偶看新闻欧洲战役:有机农耕——土壤有机质
来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/30 18:37:53
机质对土壤的物理性质和化性质影响的大小, 远远超过土壤中少量有机质含量比例的大小。一般说来，有机质的阳离子交换量至少占表层土壤的三分之一或更多，它对土壤团聚体的稳定性比任何一种单一因素更为重要。而且，有机质为微生物提供了能量和建造驱体的成分，有关微生物的活动性前面已经在笫九章论述过。
10.1有机质的来源
土壤有机质来源植物组织, 在自然条件下, 树木、灌木、饲草和其它植物的上部和根部每年提供了大量有机残体，农作物也有十分之一到三分之一上部留在地面，或保留原地或混入土壤，当然所有的根仍留在土壤土。这些物质被各种类型的土壤微生物分解转化, 通过渗透和机械混合变成土层中的一部分。所以高等植物，不仅是各种土壤微生物的最初来源，也为土壤创造了稳定的成分和帮助土壤保持有机质水平。
动物通常被看作有机质的笫二大来原，它们吞食各种第一来源的植物组织，向土壤提供排泄物和生命周期结束后的躯体。动物的某些类型，尤其是蚯蚓、蜈蚣和蚂蚁，对翻动和转移植物残落物具有重要作用。
10．2植物残落物的成分
植物残体的水分含量很高, 变动在60一90%,典型数值为75%(见图10.1), 以干重为基数, 最多的是碳和氧, 氢和无机元素(灰分) 各不到10%。以无机元素为基数（原子数），则氢占优势，每3.7个碳原子和2.5个氧原子有8个氢原子。可以说这3种无素占土壤中有机质组织的绝大部分。
虽然其它元素存在量很少，但对植物营养和满足微生物体的需要都起着不可缺少的作用，必需无素如氮、硫、磷、钾、钙、和镁是特别重要的，这将以后详细讨论。
植物组织中活性有机化合物很多，而且变化大，可是它们可以分为几种类型，如图10.1。图中表明植物组织中典型的百分数和变化幅度。
糖和淀粉（1一5%）
半纤维素（10一30%）
纤维素（20一50%）
氢8% 氢8%
水溶性和
粗蛋白
（1一15%）
木质素25% 脂 肪、蜡 氧 1一8% 鞣酸1-8% 氧 氧氧
化合物类型 平均5% 氧 40%
灰分8%
木质素10-30平均25 元素成分
典型化合物
图10.1施入士壤中典型绿色植物成分, 灰分中所含无机元素包括氮素, 括号内所看的化合物百分数为一般变幅。
化合物的一般成分 碳水化合物是碳、氢、氧构成。从简单的糖到复杂的纤维素是在植物组织中常发现最显著的化合物；木质素存在较老的组织中，如茎和其它木质组织中。它们是复杂的化合物，其中有些是环状结构，木质素很抗分解。脂肪和油是比碳水化合物更复杂的化合物，比木质素少，主要发现在种子里。
蛋白质除含有碳、氧和氢一氮外，还含少量其它必需元素，如硫、镁、铜和铁，蛋白质是这些必需元素的主要来源，简单的蛋白质易分解，更复杂的粗蛋白质较抗分解。
10．3 有机化合物的分解
分解速度 有机化合分解速度有很大不同，依照它们分解的难易可列表如下：
1．糖、淀粉、和简单的蛋白质 分解快
2．粗蛋白质
3半纤维素
4纤维素
5．脂肪、腊质等
6．木质素 分解很慢
当有机组织加入土壤后，通常发生3种反应：
所有有机化合物往往是同时分解，当新鲜植物加入土壤时，糖和简单的蛋白质分解最快，后来是其它的，木质素最抗分解。
1． 大量的有机质经过酶氧化作用变成二氧化、水、能量和热量。
2． 氮、磷和硫等主要元素，通过各个元素相对专有的一系列特别反应，或被释放或被固定起来。
3． 合成难以被微生物分解的化合物，这些化合物或者是由存在植物中原来的化合物形变或者是由微生物合成的（总之，这些抗分解的化合物包括腐殖质）。
以上的这些反应有很大的实际意义，下面将讲解说明。
分解一一氧化作用过程 在好气性土壤，植物残落物的有机化合物分解可进行氧化作用，植物物质氧化部分是由大量碳和氢组成，土壤中有机质的氧化反应如下：
一 （c，4h）+2o2 氧化作用 酶 co2 +2h2 +能量
碳、氢化合物
在全部反应过程中, 包含许多中间阶段. 并且与碳 、氢以外其元素有关的副反应也同时发生。然而土壤中有机物的大多数分解的基本反应是消耗氧和释放二氧化碳。
蛋白质的分解 植物蛋白质及相关化合物，在腐解时，除产生二氧化碳和水以外还有氨基酸，如乙氨酸（ch2nh2cooh ）和半胱氨酸（ch2hschnh2cooh）. 然后分解出氮的化合物, 进一步分解产生简单的离子, 如nh4+、no3— 和so42-—。
有机质腐解的例子 图10.2表示有机质分解过程的周期顺序。首先，假设在土壤中没有易分解的物质，微生物的数量和活动性就会低，后来，加入充足易分解的组织，在适合的条件下，情况立即发生显著变化，土壤微生物的数量突然增加了好多倍，微生物的活动马上达到高峄，释放热量和形成大量的二氧化碳，新的有机化合物被微生物合成。凡是腐解性细菌、真菌和放线菌都旺盛活动，同时进行着有机质的分解和合成过程。有时微生物的数量可以高达土壤有机质数量的三分之一多。在微生物高活性时，甚至有机土中的有机质也遭到分解。
微生物的数量和h2o和co2 释放量
co2 和h2o的 新土
释放。 合成新的化合物 壤腐
原生组织中的化合物 殖质
微生物合成化合物
土壤腐殖质 。 旧土壤腐殖质
加入新鲜 “充分腐殖质化”
残落物 的残落物
时间
图10.2图示新鲜植物残落物加入土壤后的一般变化, 过程时间取决残落物和土壤的性质, 开始微生物的数目与 co2 和h2o迅速增加, 接着非常明显下降,土壤腐殖质增加的水平似乎不太明显。
随着易分解食物的耗尽, 微生物有机体的数目开始减少, 当微生物的细胞死亡, 它们的躯体被活的微生物再利用, 继续放出二氧化碳和水, 随着有效的食物和能量进一步减少, 微生物的活动继续减少, 土壤中经常活动的微生物数量又重新回到相对静止的阶段。这时伴随着释放硝酸盐和碳酸盐等简单的产物，有机质这时大部分保持黑色，这些异质的抗分解的胶体物质和新合成的化合物，通常称作腐殖质。
刚才所描述的这一反应，无不是酶的消耗过程，正如食物进入人的消化系统。土壤中这些酶的作用产物包括：（a）被微生物利用的能量或作为热释放的能量,(b) 二氧化碳和简单的最终产物,(c) 腐殖质。
