          • 在有氧环境中生长，以氧分子为呼吸基质氧化时的最终电子受体。
        • 兼性微生物
          • 在有氧和无氧环境中均能进行呼吸的土壤微生物。
        • 厌氧微生物
          • 在嫌气条件下进行无氧呼吸，以无机氧化物（NO3-、SO42-、CO2）作为最终电子受体，通过脱氧酶将氢传递给其它的有机或无机化合物，并使之还原。
    • 类群
      • 土壤细菌
        • 概念：土壤细菌是一类单细胞、无完整细胞核的生物。它占土壤微生物总数的70%~90%。 细菌的基本形态有：球状、杆状和螺旋状。 特性∶ A、单细胞 B、分裂生殖快 C、个体小(4-5um)，接近于土壤粘粒的大小。 D、以杆菌占优势 E、数量大，每克有几亿到30亿个
      • 土壤真菌
        • 概念：是指生活在土壤中菌体多呈分枝丝状菌丝体，少数菌丝不发达或缺乏菌丝的具真正细胞核的一类微生物。 生态习性：适宜酸性；好气性微生物；化能有机营养型 。 作用：是土壤中糖类、纤维类、果胶和木质素等含碳物质分解的 积极参与者。
        • 作用
          • 是土壤有机质的主要降解者 某些真菌和植物的根系产生菌根 促进土壤结构的形成，菌丝的穿插 对于促进土壤的凝聚有重要的作用
      • 土壤放线菌
        • 是指生活于土壤中呈丝状单细胞、革兰氏阳性的原核微生物。
      • 土壤藻类
        • 是指土壤中的一类单细胞或多细胞、含有各种色素的低等植物
      • 地衣
        • 地衣是真菌和藻类形成的不可分离的共生体。地衣广泛分布在荒凉的岩石、土壤和其他物体表面，地衣通常是裸露岩石和土壤母质的最早定居者。
      • 原生动物
        • 生活于土壤和苔藓中的真核单细胞动物，属原生动物门
  • 土壤中的动物及作用
    • 土壤动物
      • 长期或一生中大部分时间生活在土壤或地表凋落物层中的动物。它们直接或间接地参与土壤中物质和能量的转化，是土壤生态系统中不可分割的组成部分。
      • 作用
        • 1、破碎土壤中的生物残体，为微生物活动和有机物质进一步分解创造条件。 2、改变土壤的物理、化学以及生物学性质，对土壤形成及土壤肥力发展起着重要作用。
      • 分类（主要）
        • 土壤线虫
        • 蚯蚓
          • 土壤中蚯蚓的数量是衡量土壤肥力的重要指标。
        • 弹尾和螨目
          • 节肢动物门；土壤中数量最多的节肢动物 其中螨目的主要代表是甲螨，在控制微生物数量及促进有机质分解过程中起着重要作用。
        • 跳虫
          • 主要生活于土壤表层
  • 土壤中高等植物根
    • 作用
      • 植物根系通过根表细胞或组织脱落物、根系分泌物向土壤输送有机物质，这些有机物质： 一方面对土壤养分循环、土壤腐殖质的积累和土壤结构的改良起着重要作用； 另一方面作为微生物的营养物质，大大刺激了根系周围土壤微生物的生长，使根周围土壤微生物数量明显增加。
      • 根际与根际效应
        • 根际是指植物根系直接影响的土壤范围。通常把根际范围分成根际与根面二个区，受根系影响最为显著的区域是距活性根1－2毫米的土壤和根表面及其粘附的土壤（也称根面）。 根际效应：由于植物根系的细胞组织脱落物和根系分泌物为根际微生物提供了丰富的营养和能量，因此，在植物根际的微生物数量和活性常高于根外土壤，这种现象称为根际效应。
  • 土壤酶
    • 土壤酶是指在土壤中能催化土壤生物学反应的一类蛋白质，是衡量土壤肥力的重要指标。
    • 土壤酶的来源与存在状态
      • 来源
        • 土壤酶来源于土壤微生物和植物根，也来自土壤动物和进入土壤的动、植物残体。
      • 存在状态
        • 胞内酶
          • 存在于土壤中微生物和动、植物的活细胞及其死亡细胞内的酶
        • 胞外酶
          • 以游离态存在于土壤溶液中或与土壤有机、矿质组分结合的脱离了活细胞和死亡细胞的酶
    • 土壤酶的种类
      • 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂解酶类
• 第2节 土壤有机质
  • 土壤有机质的来源、类型及其组成
    • 定义
      • 广义地讲它包括土壤中各种动、植物残体和微生物体及其分解和合成的各种有机化合物。狭义地讲，它主要是指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，即土壤腐殖质。 土壤有机质只占土壤质量的1%—5%，但对土壤的保肥供肥性、土壤结构的形成和稳定性、土壤物理化学过程及重金属与农药等污染物的降解等生态过程起十分重要的作用。
    • 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
    • 组成
      • 碳水化合物
        • 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
  • 土壤有机质的转化
    • 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。 
    • 矿质化过程
      • 土壤有机质在微生物作用下，把复杂的有机物质分解为简单的无机化合物如二氧化碳、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
        • 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。
      • 动物的转化过程
        • 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。
      • 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。
        • 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。
