土壤有机碳专述

土壤有机碳

土壤有机碳专述

土壤有机碳是指各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质。

包括土壤中各种动、植物残体,微生物体及其分解和合成的各种有机物质

土壤有机碳一般主要是指有机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。(腐殖质)有机碳本身就是养分的储藏库,同时深刻地影响土壤的物理、化学和生物学性质。假设某一土壤表土有机质含量4%,有机质氮含量5%,一季作物中有机质分解率2%,则土壤有机质供应之氮可达80kg/公顷,此供应量几乎可满足大部分作物之需求量,据估算,1%的土壤有机碳相当于含有18公斤养分/亩。

同时有研究表明,土壤中的有机碳从2%降低到1.5%,土壤的保肥能力将下降14%。

此外,土壤有机碳深刻影响水分的存储。一英亩大、一英寸厚、含2%有机碳的土壤储水量可达12.1万升,含量5%和8%的土壤分别可储水30.3万和48.5万升。研究表明,土壤有机碳从1%升到3%,土壤的保水能力增加6倍。

当然,土壤有机碳也深刻影响着土壤的质地和结构。丰富的有机碳下,土壤可以形成稳定的大量的有机无机复合体,具有良好的土壤结构,不仅抗土壤侵蚀,也为根系提供理想的水分和空气条件。

最主要的是,土壤有机碳是土壤中各种大大小小生物的碳源和能源。丰富的有机碳下,土壤中自然形成庞大的食物网,构建健康的生态系统,这个庞大的生态系统是土壤活力的来源,从养分转化直到病虫害控制,都起着极为重要的作用。

一、土壤有机碳的来源

土壤有机碳的来源:微生物、动物来源、植物来源、人为施入的有机碳

自然土壤:地面植被残落物和根系是土壤有机碳的主要来源,如树木、灌木、草类及其残落物,每年都向土壤提供大量有机残体。

不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大:热带雨林下仅凋落物干物质量即达16700Kg/公顷*年;荒漠植物群落的凋落物干物质量仅为530Kg/公顷*年。

土壤的有机碳来源:作物的根茎、还田的秸秆和翻压绿肥、人畜粪尿、城市生活垃圾、污水、土壤微生物、动物的遗体及分泌物(如蚯蚓、昆虫等)

二、有机碳的含量及组成

一、有机碳含量

一般含量在0~5%之间,泥炭土可高达20%或30%以上,壤土和沙壤土不足0.5%

有机土壤:有机碳含量>20%;矿质土壤:有机碳含量<20%

二、有机碳的组成

1、存在形态

动植物残体(新鲜)、半分解的动植物残体、腐殖质

2、化学元素组成

土壤有机碳的基本组成是C、H、O、N。C:52%~58%;H:3.3%~4.8%;O:34%~39%;N:3.7%~4.1%

3、化合物组成

腐殖物质:60%~80%;非腐殖物质:20%~40%。常见的化合物:糖类、有机酸、醛、醇、酮、纤维素、半纤维素、木质素、脂类、蛋白质

三、土壤有机碳的转化

1、有机碳在土壤肥力上的作用

(1)提供植物需要的养分

直接提供:土壤有机碳是植物所需的氮、磷、硫、微量元素等各种养分的主要来源。间接作用:多种有机酸和腐植酸对土壤矿质部分有一定的溶解能力,可以促进矿物风化,有利于某些养料的有效化。一些与有机酸和富里酸络合的金属离子可以保留于土壤溶液中不致沉淀而增加有效性。

(2)改善土壤性质

物理性质:土壤团聚体的形成过程和稳定性方面起着重要作用。

改善土壤结构,使土壤的透水性、蓄水性、通气性以及根系的生长环境有所改变。腐殖物质具有巨大的比表面积和亲水基团,吸水量是黏土物质的5倍,能改善土壤有效持水量,使得更多的水能为作物所利用。

颜色与热性质:由于腐殖质是一种深色的物质,深色土壤吸热快,同样日照条件下,其土温相对较高。

化学性质:土壤中养料含量与保肥能力;在酸性土壤中,有机碳通过与单体铝的复合,降低土壤交换性铝的含量,总而减轻铝的毒害。

养分的有效性:如增加土壤中磷的有效性和提高磷肥的利用率、增加土壤微量元素的有效性。提高土壤腐殖物质含量,就增强土壤对酸碱度变化的缓冲性能。

生物性质:土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源,没有土壤有机碳则不会有土壤中所有生物化学过程。蚯蚓通过掘洞、消化有机碳、排泄粪便等直接改变土壤微生物和植物的生存环境。通过刺激微生物和动物的活动还能增加土壤酶的活性,从而直接影响土壤养分转化的生物化学过程。