10.4土壤有机质的能量
土壤生物消耗的植物残落物和腐殖质用作能量是相当高的, 例如,20t农厩肥5000kg干物质的施入土壤, 意味着增加10500万千焦（kj）[2500万千卡（kc）]的潜能, 这等于3t无烟煤.。含有4%有机质的土壤，每公顷耕层167500万kj（40000万kc），等于50t无烟煤或225桶石油，如果这些能量变成热量，足以将含有20%水分的土壤加热到600oc之多。
在这一消耗过程中，大部分能量作为热量释放而损失，被生物利用的只是少量的，混合堆肥温度的提高就反映了热量的消耗。
土壤能量损失的速度 在英国 洛桑试验站进行过土壤能量损失速度的测定, 经计计算不施肥的低产土壤每公顷损失的热量接近1t无烟煤, 相比之下施厩肥较高的高产土壤大约损失12t/ha, 若把这些损失的热量让土壤同时吸收, 低产土壤温度可以上升12oc, 高产土壤可以上升145oc, 即使在贫瘠的粮田热量的损失也是大得惊人。
10.5碳的循环
随着有机质的腐解, 二氧化碳是立即分解形成的产物, 碳是一切有机质的共同成分, 也是生命过程中所必需的, 它是很重要的, 因此 , 这一元素的转化被称作碳的循环, 更本质地说, 是“生物循环” 或“生命循环”，它使地球上的生命延续成为可能，这一变化的图解在图10.3中, 腐殖质和二氧化碳是这一循环相对稳定的成分。
图10.3碳的运转通常说成碳的循环, 生物或生命循环, 植物利用太阳能同化来自大气中的co2 成有机化合物, 人类和其它高等动物获得能量和和植物体组织从植物产品中, 后以垃圾或残落物返还土壤, 大生物和微生物消化这些有机物, 释放植物营养和与人类生命相关co2和相对稳定的腐殖质。ca2+、、mg2+、k+等碳酸盐和重碳酸盐被淋冼出，但最后碳又返回循环成co2的形态。全部放出到大气中的co2对植物同化又都是有效的。这一生物循环图解了碳是如何进行能量转换并使地球上的生命持续的这个焦点。
二氧化碳的释放 通过光合作用过程, 二氧化碳被高等植物同化并转化成有机化合物, 如10.3所讲的那样, 植物残体作为有机质进入士壤, 它被消化放出二氧化碳。微生物活动是土壤中二氧化碳的主要来源，虽然少量的二氧化碳是由植物根系分泌和雨水带来的。在适宜条件下，每天二氧化碳释放量为100kg/ha之多，最常见的是20一30kg。土壤中二氧化碳大部分被排到大气中，在那里被植物再利用，从而完成这一循环。
较少数量的二氧化碳在土壤中起反应，形成碳酸，形成钙、钾、镁离子的碳酸盐和重碳酸盐，重碳酸盐是易溶性的，可能被淋洗损失或被植物利用。
其它腐解的碳产物 有机质分解也产生其它含碳产物，在一些土壤里多少含些元素碳，虽然不特别重要，但其存在是有意义的。在一定条件下，可以产生少量甲烷（ch4）和二硫化碳（cs2 ）。而所有这些简单的含碳化合物中，最丰富的是co2， 对人类的健康是相当重要的。
碳的循环无所不包，它不仅包含土壤和土壤中生活的动植物区系，各种高等植物，全部的动物和人类本身在内。碳循环失调，标志着所有生命的灾难。
10．6简单的分解产物
随着土壤有机质酶促变化的进行，简单的无机产物也开始出现，和二氧化碳一齐，还有植物养分所需要的，特别是氮、硫、磷。如蛋白质被微生物分解就会形成氨基酸，那么，依次分解下去的产物有无机磷酸盐，还有阳离子如ca2+ 、mg2+ 、k+ 。这些无机（矿质）产物形成的全过程称作矿化作用。
正是因为分解释放的大多数无机离子对植物和微生物都是速效的，虽然氮和硫受到一些淋溶，但钙、铁、铝却以磷酸盐化合物的不溶态保存下来。有机组织的腐解是植物必需元素的重要来源。
随着有机质的腐解，阳离子如ca2+、k+、na+和mg2+ 释放进入土壤溶液，并被土壤胶体电荷吸附，它们以后可被释放后，被植物利用，也有一部分被水淋洗移出。
10．7腐殖质一一发生和本质
由于腐殖质被称为是异质的复杂的有机化合物的混合物, 对它我们所知晓的性质和形态是不完全的, 需要进一步研究, 但组成腐殖质的复杂的化合物不仅仅是变质的植物物质, 这些化合物的形成是通过两种生物化学反应, 分解作用和合成作用。
植物残落物化学分解的过程是被土壤微生物破碎和强烈蚀变过程，甚至木质素开裂和和变质，它们的结构单位将崩溃，一些简单的有机化合物也从腐解中产生，次生腐殖质生物化学形成过程瞬间开始，简单的化合物被变质成新的化合物单元，这都是由于土壤微生物的作用。这些新的化合物又在土壤中微生物蚀变或被微生物吞食再合成。
研究认为，存在两类化合物集合在一齐组成了腐殖质，一类是腐殖质类，另一类是非腐殖质类，下面将进行讲解。
腐殖质类 腐殖质组成了60一80%的土壤有机质，它们是由复杂的物质组成，这些复杂的物质较抗微生物的分解。腐殖质的特点是环烷构造，包括多酚（若干酚化合物联接在一齐）和多醌化合物等多种化合物，它们的形成是分解、合成和聚合作用形成的。
腐殖质无一定形状，无一定物理化学性质（如熔点），这是许多简单非腐殖质化合物的特点。它们是无定形、深色、高分子量（变幅在几百至几千）的化合物。
可溶性分组 抗变质和抗溶解于酸和碱的基本腐殖质可分为3个化学组：（a）. 黄腐酸, 分子量最小, 颜色最浅, 溶解于酸和碱, 最易被微生物腐解。（b）. 褐腐酸,, 颜色深浅中等,分子量中等, 溶于碱不溶于酸, 抗腐解性中等。（c）. 胡敏素(黑腐酸), 分子量最高, 颜色黑色, 不溶于酸碱, 抗微生物分解最强。
这里应该强调说明，虽然黄腐酸最易降解，但在土壤中还是相当稳定的，并且抵抗微生物的吞食强于新鲜的作物残落物，依环境黄腐酸在土壤中可以分解15一50年，褐腐酸在土壤中要分解几百年, 尽管物理化学作用是不同的, 这三种腐殖质组被认为有一些相似的性质, 如吸附和释放阳离子的能力, 因此, 人们认为它们应该有一个共同的名称“腐殖质”。
非腐殖质类 非腐殖类占土壤有机质的２０一３０％，非腐殖质物质不如腐殖质物质复杂和抗微生物分解，它们是具有一定物理和化学性质特殊有机化合物。其中一些非腐殖质，只有在微生物的活动下, 发生分解, 同时合成其它物质.
