[科普中国]-土壤有机质

来源和组成

土壤有机质主要来源于植物、动物及微生物残体，其中高等植物为主要来源。原始土壤中最早出现在母质中的有机体是微生物。随着生物的进化和成土过程的发展，动、植物残体及其分泌物就成为土壤有机质的基本来源。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。在农业土壤中，土壤有机质的来源较广，主要有作物的根茬、还田的秸秆和翻压绿肥；人畜粪尿、工农副产品的下脚料(如酒糟、亚铵造纸废液等)；城市生活垃圾、污水；土壤微生物、动物(如蚯蚓、昆虫等)的遗体及分泌物；人为施用的各种有机肥料(厩肥、腐殖酸肥料、污泥以及土杂肥等)。其中，耕地土壤中自然植被已不存在，主要来自作物根的分泌物、根茬、枯枝落叶以及人们每年施入的有机肥料(绿肥、堆肥、沤肥和厩肥等)。

进入土壤的有机残体，尽管来源不同，但是从化学角度来看，主要有碳水化合物(包括一些简单的糖类及淀粉、纤维素和半纤维素等多糖类)、含氮化合物(主要为蛋白质)、木质素等物质。此外，还有一些脂溶性物质(如树脂、蜡质等)。土壤有机质的基本元素组成是C、O、H、N，其中C占52%～58%、O占34%～39%、H占3.3%～4.8%、N占3.7%～4.1%。其次是P和S，还有K，Ca，Mg，Si，Fe，Zn，Cu，B，Mo，Mn等灰分元素，C/N一般为10～12。上述各有机组分在有机残体中的含量随植物的种类、器官和年龄而异1。

存在状态土壤有机质通常以下列几种状态存在于土壤之中。

机械混合状态进入土壤中的有机残体处于未分解和半分解状态与土壤矿物质部分机械地混合在一起。处于这种状态的有机质占土壤有机质总量的0.6%～48.4%。有时为了研究工作的需要,利用重液(比重为1.8～2.03)将这部分有机质(通常称为轻组)与已和土壤矿物质部分相结合的有机质(通常称为重组)分离开来。并分别对它们的数量、组成、性质进行研究。

生命体生活在土壤中的各种活体(如植物根、土壤动物、微生物等),可以把它们视为土壤中的一个独立部分，也可以视为土壤有机质的一部分，生命体就是指土壤中各种活体的数量。据Jenkinsen的估算，土壤的生命体占土壤有机质总量的0.56%～4.6%，平均为2.59%。这部分有机质主要吸附在土壤矿物质表面或其他有机物质的表面上。

溶液态(或称游离态)土壤有机质中有极少一部分以溶解状态存在，但这部分有机质一般不会超过土壤有机质总量的1%。处于游离态的有机质有游离单糖、游离氨基酸和游离有机酸等。

有机-无机复合体态有机-无机复合体态有机质是土壤中与矿物质部分相结合的有机质，腐殖物质属于此类状态。由于有机与无机之间结合方式的不同，它们之间的牢固程度各异。结合态的腐殖物质是土壤有机质的主体。

影响土壤有机质分解和周转的因素土壤有机质转化过程中，无论是矿质化过程还是腐殖化过程，都是在微生物直接参与下进行的。因此，有机质的分解和周转都必须受微生物的制约。凡能影响微生物生命活动及其生理作用的一切因素都会影响有机质的分解和周转。这些因素可概括为以下两个方面。

有机残体的物理状态和化学组成1、有机残体本身的物理状态

有机残体本身的物理状态直接影响转化的速率。多汁、幼嫩比干枯老化的植物残体易分解，而且还能活化已衰弱的微生物。粉碎或切细比大块的植物残体易分解。

2、有机残体组成中的C/N

有机质中碳素总量和氮素总量的比率，是影响转化速率的根本原因。同一类植物的C/N亦随植物的组织老嫩而不同。一般禾本科植物的根茬，茎秆的C/N可高达100:1，而豆科植物为(15～30):1。凡多汁、幼嫩和C/N小的植物残体，矿质化和腐殖化都比较容易进行，分解得快，形成腐殖物质数量较少，释放出的氮素较多。反之干枯老化和C/N大的植物残体,转化较慢,释放的氮素量少。这是因为微生物在分解有机质时，需要同化一定数量的碳和氮来构成本身组织，同时还要分解一定数量的有机碳化合物作为能量的来源。据研究资料表明微生物组成自身的体细胞要吸收5份碳和1份氮，同时还要20份碳作为生命活动的能源。也就是说微生物在生命活动过程中，需要有机质的C/N约为25:1时为适宜。如果有机物质的C/N小于25:1 时。由于含氮多它不仅分解得快，而且还能使多余的有机态氮转化为无机态氮留在土壤中为植物利用。如果有机质的C/N大于25:1时。由于碳多氮少，微生物就缺乏氮素营养，其生命活动能力减弱，有机物质分解缓慢，有时微生物还会从土壤中吸取无机有效态氮素营养，造成微生物与作物争夺氮素养分．使作物暂时缺氮，出现黄萎现象。因此，在生产中如施用C/N过高的有机残体时，应适当地补充有效态的氮素(如人粪尿、硫铵等)，以加速有机残体的分解，并防止植物缺氮。