腐植酸被证明是一类生理活性物质,它能加速种子发芽,增强根系活力,促进作物生长。对土壤微生物而言,腐植酸也是一种促进其生长发育的生理活性物质。

2、有机碳在生态环境上的作用

(1)有机碳与重金属离子的作用。土壤腐殖物质含有多种功能基,这些功能基对重金属离子有较强的络合和富集能力。

(2)有机物质对农药等有机污染物的固定作用。土壤有机碳对农药等有机污染物有强烈的亲和力,对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。

可溶性腐殖物质能增加农药从土壤向地下水的迁移,能更有效地迁移农药和其他有机物质。腐殖物质还能作为还原剂而改变农药的结构、活性、降低毒性。

3、增加土壤有机碳的途径

(1)施用矿源有机高碳肥提高土壤有机碳含量使其中的有益菌大量繁殖,形成优势菌群,抑制了致病菌的繁殖和活动,达到了生物防治作物土传病害的作用,矿源有机高碳肥高效调节土壤营养失衡,土壤酸化,土壤次生盐碱化,减少土壤有害物质积累,土壤微生物种群多样性和功能退化等一系列土壤病。使养分更充足、补给更合理,从而避免了作物因土壤酸化盐碱化或缺少元素而造成的各种生理性病害的发生,使作物株型更旺盛叶色更浓绿,增强作物抗逆性能,使作物抗寒抗旱,抗病能力明显增强。

四、总结

1、有机碳含量决定土壤类型

土壤有机碳的含量在不同土壤中差异很大,含量高的可达20%或30%以上(如泥炭土,东北黑土地等),含量低的不足1%或0.5%(如荒漠土和风沙土等)。在土壤学中,一般把耕作层中含有机碳20%以上的土壤称为有机质土壤,含有机碳在20%以下的土壤称为矿质土壤。一般情况下,耕作层土壤有机碳含量通常在5%以上。

2、土壤有机碳的存在状态

进入土壤中的有机碳一般以三种类型状态存在。新鲜的有机物:指那些进入土壤中尚未被微生物分解的动、植物残体。它们仍保留着原有的形态等特征。分解的有机物:经微生物的分解,已使进入土壤中的动、植物残体失去了原有的形态等特征。有机碳已部分分解,并且相互缠结,呈褐色。包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。腐殖质:指有机碳经过微生物分解后并再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质。与土壤矿物质土粒紧密结合,是土壤有机碳存在的主要形态类型,占土壤有机质总量的85~90%。

3、土壤有机碳需要微生物转化

土壤有机碳的微生物转化过程是土壤有机质转化的最重要的,最积极的进程。

(1)微生物对含氮的有机物转化

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。

水解过程:蛋白质在微生物所分泌的蛋白质水解酶的作用下,分解成为简单的氨基酸类含氮化合物。氨化过程:蛋白质水解生成的氨基酸在多种微生物及其分泌酶的作用下,产生氨的过程。硝化过程:在通气良好的情况下,氨化作用产生的氨在土壤微生物的作用下,可经过亚硝酸的中间阶段,进一步氧化成硝酸,这个由氨经微生物作用氧化成硝酸的作用叫做硝化作用。将硝酸盐转化成亚硝酸盐的作用称为亚硝化作用。反硝化过程:硝态氮在土壤通气不良情况下,还原成气态氮(N2O和N2),这种生化反应称为反硝化作用。

(2)微生物对含磷有机物的转化。土壤中有机态的磷经微生物作用,分解为无机态可溶性物质后,才能被植物吸收利用。土壤中表层有20%~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。

(3)微生物对含硫有机物的转化。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。硫化氢在通气良好的条件下,在硫细菌的作用下氧化成硫酸,并和土壤中的盐基离子生成硫酸盐,不仅消除硫化氢的毒害作用,而且能成为植物易吸收的硫素养分。

据估计,进入土壤的有机残体经过一年降解后,2/3以上的有机碳的二氧化碳的形式释放而损失,残留在土壤中的有机碳不到1/3,其中土壤微生物量占3%~8%,多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖质物质占3%~8%,腐殖质占10%~30%。植物根系在土壤中的年残留量比其他地上部分稍高一些。


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