非腐殖质中有多糖缩合物, 具有拟糖结构, 通用式为cn(h2o)m , 这里n和m是可变的。多糖能特别有效地增加土壤团聚体的稳定性，还包括多糖醛酸甙，它在植物中没有发现，但可以被微生物合成在土壤中，并一部分被微生物吞食后成为其有机体组织的一部分，有机体死亡后，多糖醛酸甙，正如前面所说，还可以再被微生物吞食或在土壤中和其它有机质相互作用。
非腐殖质类部分是一些简单的化合物，如有机酸和一些似蛋白质物质包括在内，虽然这些简单物质不会大量存在，但它们的存在对植物养分有效性是很重要的，如氮和铁。
co2
６０一８０％
有机残落物
１００g
3一8 3一8 10一3
% % %
生物量 非腐殖质化合 复杂腐
有机体 物、多糖、多 殖质化
糖醛酸甙、酸 合物
等
腐殖质（15一35%）
图10．４图解１００g有机残落物１年后的状态，它们被混进土壤后，三分之二氧化成
ｃｏ2 , 不到三分之一保留在土壤中, 一部分被有机体保留在土壤中, 一部分被有机体保留或为大组分腐殖质
图10。4显示了来源于植物残落物有碳大约比, 它们发现在植物残落物施入土壤后的1年后的腐殖质和非腐殖质中, 这些碳的大部分作为二氧化碳返回大气, 但近三分之一保持在土壤中活的有机体中(5%)或腐殖质中。
类型的相互作用，这里不能推论，腐殖质组和非腐殖质组的反应是各自独立的，正好恰恰相反，它们之间的反应是不断的，并且通常是环环相扣, 即便是典型化合物的形成也是两类之间发生的反应, 例如, 蛋白质和其它含氮化合物的形成就是两类多种有机化合物的反应, 包括胡敏酸和多糖, 这一反应也使必需氮元素保持在土壤中, 因为形成的蛋白质、含氮化合物能够抵抗微生物对氮的吞食，没有这一抵抗，蛋白质就会很容易被分解和水解，形成水溶态nh4+ 、no3—
的形式，这些在土壤中是很容易被淋失的。
粘粒一腐殖质的结合作用 土壤中另一个稳定氮的形式是通过腐殖质和层状硅酸盐的相互作用，大家知道粘粒有吸持的物理性能
如吸持氨基酸、肽（缩氨酸）和蛋白质，形成复合体，它可以阻碍微生物降解这些含氮化合物，如蒙脱石层间复合体就有很强抵抗分解的性能。因此，粘粒和腐殖质聚合体以反和其它有机物质如多糠的结合，就相对比简单的含氮化合物更能抵抗微生物的吞食。
专一的蛋白质一粘粒链不仅有重要的作用，它在土壤中是发生在有机和无机化合物之间的作用，而且在一些情况下，甚至在没有微生物的条件下，粘粒似乎可以在一些氧化反应和聚合反应中起催化作用，而且在各种有机无机复合体中，包括酚和有机酸与硅酸盐粘粒或铁铝氧化物中的结链中有重要作用。土壤中有一半之多的有机质是通过一定途径和粘粒及其它无机成分相结合，这一结合总量是粘土高有机质含量的一部分。
腐殖质的稳定性 腐殖质不断地遭到微生物的吞食，如果没有每年植物残落物的增加，微生物的作用将会导致土壤中有机质的减少，而且腐殖质抵抗腐解的能力强于植物残落物中所发现的大多数化合物。每年都新合成一些聚合物，几月前、几年前或更早腐解形成后，就将参于每年新的聚合物的合成，对腐殖质有机碳的研究看出，数百年前形成的腐殖质仍在土壤中，显然，一些腐殖质能顽强地抵抗微生物的吞食，这种抵抗是重要的，因为它能保持土壤有机质水平，而且还有助保障氮和其它必需营养，这些都存在抗分解的腐殖质复合体结合中。
腐殖质的定义 从前面的讨论, 可看出两点事实：（a）．腐殖质是一个复杂的混合物, 而不是单一的化合物。（b）．腐这些化合物或者是由原植物组织转化而来，或是由土壤微生物将分解产物合成而来，基于这两点事实，可以对腐殖质作如下定义：腐殖质是一种复杂的、抗分解的，棕色或黑棕色的、无定形的、胶体有机物质。它是由微生物分解合成的产物，并且具有对土壤和植物有重要意义的物理化学性质。
10．8腐殖质的胶体特性.。
在笫7章对腐殖质胶体性质已进行了讲解，下面对作为土壤重要成分的重要特征作一简述：
１． 极小的胶体腐殖质颗粒（胶胞）是由碳、氢和氧组成（不外乎是酚、醌、多糖醛酸甙和多糖的形式）。
２． 腐殖质单位质量表面积很大，通常超过硅酸盐．
３． 腐殖质胶体表面带负电荷，电荷来源羟基（一ｏｈ）、羧基（一ｃｏｏｈ）或酚基（ ---oh）， 负电荷的大小取决于ph值(在高ph时高)。
４． 在高ph值时腐殖质的阳离子交换量远超过大多数硅酸盐粘粒，为(150300cmol/kg)。
５． 腐殖质单位质量的持水量是硅酸粘粒的4一5倍。
６． 腐殖质对团聚体的形成和稳定性有非常的促进作用。
７． 黑色腐殖质较土壤中其它胶体成分更为优良。
８． 腐殖质的阳离子交换反应和硅酸盐粘粒发生的阳离子交换相似。腐殖质胶体也象粘粒一样，带有大量吸附性阳离子（ca2+ 、h+ 、 mg2+ 、 k + 、na+等 ）。因此，胶态腐殖质也可用粘粒的通式来表示： 胶核 ca2+、al3+、 h+ 、 m+ 。和相同的阳离子交换反应表示方法（见7.11节）, 如前一样, 上式的m+ 表示金属阳离子, 如钾镁、钠。
腐殖质对养分有效性的影响 腐殖质能促进矿物破碎，并进而从两个方面促进养分的有效性，第一, 腐殖质能够腐蚀矿物, 并引起它们的分解, 并释放有用的盐基阳离子：
kalsi3o8+h+ 胶核 halsi3o8 + k+ 胶核
