土壤有机质

土壤有机质是指土壤中含碳的有机化合物。土壤中有机质的来源十分广泛。土壤有机质可分成腐殖质和非腐殖质。微生物是土壤有机质的最早来源。

土壤有机质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，某些肥沃的森林土壤等)，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质20%以上的土壤称为有机质土壤，含有机质在20%以下的土壤称为矿质土壤。一般情况下，耕作层土壤有机质含量通常在5%以上。有机质的含碳量平均为58%，所以土壤有机质的含量大致是有机碳含量的1.724倍。

类型

土壤有机质提升进入土壤中的有机质一般以三种类型状态存在。

(1)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。对森林土壤而言，一般指枯凋落物的L层(Litter)。相当于土壤剖面形态记述中的A。。层。

(2)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。有机质已部分分解，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。对森林土壤而言，一般指枯凋落物层中的F层(Fermetation)。此层一般在土壤剖面形态记述中为A。层

(3)腐殖质:指有机质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，是土壤有机质存在的主要形态类型，占土壤有机质总量的85-90%。对森林土壤而言，一般指枯落物层中H层(Humus)。在土壤剖面形态记述中，通常与上述的F层共同记为A。层。

土壤有机质的组成决定于进入土壤的有机物质的组成，进入土壤的有机物质的组成相当复杂。各种动、植物残体的化学成分和含量因动、植物种类、器官、年龄等不同而有很大的差异。一般情况下，动植物残体主要的有机化合物有碳水化合物、木素、蛋白质、树脂、蜡质等。土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N，分别占52%-58%、34%-9%、3.3%-4.8%，3.7%-4.1%。其次是P和S，C/N比在10左右。

(1)碳水化合物

碳水化合物是土壤有机质中最主要的有机化合物，碳水化合物的含量大约占有机质总量的15%-27%。包括糖类、纤维素、半纤维素、果胶质、甲壳质等。糖类有葡萄糖、半乳糖、六碳糖、木糖、阿拉伯糖、氨基半乳糖等。虽然各主要自然土类间植被、气候条件等差异悬殊，但上述各糖的相对含量都很相近，在剖面分布上，无论其绝对含量或相对含量均随深度而降低。纤维素和半纤维素为植物细胞壁的主要成分，木本植物残体含量较高，两者均不溶于水，也不易化学分解和微生物分解。果胶质在化学组成和构造上和半纤维素相似，常与半纤维素伴存。甲壳质属多糖类，和纤维素相似，但含有氮，在真菌的细胞膜、甲壳类和昆虫类的介壳中大量存在，甲壳质的元素组成或为(C8H13O5N4)n

(2)木素

木素是木质部的主要组成部分，是一种芳香性的聚合物。木素在林木中的含量约占30%，木素的化学构造尚未完全清楚，关于木素中是否含氮的问题目前尚未阐明，木素很难被微生物分解。但在土壤中可不断被真菌、放线菌所分解。由C14研究指出，有机物质的分解顺序为:葡萄糖>半纤维素>纤维素>木素

(3)含氮化合物

动植物残体中主要含氮物质是蛋白质，它是构成原生质和细胞核的主要成分，在各植物器官中的含量变化很大。蛋白质的元素组成除碳、氢、氧外，还含有氮(平均为10%)，某些蛋白质中还含有硫(0.3%-2.4%)或磷(0.8%)。蛋白质是由各种氨基酸构成的。一般含氮化合物易为微生物分解，生物体中常有一少部分比较简单的可溶性氨基酸可为微生物直接吸收，但大部分的含氮化合物需要经过微生物分解后才能被利用。

(4)树脂、蜡质、脂肪、单宁、灰分物质

树脂、蜡质、脂肪等有机化合物均不溶于水，而溶于醇、醚及苯中，都是复杂的化合物。单宁物质有很多种，主要都是多元酚的衍生物，易溶于水，易氧化，与蛋白质结合形成不溶性的，不易腐烂的稳定化合物。木本植物木材及树皮中富含单宁，而草本植物及低等生物中则含量很少。植物残留体燃烧后所留下的灰为灰分物质，其主要元素为钙、镁、钾、钠、硅、磷、硫、铁、铝、锰等，此外还有少量的碘、锌、硼、氟等元素。这些元素在植物生活中有着巨大的意义。

土壤有机质的微生物的转化过程是土壤有机质转化的最重要的，最积极的进程。微生物对不含氮的有机物生转化:不含氮的有机物主要指碳水化合物，主要包括糖类、纤维素、半纤维素、脂肪、木素等、简单糖类容易分解，而多糖类则较难分解;淀粉、半纤维素、纤维素、脂肪等分解缓慢，木素最难分解，但在表性细菌的作用下可缓慢分解。

葡萄糖在好气条件下，在酵母菌和醋酸细菌等微生物作用下，生成简单的有机酸(醋酸、草酸等)、醇类、酮类。这些中间物质在空气流通的土壤环境中继续氧化，最后完全分解成二氧化碳和水，同时放出热量。土壤碳水化合物分解过程是极其复杂的，在不同的环境条件下，受不同类型微生物的作用，产生不同的分解过程。这种分解进程实质上是能量释放过程，这些能量是促进土壤中各种生物化学过程的基本动力，是土壤微生物生命活动所需能量的重要来源。一般来说，在嫌气条件下，各种碳水化合物分解形成还原性产物时释放出的能量，比在好气条件下所释放的能量要少得多，所产生的CH4、H2等还原物质对植物生长不利。

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(NH4+-N和NO3--N)

①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。蛋白质水解蛋白质消化蛋白质多肽氨基酸。

②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。氨化过程在好气、嫌气条件下均可进行，只是不同种类微生物的作用不同。

③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。

硝化过程是一个氧化过程，由于亚硝酸转化为硝酸的速度一般比氨转化为亚硝酸的速度快得多，因此土壤中亚硝酸盐的含量在通常情况下是比较少的。亚硝化过程只有在通气不良或土壤中含有大量新鲜有机物及大量硝酸盐的发生，从林业生产上看，此过程有害，是降低土壤肥力的过程，因此应尽量避免。

④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。其过程可用下式表示:

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。

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。

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。

在土壤通气不良条件下，已经形成的硫酸盐也可以还原成硫化氢，即发生反硫化作用，造成硫素散失。当硫化氢积累到一定程度时，对植物根素有毒害作用，应尽量避免。

进入土壤的有机质是由不同种类的有机化合物组成，具有一定生物构造的有机整体。其在土壤中的分解和转化过程不同于单一有机化合物，表现为一个整体的动力学特点。植物残体中各类有机化合物的大致含量范围是:可溶性有机化合物(糖分、氨基酸)5%-10%，纤维素15%--60%，半纤维素10%-30%，蛋白质2%-15%，木质素3%-50%。它们的含量差异对植物残体的分解和转化有很大影响。

据估计，进入土壤的有机残体经过一年降解后，2/3以上的有机质的二氧化碳的形式释放而损失，残留在土壤中的有机质不到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。