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土壤礦物質的化學組成土壤有機質

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土壤礦物質的化學組成


土壤礦物質的化學組成很復雜,幾乎包括地殼中所有的元素。其中,氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀、鈦、碳10種元素占土壤礦物質總重量的99%以上,這些元素中以氧、硅、鋁、鐵4種元素含量最多。如以氧化物的形態來表示,SiO2、Al2O3和Fe2O3三者之和通常占土壤礦物質部分總重量的75%以上。因此人們常把它們看成為土壤的骨干成分。


第三節 土壤有機質

多肉植物種植土,


? 一、土壤有機質


在土壤固相組成中,除了礦物質之外,就是土壤有機質,它是土壤肥力的重要物質基礎。土壤有機質泛指土壤中來源于生命的物質,其含量因土壤類型不同而差異很大,高的可達20%以上,低的不足0.5%。耕層土壤有機質含量通常在5%以下,東北地區新墾耕地可超過5%。土壤有機質含量雖然很少,但在土壤肥力上的作用卻很大,它不僅含有各種營養元素,而且還是土壤微生物生命活動的能源。此外,它對土壤水、氣、熱等肥力因素的調節,對土壤理化性質及耕性的改善都有明顯的作用。


1.土壤有機質的來源及存在形態


自然土壤的有機質主要來源于生長在土壤上的高等綠色植物(包括地上部分和地下的根系),其含量達80%以上,植物殘體中干物質約占25%,其元素組成中,碳占44%,氧占40%,氫占8%,此外,N、P、K、Ca、Si、Fe、Zu、B、Mo和Mn等只占8%。其次是生活在土壤中的動物和微生物。


農業土壤有機質的重要來源是每年施用的有機肥料和每年作物的殘茬和根系以及根系分泌物。


通過各種途徑進入土壤中的有機質,不斷被土壤微生物分解,所以土壤有機質一般呈3種形態。


(1)新鮮有機質 指土壤中未分解的動、植物殘體。


(2)半分解的有機質 有機質已被微生物分解,多呈分散的暗黑色小塊。


(3)腐殖質 指有機殘體在土壤腐殖質化的過程中形成的一類褐色或暗褐色的高分子有機化合物。腐殖質與礦物質土粒緊密結合,不能用機械方法分離。它是土壤有機質中最主要的一種形態,占有機質總量的85%~90%,對土壤物理、化學、生物學性質都有良好作用。通常把土壤腐殖質含量高低作為衡量土壤肥力水平的主要標志之一。


2.土壤有機質的組成和性質


土壤有機質的化學組成和各組分的含量,因植物種類、器官、年齡等的不同而有很大差異。主要有以下5類有機化合物:


(1)糖類化合物 包括單糖、雙糖和多糖類,它是廣泛的分布在植物中的一類化合物。單糖在水中溶解度很大,在植物殘體被分散時,能被水淋洗流失。這類化合物被分解后產生CO2、H2O;在氧氣不足的條件下,產生有機酸,甚至產生H2及CH4等還原性的有毒物質。


(2)纖維素和半纖維素 纖維素用較強的酸或堿溶液處理才能水解,半纖維素在稀酸或稀堿溶液下處理即可水解。它們均能被微生物分解。


(3)木質素 木質素是復雜的有機化合物,不容易被細菌和化學物質分解,但在土壤中可不斷地被真菌、放線菌分解。


(4)含氮化合物 有機態含氮化合物主要為蛋白質,各種蛋白質經水解后,一般可產生多種不同的氨基酸,少部分比較簡單而可溶性的氨基酸,可為微生物直接吸收,但是大部分含氮化合物是需要經過微生物分解后,才能被利用。


(5)脂肪、樹脂、蠟質和單寧 這類有機化合物屬于復雜的化合物,不溶于水,而溶于醇、醚及苯中。在土壤中,這類物質抵抗化學分解和細菌的分解的能力比較強。


此外,有機質中還含有一些灰分元素,如Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn等,還有少量的I、Zn、B、F等。植物殘體經過灼燒后而殘留下來的元素,稱灰分物質。這些元素在生物的生活中起著巨大作用。


3.土壤有機質的轉化過程


土壤有機質的轉化過程主要是生物化學過程。土壤有機質在微生物的作用下,向著兩個方向轉化,即有機質礦質化和有機質腐殖質化。這兩個過程既是相互對立的,又是相互聯系的,隨著土壤中環境條件的改變而相互轉化。它們對土壤肥力都有貢獻。前者是有機質中的養分釋放過程,后者是土壤腐殖質的形成過程。


(1)有機質的礦化過程 土壤有機質的礦質化過程是指有機質在微生物作用下,分解為簡單無機化合物的過程,其最終產物為CO2、H2O等,而N、P、S等以礦質鹽類釋放出來,同時放出熱量,為植物和微生物提供養分和能量。該過程也為形成土壤腐殖質提供物質來源。