这些钾从分子态转变成吸附态, 就对高等植物较为速效了。
增加一些阳离子有效性的笫二个机制是这些离子通过形成稳定的有机无机复合体。如多糖和黄腐酸与fe3+、 cu2+ 、zn2+ 和mn2+ 形成复合体.。阳离子受矿质颗粒的吸附和矿质颗粒一齐被有机质结合并保持复合体形态，以后它们可被植物吸收或参加其它无机成分的合成。
这些例子让人想起粘粒和腐殖质间的有益作用，土壤中的这两种成分彼此结合，对许多土壤一植物关系是极为有益的。
１０．９有机化合物对高等植物的直接影响，过去一度有人想像，有机质可以被高等植物直接吸收, 但是, 这种观点后来被放弃了, 现在人们发现, 高等植物可以吸收某些有机氮化合物, 例如, 一些氨基酸和丙氨酸及乙氨酸可以被植接吸收, 但是一般土壤像这类物质有效的量对高等植物对氮的需要量的满足显得太小了。
植物吸收香草酸和其它的苯羧酸已经用放射性碳得以证实，但是这些酸在农业实践中的意义还不清楚，吸收极少量的有机化合物而产生的有益作用可以用有机化合物中存在生长激素物质来解释, 事实上, 各种生长激素化合物如维他命、氨基酸、生长素和赤霉素在有机物质腐解时能被形成，它们可以同时刺激高等植物和微生物生长。
另一方面，土壤中一些有机化合物是有害的，例如二羟基硬脂酸，该酸能够毒害高等植叨，该酸是从土壤中分离出来的。但是，这种毒害物质是在不良土壤条件产生出来的。当土壤条件改善后它也会消失，显然，良好的排水和耕作、施用石灰、肥科可以减少这些有机毒害。
10.10土壤有机质对土壤性质的影响
在讨论土壤有机质的农业实践之前, 先简要地回顾这些重要
成分对土壤性质的明显影响。
１． 影响土壤颜色一一从棕色到黑色。
２． 影响物理性质
a． 团粒形成促进。
b． 可逆性、粘结性的降低。
c． 持水性的增加。
３． 高的阳离子交换量
a． 2一30倍大于矿质胶体（单位质量）
b． 占矿质土壤吸附能力20一90%
４． 养分供给和有效性
a． 腐殖质胶体存在着易交换阳离子
b． 有机物中含有氮、磷、硫和微量元素
c． 酸性腐殖质能让矿物中释放元素。
10．11碳/氮比
已多次提到过，土壤有机质和氮素含量之间存在着密切关系。由于有机质中碳的成分很大而且比较稳定，土壤的碳氮比值稳定也不足为奇，在制定正确的土壤管理方案时，这个事实对控制有效氮、有机质总量和有机质腐解速度，并对健全土壤管理机制都是重要的。
土壤的c/n比 耕层（上部15cm）土壤有机质c/n比通常变动在8：1一15：1，中间值在10：1一12：1之间，在同一气候条件下，c/n比变化很小，至少在同样管理的土壤中是如此。c/n比的变化一般而论与气候条件相关。如干旱地区比湿润地区土壤的c/n比低，在气温大致相同条件下，如果年降雨量大致相同，那么较温暖地区的土壤，c/n比较寒冷地带的土壤为低。c/n比底土层一般较表土层为低。
植物和微生物的c/n比 植物的c/n比是不同的，豆科植物有20：1到30：1，而在厩肥和一些蒿杆残体中c/n比可高达100：1，木屑可高达400：1，微生物体的c/n比不仅很恒定，而且很低，通常在4：1一9：1之间，细菌组织中蛋白含量比真菌低，因而c/n比也较小。
很明显, 进入土壤的大多数有机残体含碳量大而全氮量则较小, 也就是说它们向c/n比是高的, 土壤的c/n比则介于高等植物和微生物之间。
10．12碳/氮比的意义
土壤中有机质c/n比是重要的有两方面的原因。（a）。具有高c/n的残余物进入土壤，能引起微生物对有效氮的竞争。（b）因为土壤中c/n比是相对稳定的，因此土壤中碳的保持一一也就是土壤有机质的保持一一在很大程度上决定于土壤氮的水平，从一个高碳物质对氮素的有效影响实际例子看以看到c/n比的重要性是十分明显的。
实际例子 假若我们对一个在一个旺盛硝化的作用条件下的耕地土壤进行观察。硝酸盐的量中等，c/n比就相对的低，从co2产生较少可以证明普通腐解微生物的活性是比较低的（见图10。5）。
10.1有机质的来源
土壤有机质来源植物组织, 在自然条件下, 树木、灌木、饲草和其它植物的上部和根部每年提供了大量有机残体，农作物也有十分之一到三分之一上部留在地面，或保留原地或混入土壤，当然所有的根仍留在土壤土。这些物质被各种类型的土壤微生物分解转化, 通过渗透和机械混合变成土层中的一部分。所以高等植物，不仅是各种土壤微生物的最初来源，也为土壤创造了稳定的成分和帮助土壤保持有机质水平。
动物通常被看作有机质的笫二大来原，它们吞食各种第一来源的植物组织，向土壤提供排泄物和生命周期结束后的躯体。动物的某些类型，尤其是蚯蚓、蜈蚣和蚂蚁，对翻动和转移植物残落物具有重要作用。
10．2植物残落物的成分
植物残体的水分含量很高, 变动在60一90%,典型数值为75%(见图10.1), 以干重为基数, 最多的是碳和氧, 氢和无机元素(灰分) 各不到10%。以无机元素为基数（原子数），则氢占优势，每3.7个碳原子和2.5个氧原子有8个氢原子。可以说这3种无素占土壤中有机质组织的绝大部分。
虽然其它元素存在量很少，但对植物营养和满足微生物体的需要都起着不可缺少的作用，必需无素如氮、硫、磷、钾、钙、和镁是特别重要的，这将以后详细讨论。