各种有机残体，无论C/N的大小如何，当它们进入土壤后，在微生物的反复作用下，它们的C/N迟早会稳定在一定的范围内。我国一般耕地土壤这个数值范围为(7～13):1。

3、有机质灰分元素含量

灰分元素含量高，说明营养元素丰富，也易于中和有机质分解时所产生的酸类，从而更有利于有机质的转化。

土壤环境条件凡能影响微生物生命活动的环境条件，都会影响有机质的转化。这些因素主要有以下几方面。

1、土壤湿度和通气状况

微生物活动需要一定的湿度和通气条件。在适度湿润而又有通气良好条件的土壤中，好氧微生物活动十分活跃。这时有机质进行好氧分解，其特点为速度快，分解较完全，矿化率高，中间产物很少累积，所释放的矿质养料多，并以氧化物状态存在，有利于植物吸收利用，无毒害作用。但该条件不利于土壤有机质累积。反之，如果土壤的湿度过大，水分充塞了绝大部分土壤孔隙使通气受阻，这时有机质的分解只能在嫌气条件下进行。其特点是分解速度慢，分解不完全，矿化率低，容易积累中间产物。如在高度嫌气条件下往往会产生一系列的有机酸，其中最常见的有乙酸、丙酸和丁酸等，同时还会产生某些还原性气体如H2、H2S、CH4等，对作物有害。在嫌气条件下，矿化率低，有利于土壤有机质的积累和保存，但有机质质量较差。一般土壤含水量为土壤田间持水量的60%～80%时有利于有机质的转化。

2、温度

在0～35℃的温度范围内，增高温度能促进有机质的分解，一般土壤微生物最适宜的土壤温度为25～35℃。当温度高于45℃时，一般的微生物活动受到明显的抑制，有些有机物质可能发生纯化学氧化分解作用或导致挥发。

3、土壤的酸碱反应

不同的微生物都有适宜活动的pH范围。如大多数细菌最适pH一般在中性附近(pH 6.5～7.5)；而放线菌活动的最适宜pH比细菌略偏碱性；真菌最适于酸性(pH 3～6)条件。因此，土壤的酸碱反应不同，土壤中各类微生物总量、相对比例及活动性等都不一样，而有机质转化的速度、产物也不相同。在农业生产中，中和过酸或过碱的土壤，对促进有机质转化有显著作用。

土壤有机质的生态效应土壤有机质在土壤肥力上的作用土壤有机质对土壤肥力起着多方面的作用，主要概括为以下几个方面。

1、提供作物养分的作用

土壤有机质含有作物生长所需要的各种营养成分，随着有机质的矿质化，不断地释放出来供作物和微生物利用，同时释放出微生物生命活动所必需的能量。在有机质分解和转化过程中，还可产生各种低分子有机酸和腐殖酸，对土壤矿物质部分都有一定的溶解作用，促进风化，有利于养分的有效化。此外，土壤有机质还能和一些多价金属离子络合形成络合物进入土壤溶液中，增加了养分的有效性。

2、保水、保肥和缓冲作用

土壤有机质疏松多孔，又是亲水胶体，能吸持大量水分。据研究资料表明腐殖物质的吸水率为5000～6000g/kg，而黏粒的吸水率只有500～600g/kg，腐殖质的吸水率是黏粒的10倍，能大大地提高土壤的保水能力。土壤有机胶体有巨大的表面能并带有正、负电荷，且以带负电荷为主,所以它吸附的主要是阳离子。其中作为养料离子的主要有K+、Ca2+、Mg2+等。这些离子一旦被吸附后就可避免随水流失，起到保肥作用，而且随时能被根系附近的H+或其他阳离子交换出来，供作物吸收，仍不失其有效性。