        • 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）。 转化过程： 
        • 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。 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。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。
        • 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。 反应：含硫蛋白质-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。 反应：2H2S＋O2——2H2O＋2S+热量 　 　2S＋3O2＋2H2O——2H2SO4+热量 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。
    • 腐殖化过程
      • 土壤有机质在微生物作用下，首先分解产生为简单有机化合物及中间产物，然后转化成更复杂的、稳定的、特殊的高分子有机化合物—腐殖质的过程。
    • 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。
  • 影响土壤有机质转化的因素
    • 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。
    • 温度
    • 土壤水分与通气状况
    • 植物残体的特性
      • 土壤有机质的来源、种类及其组成和数量，以至堆积（或累积）的方式，都是影响有机质转化的因素。 有机物质的细碎程度 有机物质组成的碳氮比(C/N) （有机物含碳素总量和氮素总量的比例，叫做C/N）
    • 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pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解
• 第3节 土壤腐殖质
  • 腐殖质是土壤有机质在土壤微生物分解和再合成作用下所形成的一类黑色、褐色或暗褐色的、芳香族结构的、有机凝胶状物质，是一类分子量大，具有多价酸根的不均匀的无定形缩聚产物。 它是土壤有机质的主要部分，约占有机质总量的50-65%，对于土壤的各种理化性质和肥力状况有极大影响。
  • 存在状态
    • 游离态腐殖质
    • 结合态腐殖质
  • 性质
    • 颜色
      • 整体呈黑色或黑褐色，颜色有深浅之分，这和腐殖质分子大小和分子芳构化程度成正相关。 富里酸呈淡黄色，胡敏酸为褐色。
    • 溶解性
      • 富里酸溶于水、酸、碱 ，一价，二价和三价盐类均溶于水。因此，富里酸及其盐类易溶解而不易凝聚，对土壤矿物质有较强的破坏作用，土壤不易形成良好的结构。 胡敏酸不溶于水和酸，但溶于碱，其盐类一价盐类（即钾、钠、铵的盐类）溶于水，二价和三价盐类（即钙、镁、铁、铝的盐类）不溶于水，其盐类易发生絮凝，使土壤形成良好的结构。
    • 元素组成
      • C、 H 、N 、O、 P、 S，其次Fe、 Ca、 Mg 、Si 。
    • 结构单元
    • 分子结构特性
    • 电性
      • 腐殖质是两性胶体，但以负电荷为主。
    • 吸水性
      • 腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力。
    • 稳定性
      • 抵抗微生物分解能力很强
    • 变异性
      • HA/FA值：表示胡敏酸与富里酸含量的比值。是表示土壤腐殖质成份变异的指标之一。 胡敏酸及其盐类在环境条件发生变化时，其化学性质不变，成为不溶于水的，较稳定的黑色物质；富里酸在水中溶解度很大，其水溶液呈酸性反应，它的一切盐类都溶与水，易造成养分流失。
  • 胡敏酸和富里酸性质的比较
    • 
• 第4节 土壤有机质的作用和调节
  • 土壤有机质在肥力上的作用
    • 提供植物需要的养分
    • 改善土壤的物理性质
      • 改良土壤结构，促进团粒结构的形成，增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性 腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂，形成团粒状结构，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性 土壤腐殖质是亲水胶体，具有巨大的比表面积和清水集团能提高土壤的有效持水量 腐殖质为棕色枝褐色或黑色物质增加了土壤西热的能力，提高土壤温度
    • 提高土壤的保肥性和缓冲性
      • 土壤腐殖质有着巨大的比表面和表面能具有较强的吸附能力，腐殖质胶体一带负电荷为主，从而可吸附土壤溶液中的交换性阳离子，因此，土壤有机具，有巨大的保肥能力。 腐殖酸本身是一种弱酸，腐植酸和其盐类可构成缓冲体系，因此使土壤具有较强的缓冲性能。
    • 在生态环境上
      • 有机质可降低或延缓重金属污染
      • 有机质对农药等有机污染物具有固定作用
      • 有机质影响全球碳平衡
    • 促进植物生长发育、微生物和动物的活动
  • 土壤有机质的调节
    • 调节原因
      • 若有机质的矿化作用过于强烈，土壤肥力下降。 若有机质的矿化作用过于缓慢，而腐殖化过程强烈，虽有大量的养分，但不能释放为植物所吸收利用。 一般在增加有机质的前提下，使土壤既有较强的矿质化过程，又有较强的腐殖化过程。只有这样，才能满足植物在连续生产中对土壤肥力的要求。
    • 调节措施
      • 提高土壤有机质含量
        • 合理耕作制度（退化或熟化） 施用有机肥 种植绿肥 秸秆还田
      • 调节土壤有机质分解速率
        • 调节土壤的C/N比
          • C/N ＝ 25 : 1，分解率适宜 C/N > 25 : 1，分解率降低 C/N < 25 : 1，分解率增大 通过施氮肥来调节。
        • 通过耕作和营林措施调节
          • 水分过多，挖沟排水 气候干冷，轻度火烧 免耕、少耕技术