植物组织中活性有机化合物很多，而且变化大，可是它们可以分为几种类型，如图10.1。图中表明植物组织中典型的百分数和变化幅度。
糖和淀粉（1一5%）
半纤维素（10一30%）
纤维素（20一50%）
氢8% 氢8%
水溶性和
粗蛋白
（1一15%）
木质素25% 脂 肪、蜡 氧 1一8% 鞣酸1-8% 氧 氧氧
化合物类型 平均5% 氧 40%
灰分8%
木质素10-30平均25 元素成分
典型化合物
图10.1施入士壤中典型绿色植物成分, 灰分中所含无机元素包括氮素, 括号内所看的化合物百分数为一般变幅。
化合物的一般成分 碳水化合物是碳、氢、氧构成。从简单的糖到复杂的纤维素是在植物组织中常发现最显著的化合物；木质素存在较老的组织中，如茎和其它木质组织中。它们是复杂的化合物，其中有些是环状结构，木质素很抗分解。脂肪和油是比碳水化合物更复杂的化合物，比木质素少，主要发现在种子里。
蛋白质除含有碳、氧和氢一氮外，还含少量其它必需元素，如硫、镁、铜和铁，蛋白质是这些必需元素的主要来源，简单的蛋白质易分解，更复杂的粗蛋白质较抗分解。
10．3 有机化合物的分解
分解速度 有机化合分解速度有很大不同，依照它们分解的难易可列表如下：
1．糖、淀粉、和简单的蛋白质 分解快
2．粗蛋白质
3半纤维素
4纤维素
5．脂肪、腊质等
6．木质素 分解很慢
当有机组织加入土壤后，通常发生3种反应：
所有有机化合物往往是同时分解，当新鲜植物加入土壤时，糖和简单的蛋白质分解最快，后来是其它的，木质素最抗分解。
1． 大量的有机质经过酶氧化作用变成二氧化、水、能量和热量。
2． 氮、磷和硫等主要元素，通过各个元素相对专有的一系列特别反应，或被释放或被固定起来。
3． 合成难以被微生物分解的化合物，这些化合物或者是由存在植物中原来的化合物形变或者是由微生物合成的（总之，这些抗分解的化合物包括腐殖质）。
以上的这些反应有很大的实际意义，下面将讲解说明。
分解一一氧化作用过程 在好气性土壤，植物残落物的有机化合物分解可进行氧化作用，植物物质氧化部分是由大量碳和氢组成，土壤中有机质的氧化反应如下：
一 （c，4h）+2o2 氧化作用 酶 co2 +2h2 +能量
碳、氢化合物
在全部反应过程中, 包含许多中间阶段. 并且与碳 、氢以外其元素有关的副反应也同时发生。然而土壤中有机物的大多数分解的基本反应是消耗氧和释放二氧化碳。
蛋白质的分解 植物蛋白质及相关化合物，在腐解时，除产生二氧化碳和水以外还有氨基酸，如乙氨酸（ch2nh2cooh ）和半胱氨酸（ch2hschnh2cooh）. 然后分解出氮的化合物, 进一步分解产生简单的离子, 如nh4+、no3— 和so42-—。
有机质腐解的例子 图10.2表示有机质分解过程的周期顺序。首先，假设在土壤中没有易分解的物质，微生物的数量和活动性就会低，后来，加入充足易分解的组织，在适合的条件下，情况立即发生显著变化，土壤微生物的数量突然增加了好多倍，微生物的活动马上达到高峄，释放热量和形成大量的二氧化碳，新的有机化合物被微生物合成。凡是腐解性细菌、真菌和放线菌都旺盛活动，同时进行着有机质的分解和合成过程。有时微生物的数量可以高达土壤有机质数量的三分之一多。在微生物高活性时，甚至有机土中的有机质也遭到分解。
微生物的数量和h2o和co2 释放量
co2 和h2o的 新土
释放。 合成新的化合物 壤腐
原生组织中的化合物 殖质
微生物合成化合物
土壤腐殖质 。 旧土壤腐殖质
加入新鲜 “充分腐殖质化”
残落物 的残落物
时间
图10.2图示新鲜植物残落物加入土壤后的一般变化, 过程时间取决残落物和土壤的性质, 开始微生物的数目与 co2 和h2o迅速增加, 接着非常明显下降,土壤腐殖质增加的水平似乎不太明显。
随着易分解食物的耗尽, 微生物有机体的数目开始减少, 当微生物的细胞死亡, 它们的躯体被活的微生物再利用, 继续放出二氧化碳和水, 随着有效的食物和能量进一步减少, 微生物的活动继续减少, 土壤中经常活动的微生物数量又重新回到相对静止的阶段。这时伴随着释放硝酸盐和碳酸盐等简单的产物，有机质这时大部分保持黑色，这些异质的抗分解的胶体物质和新合成的化合物，通常称作腐殖质。
刚才所描述的这一反应，无不是酶的消耗过程，正如食物进入人的消化系统。土壤中这些酶的作用产物包括：（a）被微生物利用的能量或作为热释放的能量,(b) 二氧化碳和简单的最终产物,(c) 腐殖质。
10.4土壤有机质的能量
土壤生物消耗的植物残落物和腐殖质用作能量是相当高的, 例如,20t农厩肥5000kg干物质的施入土壤, 意味着增加10500万千焦（kj）[2500万千卡（kc）]的潜能, 这等于3t无烟煤.。含有4%有机质的土壤，每公顷耕层167500万kj（40000万kc），等于50t无烟煤或225桶石油，如果这些能量变成热量，足以将含有20%水分的土壤加热到600oc之多。
在这一消耗过程中，大部分能量作为热量释放而损失，被生物利用的只是少量的，混合堆肥温度的提高就反映了热量的消耗。
土壤能量损失的速度 在英国 洛桑试验站进行过土壤能量损失速度的测定, 经计计算不施肥的低产土壤每公顷损失的热量接近1t无烟煤, 相比之下施厩肥较高的高产土壤大约损失12t/ha, 若把这些损失的热量让土壤同时吸收, 低产土壤温度可以上升12oc, 高产土壤可以上升145oc, 即使在贫瘠的粮田热量的损失也是大得惊人。