腐殖质保存阳离子养料的能力．要比矿物质胶体大几十倍。因此，保肥力很弱的沙土增施有机肥料后，不仅增加了土壤中养分的含量，改善了土壤的物理性质，还可提高其保肥能力。腐殖酸是一种含有许多功能团的弱酸，有极高的阳离子交换量，因此它能增加土壤对酸碱变化的缓冲能力，有机质含量高的土壤缓冲能力强。

3、促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质

土壤有机质在土壤中主要是以胶膜的形式包被在矿物质土粒的表面上。一方面，腐殖物质胶体的黏结力比沙粒强。因此，有机肥料施入沙土后可增加沙土的黏性，有利于团粒结构的形成。另一方面．由于土壤有机质松软、絮状多孔，而黏结力又不像黏土那么强。所以黏粒被它包被后，就变得松软，易使硬块散碎成团粒。这说明有机质能使沙土变紧，使黏土变松，改善了土壤的通气性、透水性和保水性。

4、腐殖酸的生理活性

据研究资料表明，腐殖酸分子中含有酚、羧基等各种功能团．因而它们对植物的生理过程产生多方面的影响。腐殖酸能改变植物体内糖代谢，促进还原糖的累积，提高细胞渗透压，从而提高了植物的抗旱能力。腐殖酸能提高酶系统的活性，加速种子发芽和养分的吸收，从而增加生长速度。腐殖酸能增加植物的呼吸作用。增强细胞膜的透性从而增加对养分的吸收能力。并加速细胞分裂增强根的发育。

5、减轻或消除土壤中农药的残毒和重金属污染

土壤腐殖物质胶体具有络合和吸附的作用，因而能减轻或消除农药的残毒和重金属的污染。据研究资料报道，胡敏酸能吸收和溶解三氯杂苯除草剂和某些农药。腐殖物质能与重金属离子络合，从而有助于消除土壤溶液中过量的重金属离子对作物的毒害作用。

耕地土壤有机质的保持与提高土壤有机质是土壤肥力的物质基础，其含量的高低是评价土壤肥力的重要标志。大量资料表明，在其他条件基本相同的情况下，土壤肥力水平与有机质含量密切相关。

1、耕地土壤有机质的平衡

土壤有机质累积的数量和存在状态取决于土壤形成的各种自然因素(气候、母质、生物、地形和时间等)的综合作用，使每个地带的土壤中有机质的数量大体上保持稳定的平衡。当自然植被开垦为耕地时。打破了原有的平衡，耕作土壤与栽培作物进入了生态系统。由于耕地土壤的栽培作物每年残留下来的有机物形成的土壤有机质，不足以补偿因矿化而消耗掉的有机质。开垦初期多数土壤有机质的数量迅速下降，以后变慢，逐渐达到稳定。影响土壤有机质数量平衡点的因素很多，但最关键的机制是土壤有机质只有与矿质黏粒结合成为有机无机复合体才能得以较长时间的保存。如果加入有机物料的数量超过黏粒所能保持的有机质数量时(黏粒被饱和)，有机物料的分解速度主要受水热条件和微生物活动等因素支配，水热条件好矿化迅速，反之会泥炭化，这就是有机质所谓的“大气控制阶段”。如果有机物料用量小于黏粒所能保持的有机质数量时。它会与黏粒结合形成有机无机复合体，黏粒保持的有机质数量主要取决于黏粒矿物种类和性质。2:1型矿物一般比1:1型矿物能保持更多的有机质。与黏粒结合的有机质一般以较慢(3%左右)的矿化率分解这就是所谓的“黏粒控制阶段”。

2、土壤有机质的调节

调节土壤有机质的目的之一，是进行土壤培肥(improving soil fertility)。它是指通过人工措施对土壤肥力进行调控．使土壤肥力得以保持和提高的过程。补充土壤有机质的途径，一是作物根茎和根系分泌物及地上部残落物，主要是通过作物本身的轮作和栽培进行；二是施用有机物料来培肥土壤．这是对培肥最有意义的途径，我们称之为土壤有机培肥。要进行土壤有机培肥，就要科学地施用有机物料。以供应养分为主要目的时，应选用绿肥、人粪尿等短期内易分解、C/N小的有机物料，对不易分解和C/N大的有机物料就应堆腐或配施氮肥；以改良土壤机构和提高基础肥力为主要目的时，应选用秸秆、厩肥等C/N大、腐殖化系数高的有机物料且不宜堆腐。随着化肥用量的增加和有机物料的不足，施用有机物料应以提高基础肥力为主要目的，并兼顾供应各种养分，特别是有机营养，以改善农产品的品质2。