①糖類化合物的轉化。多糖類化合物首先通過酶的作用,水解成為單糖,單糖再進一步分解成為更簡單的物質。


在通氣良好條件下,分解迅速,最后產物為CO2和H2O,并放出能量。在通氣不太好(半厭氣)條件下,分解較緩慢,往往產生有機酶的積累。在通氣極端不良(完全厭氣)條件下,分解極慢,最后產物為還原性物質,如CH4、H2等。


②含氮有機質的轉化。土壤中含N有機物只有一小部分是水溶性的,絕大部分是呈復雜的蛋白質、腐殖質以及生物堿等形態存在?,F以蛋白質為例,說明含N有機質的轉化:


第一步 水解作用:在微生物好氣和厭氣細菌分泌的蛋白水解酶作用下,水解成氨基酸。


蛋白質→水解蛋白質→消化蛋白質→多縮氨基酸(或多肽)→氨基酸


第二步 氨化作用:借助水解作用、氧化作用和還原作用。將胺態氮(NH2—N)轉化為銨態氮(?—N)。氨化作用在好氧和厭氧條件下均可進行。


第三步 硝化作用:在通氣良好條件下,銨態氮通過亞硝化細菌和硝化細菌的相繼作用,逐級轉化成亞硝酸態氮(?—N)和硝酸態氮(?—N)。


在某些條件下,還可通過反硝化細菌的作用,將土壤中?—N變成NO2、NO或游離N2而逸散于大氣中,這一過程稱為反硝化過程。


出現反硝化過程的條件是:a.通氣不良。b.土壤中有硝酸鹽存在。c.土壤中有大量碳水化合物。d.適宜的pH, pH7.0~8.2。反硝化過程是造成氮損失的途徑之一,應加以控制。


③含磷、含硫有機化合物的轉化。土壤中的磷絕大部分是以植物不能直接利用的難溶性無機和有機狀態存在的。有機態的磷、硫只能經過微生物分解成為無機的、可溶性的物質后,才能被植物所吸收利用。


含磷有機化合物的轉化 磷主要存在于核蛋白、核酸、磷脂和植素等有機化合物中,它們在土壤酶的作用下,逐漸把磷釋放出來,以磷酸形態被植物吸收利用。在厭氧條件下,常常引起磷酸還原,產生亞磷酸和次磷酸。在有機質豐富和通氣不良的情況下,將進一步被還原成磷化氫,而危害作物生長。


含硫有機化合物的轉化 硫主要存在于蛋白質類物質中,在土壤酶的作用下,含硫的有機化合物先分解成含硫的氨基酸,然后再以硫化氫的形態分離出來,硫化氫在硫細菌作用下,氧化成硫酸,后者再與土壤中的鹽作用形成硫酸鹽類,并為植物所吸收利用。


在通氣不良情況下,發生反硫化作用,將H2SO4轉化為H2S,使硫損失。存在于土壤有機質中的微量元素,也隨著上述相似的轉化過程被釋放出來??傊?,存在于復雜有機質中的植物營養元素,必須經過上述的生物化學過程才能得到釋放,被植物吸收利用。這些過程進行的具體情況取決于土壤的組成、pH、Eh和土壤的水、氣、熱狀況。土壤的條件不同,植物營養元素在土壤中轉化的特點也有差異,要善于根據具體情況,具體分析。


(2)土壤有機質的腐殖化過程 有機質腐殖化過程是形成土壤腐殖質的過程。它是一系列極其復雜過程的總稱。關于腐殖化過程,尚未研究得十分清楚,目前多傾向于蘇聯學者柯諾諾娃的看法,認為腐殖化過程分兩個階段:第一階段是在有機殘體分解中形成腐殖質分子的基本成分,如多元酚、含氮有機化合物(如氨基酸)等;第二階段是在各種微生物群(細菌、霉菌、鏈霉菌等)分泌的酚氧化酶作用下,把多元酚氧化成醌。


上述反應的產物是形成腐殖質分子的基礎,在不同條件下這些簡單的產物再進一步縮合,形成分子大小不等的腐殖質。在農業土壤中,腐殖質分子的大小與熟化程度有關,熟化程度愈高,分子愈復雜、愈大。腐殖質形成的生物學過程可用圖2-1表示:


腐殖質形成后比較難分解,在不改變其形成條件下具有相當的穩定性。但是當形成條件變化后,微生物群也發生改變,新的微生物群將引起腐殖質的分解,并將其貯藏的營養物質釋放出來為植物利用。所以,腐殖質的形成和分解與土壤肥力都有密切的關系。因此協調和控制這兩種作用,是農業生產中的重要問題。


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