10.5碳的循环
随着有机质的腐解, 二氧化碳是立即分解形成的产物, 碳是一切有机质的共同成分, 也是生命过程中所必需的, 它是很重要的, 因此 , 这一元素的转化被称作碳的循环, 更本质地说, 是“生物循环” 或“生命循环”，它使地球上的生命延续成为可能，这一变化的图解在图10.3中, 腐殖质和二氧化碳是这一循环相对稳定的成分。
图10.3碳的运转通常说成碳的循环, 生物或生命循环, 植物利用太阳能同化来自大气中的co2 成有机化合物, 人类和其它高等动物获得能量和和植物体组织从植物产品中, 后以垃圾或残落物返还土壤, 大生物和微生物消化这些有机物, 释放植物营养和与人类生命相关co2和相对稳定的腐殖质。ca2+、、mg2+、k+等碳酸盐和重碳酸盐被淋冼出，但最后碳又返回循环成co2的形态。全部放出到大气中的co2对植物同化又都是有效的。这一生物循环图解了碳是如何进行能量转换并使地球上的生命持续的这个焦点。
二氧化碳的释放 通过光合作用过程, 二氧化碳被高等植物同化并转化成有机化合物, 如10.3所讲的那样, 植物残体作为有机质进入士壤, 它被消化放出二氧化碳。微生物活动是土壤中二氧化碳的主要来源，虽然少量的二氧化碳是由植物根系分泌和雨水带来的。在适宜条件下，每天二氧化碳释放量为100kg/ha之多，最常见的是20一30kg。土壤中二氧化碳大部分被排到大气中，在那里被植物再利用，从而完成这一循环。
较少数量的二氧化碳在土壤中起反应，形成碳酸，形成钙、钾、镁离子的碳酸盐和重碳酸盐，重碳酸盐是易溶性的，可能被淋洗损失或被植物利用。
其它腐解的碳产物 有机质分解也产生其它含碳产物，在一些土壤里多少含些元素碳，虽然不特别重要，但其存在是有意义的。在一定条件下，可以产生少量甲烷（ch4）和二硫化碳（cs2 ）。而所有这些简单的含碳化合物中，最丰富的是co2， 对人类的健康是相当重要的。
碳的循环无所不包，它不仅包含土壤和土壤中生活的动植物区系，各种高等植物，全部的动物和人类本身在内。碳循环失调，标志着所有生命的灾难。
10．6简单的分解产物
随着土壤有机质酶促变化的进行，简单的无机产物也开始出现，和二氧化碳一齐，还有植物养分所需要的，特别是氮、硫、磷。如蛋白质被微生物分解就会形成氨基酸，那么，依次分解下去的产物有无机磷酸盐，还有阳离子如ca2+ 、mg2+ 、k+ 。这些无机（矿质）产物形成的全过程称作矿化作用。
正是因为分解释放的大多数无机离子对植物和微生物都是速效的，虽然氮和硫受到一些淋溶，但钙、铁、铝却以磷酸盐化合物的不溶态保存下来。有机组织的腐解是植物必需元素的重要来源。
随着有机质的腐解，阳离子如ca2+、k+、na+和mg2+ 释放进入土壤溶液，并被土壤胶体电荷吸附，它们以后可被释放后，被植物利用，也有一部分被水淋洗移出。
10．7腐殖质一一发生和本质
由于腐殖质被称为是异质的复杂的有机化合物的混合物, 对它我们所知晓的性质和形态是不完全的, 需要进一步研究, 但组成腐殖质的复杂的化合物不仅仅是变质的植物物质, 这些化合物的形成是通过两种生物化学反应, 分解作用和合成作用。
植物残落物化学分解的过程是被土壤微生物破碎和强烈蚀变过程，甚至木质素开裂和和变质，它们的结构单位将崩溃，一些简单的有机化合物也从腐解中产生，次生腐殖质生物化学形成过程瞬间开始，简单的化合物被变质成新的化合物单元，这都是由于土壤微生物的作用。这些新的化合物又在土壤中微生物蚀变或被微生物吞食再合成。
研究认为，存在两类化合物集合在一齐组成了腐殖质，一类是腐殖质类，另一类是非腐殖质类，下面将进行讲解。
腐殖质类 腐殖质组成了60一80%的土壤有机质，它们是由复杂的物质组成，这些复杂的物质较抗微生物的分解。腐殖质的特点是环烷构造，包括多酚（若干酚化合物联接在一齐）和多醌化合物等多种化合物，它们的形成是分解、合成和聚合作用形成的。
腐殖质无一定形状，无一定物理化学性质（如熔点），这是许多简单非腐殖质化合物的特点。它们是无定形、深色、高分子量（变幅在几百至几千）的化合物。
可溶性分组 抗变质和抗溶解于酸和碱的基本腐殖质可分为3个化学组：（a）. 黄腐酸, 分子量最小, 颜色最浅, 溶解于酸和碱, 最易被微生物腐解。（b）. 褐腐酸,, 颜色深浅中等,分子量中等, 溶于碱不溶于酸, 抗腐解性中等。（c）. 胡敏素(黑腐酸), 分子量最高, 颜色黑色, 不溶于酸碱, 抗微生物分解最强。
这里应该强调说明，虽然黄腐酸最易降解，但在土壤中还是相当稳定的，并且抵抗微生物的吞食强于新鲜的作物残落物，依环境黄腐酸在土壤中可以分解15一50年，褐腐酸在土壤中要分解几百年, 尽管物理化学作用是不同的, 这三种腐殖质组被认为有一些相似的性质, 如吸附和释放阳离子的能力, 因此, 人们认为它们应该有一个共同的名称“腐殖质”。
非腐殖质类 非腐殖类占土壤有机质的２０一３０％，非腐殖质物质不如腐殖质物质复杂和抗微生物分解，它们是具有一定物理和化学性质特殊有机化合物。其中一些非腐殖质，只有在微生物的活动下, 发生分解, 同时合成其它物质.
非腐殖质中有多糖缩合物, 具有拟糖结构, 通用式为cn(h2o)m , 这里n和m是可变的。多糖能特别有效地增加土壤团聚体的稳定性，还包括多糖醛酸甙，它在植物中没有发现，但可以被微生物合成在土壤中，并一部分被微生物吞食后成为其有机体组织的一部分，有机体死亡后，多糖醛酸甙，正如前面所说，还可以再被微生物吞食或在土壤中和其它有机质相互作用。
非腐殖质类部分是一些简单的化合物，如有机酸和一些似蛋白质物质包括在内，虽然这些简单物质不会大量存在，但它们的存在对植物养分有效性是很重要的，如氮和铁。
co2
６０一８０％
有机残落物
１００g
3一8 3一8 10一3
% % %
生物量 非腐殖质化合 复杂腐
有机体 物、多糖、多 殖质化
糖醛酸甙、酸 合物
等
腐殖质（15一35%）
图10．４图解１００g有机残落物１年后的状态，它们被混进土壤后，三分之二氧化成
ｃｏ2 , 不到三分之一保留在土壤中, 一部分被有机体保留在土壤中, 一部分被有机体保留或为大组分腐殖质
图10。4显示了来源于植物残落物有碳大约比, 它们发现在植物残落物施入土壤后的1年后的腐殖质和非腐殖质中, 这些碳的大部分作为二氧化碳返回大气, 但近三分之一保持在土壤中活的有机体中(5%)或腐殖质中。
类型的相互作用，这里不能推论，腐殖质组和非腐殖质组的反应是各自独立的，正好恰恰相反，它们之间的反应是不断的，并且通常是环环相扣, 即便是典型化合物的形成也是两类之间发生的反应, 例如, 蛋白质和其它含氮化合物的形成就是两类多种有机化合物的反应, 包括胡敏酸和多糖, 这一反应也使必需氮元素保持在土壤中, 因为形成的蛋白质、含氮化合物能够抵抗微生物对氮的吞食，没有这一抵抗，蛋白质就会很容易被分解和水解，形成水溶态nh4+ 、no3—
的形式，这些在土壤中是很容易被淋失的。
粘粒一腐殖质的结合作用 土壤中另一个稳定氮的形式是通过腐殖质和层状硅酸盐的相互作用，大家知道粘粒有吸持的物理性能
如吸持氨基酸、肽（缩氨酸）和蛋白质，形成复合体，它可以阻碍微生物降解这些含氮化合物，如蒙脱石层间复合体就有很强抵抗分解的性能。因此，粘粒和腐殖质聚合体以反和其它有机物质如多糠的结合，就相对比简单的含氮化合物更能抵抗微生物的吞食。
专一的蛋白质一粘粒链不仅有重要的作用，它在土壤中是发生在有机和无机化合物之间的作用，而且在一些情况下，甚至在没有微生物的条件下，粘粒似乎可以在一些氧化反应和聚合反应中起催化作用，而且在各种有机无机复合体中，包括酚和有机酸与硅酸盐粘粒或铁铝氧化物中的结链中有重要作用。土壤中有一半之多的有机质是通过一定途径和粘粒及其它无机成分相结合，这一结合总量是粘土高有机质含量的一部分。
腐殖质的稳定性 腐殖质不断地遭到微生物的吞食，如果没有每年植物残落物的增加，微生物的作用将会导致土壤中有机质的减少，而且腐殖质抵抗腐解的能力强于植物残落物中所发现的大多数化合物。每年都新合成一些聚合物，几月前、几年前或更早腐解形成后，就将参于每年新的聚合物的合成，对腐殖质有机碳的研究看出，数百年前形成的腐殖质仍在土壤中，显然，一些腐殖质能顽强地抵抗微生物的吞食，这种抵抗是重要的，因为它能保持土壤有机质水平，而且还有助保障氮和其它必需营养，这些都存在抗分解的腐殖质复合体结合中。
腐殖质的定义 从前面的讨论, 可看出两点事实：（a）．腐殖质是一个复杂的混合物, 而不是单一的化合物。（b）．腐这些化合物或者是由原植物组织转化而来，或是由土壤微生物将分解产物合成而来，基于这两点事实，可以对腐殖质作如下定义：腐殖质是一种复杂的、抗分解的，棕色或黑棕色的、无定形的、胶体有机物质。它是由微生物分解合成的产物，并且具有对土壤和植物有重要意义的物理化学性质。
10．8腐殖质的胶体特性.。
在笫7章对腐殖质胶体性质已进行了讲解，下面对作为土壤重要成分的重要特征作一简述：
１． 极小的胶体腐殖质颗粒（胶胞）是由碳、氢和氧组成（不外乎是酚、醌、多糖醛酸甙和多糖的形式）。
２． 腐殖质单位质量表面积很大，通常超过硅酸盐．
３． 腐殖质胶体表面带负电荷，电荷来源羟基（一ｏｈ）、羧基（一ｃｏｏｈ）或酚基（ ---oh）， 负电荷的大小取决于ph值(在高ph时高)。
４． 在高ph值时腐殖质的阳离子交换量远超过大多数硅酸盐粘粒，为(150300cmol/kg)。
５． 腐殖质单位质量的持水量是硅酸粘粒的4一5倍。
６． 腐殖质对团聚体的形成和稳定性有非常的促进作用。
７． 黑色腐殖质较土壤中其它胶体成分更为优良。
８． 腐殖质的阳离子交换反应和硅酸盐粘粒发生的阳离子交换相似。腐殖质胶体也象粘粒一样，带有大量吸附性阳离子（ca2+ 、h+ 、 mg2+ 、 k + 、na+等 ）。因此，胶态腐殖质也可用粘粒的通式来表示： 胶核 ca2+、al3+、 h+ 、 m+ 。和相同的阳离子交换反应表示方法（见7.11节）, 如前一样, 上式的m+ 表示金属阳离子, 如钾镁、钠。
腐殖质对养分有效性的影响 腐殖质能促进矿物破碎，并进而从两个方面促进养分的有效性，第一, 腐殖质能够腐蚀矿物, 并引起它们的分解, 并释放有用的盐基阳离子：
kalsi3o8+h+ 胶核 halsi3o8 + k+ 胶核
这些钾从分子态转变成吸附态, 就对高等植物较为速效了。
增加一些阳离子有效性的笫二个机制是这些离子通过形成稳定的有机无机复合体。如多糖和黄腐酸与fe3+、 cu2+ 、zn2+ 和mn2+ 形成复合体.。阳离子受矿质颗粒的吸附和矿质颗粒一齐被有机质结合并保持复合体形态，以后它们可被植物吸收或参加其它无机成分的合成。
这些例子让人想起粘粒和腐殖质间的有益作用，土壤中的这两种成分彼此结合，对许多土壤一植物关系是极为有益的。
１０．９有机化合物对高等植物的直接影响，过去一度有人想像，有机质可以被高等植物直接吸收, 但是, 这种观点后来被放弃了, 现在人们发现, 高等植物可以吸收某些有机氮化合物, 例如, 一些氨基酸和丙氨酸及乙氨酸可以被植接吸收, 但是一般土壤像这类物质有效的量对高等植物对氮的需要量的满足显得太小了。
植物吸收香草酸和其它的苯羧酸已经用放射性碳得以证实，但是这些酸在农业实践中的意义还不清楚，吸收极少量的有机化合物而产生的有益作用可以用有机化合物中存在生长激素物质来解释, 事实上, 各种生长激素化合物如维他命、氨基酸、生长素和赤霉素在有机物质腐解时能被形成，它们可以同时刺激高等植物和微生物生长。
另一方面，土壤中一些有机化合物是有害的，例如二羟基硬脂酸，该酸能够毒害高等植叨，该酸是从土壤中分离出来的。但是，这种毒害物质是在不良土壤条件产生出来的。当土壤条件改善后它也会消失，显然，良好的排水和耕作、施用石灰、肥科可以减少这些有机毒害。
10.10土壤有机质对土壤性质的影响
在讨论土壤有机质的农业实践之前, 先简要地回顾这些重要
成分对土壤性质的明显影响。
１． 影响土壤颜色一一从棕色到黑色。
２． 影响物理性质
a． 团粒形成促进。
b． 可逆性、粘结性的降低。
c． 持水性的增加。
３． 高的阳离子交换量
a． 2一30倍大于矿质胶体（单位质量）
b． 占矿质土壤吸附能力20一90%
４． 养分供给和有效性
a． 腐殖质胶体存在着易交换阳离子
b． 有机物中含有氮、磷、硫和微量元素
c． 酸性腐殖质能让矿物中释放元素。
10．11碳/氮比
已多次提到过，土壤有机质和氮素含量之间存在着密切关系。由于有机质中碳的成分很大而且比较稳定，土壤的碳氮比值稳定也不足为奇，在制定正确的土壤管理方案时，这个事实对控制有效氮、有机质总量和有机质腐解速度，并对健全土壤管理机制都是重要的。
土壤的c/n比 耕层（上部15cm）土壤有机质c/n比通常变动在8：1一15：1，中间值在10：1一12：1之间，在同一气候条件下，c/n比变化很小，至少在同样管理的土壤中是如此。c/n比的变化一般而论与气候条件相关。如干旱地区比湿润地区土壤的c/n比低，在气温大致相同条件下，如果年降雨量大致相同，那么较温暖地区的土壤，c/n比较寒冷地带的土壤为低。c/n比底土层一般较表土层为低。
植物和微生物的c/n比 植物的c/n比是不同的，豆科植物有20：1到30：1，而在厩肥和一些蒿杆残体中c/n比可高达100：1，木屑可高达400：1，微生物体的c/n比不仅很恒定，而且很低，通常在4：1一9：1之间，细菌组织中蛋白含量比真菌低，因而c/n比也较小。
很明显, 进入土壤的大多数有机残体含碳量大而全氮量则较小, 也就是说它们向c/n比是高的, 土壤的c/n比则介于高等植物和微生物之间。
10．12碳/氮比的意义
土壤中有机质c/n比是重要的有两方面的原因。（a）。具有高c/n的残余物进入土壤，能引起微生物对有效氮的竞争。（b）因为土壤中c/n比是相对稳定的，因此土壤中碳的保持一一也就是土壤有机质的保持一一在很大程度上决定于土壤氮的水平，从一个高碳物质对氮素的有效影响实际例子看以看到c/n比的重要性是十分明显的。
实际例子 假若我们对一个在一个旺盛硝化的作用条件下的耕地土壤进行观察。硝酸盐的量中等，c/n比就相对的低，从co2产生较少可以证明普通腐解微生物的活性是比较低的（见图10。5）。