4.2  土壤有机质的转化

土壤有机质在水分、空气、土壤动物和土壤微生物的作用下，发生极其复杂的转化过程，这些过程综合起来可归结为两个对立的过程，即土壤有机质的矿质化过程和土壤有机质的腐殖化过程。

4.2.1．矿质化过程(mineralization)：

土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合物二氧化碳、水、氨和矿质养分（磷、硫、钾、钙、镁等简单化合物或离子），同时释放出能量的过程。

  这一过程使土壤有机质转化为这一过程为植物和土壤微生物提供了养分和活动能量，并直接或间接地影响着土壤性质，同时也为合成腐殖质提供了物质基础。有机质的分解包括由土壤中动物的作用、及土壤中生物产生的酶参与的生物化学作用和水的直接淋溶作用。

土壤活动物对有机质的作用

从原生动物到脊椎动物，大多数以植物及植物残体为食。在森林土壤中，生活着大量的各类动物，如温带针阔混交林下每公顷蚯蚓可达258万条等，可见活动物对有机质的转化起着极为重要的作用。包括：1机械的转化：动物将植物或残体碎解，或将植物残体进行机械的搬进及与土粒混合，均可促进有机物被微生物分解。2化学的转化：经过动物吞食的有机物（植物残体）未被动物吸收部分，经过肠道，以排泄物或粪便的形式排到体外，已经经过动物体内分解或半分解。土壤动物中蚯蚓的分解作用最大，因此，在某种程度上，可用土壤中蚯蚓的数量来评价土壤肥力的高低。

水的淋溶作用：降水可将土壤有机质中可溶性的物质洗出。这些物质包括简单的糖、有机酸及其盐类、氨基酸、蛋白质及无机盐等。约占5％—10％水溶性物质淋溶的程度决定于气候条件（主要是降水量）。淋溶出的物质可促进微生物发育，从而促进其残余有机物的分解。这一过程对森林土壤尤为重要，因森林下常有下渗水流可将地表有机质（凋落物）中可溶性物质带入地下供林木根系吸收。

酶的作用：酶在土壤有机质转化过程中起着巨大作用，几乎大部分的生物转化过程都是在酶的作用下完成的。

 

不同有机化合物分解过程如下：

不含氮的有机质的转化：不含氮的有机物主要指碳水化合物（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，但在细菌的作用下可缓慢分解。

在好气条件下，葡萄糖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。

在通气不良的土壤条件下，葡萄糖在嫌气性细菌和兼嫌气性细菌作用下分解形成有机酸类中间产物，最后产生甲烷、氢气等还原性物质。

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。

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）

蛋白质(proteins)在微生物所分泌的蛋白质水解酶的作用下水解（水解过程hydrolysis），分解成为简单的氨基酸类含氮化合物。氨基酸在多种微生物及其分泌酶的作用下产生氨（氨化过程ammonification），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，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（硝化过程nitrification），在通气不良的土壤中，硝酸盐会转化成亚硝酸盐的作用称为亚硝化过程。（所有反应式见教材）。

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。反硝化过程(denitrification)是硝态氮在土壤通气不良情况下，还原成气态氮（N2O和N2）的过程,是氮素损失的一种形式,因此,在水田土壤中不宜施用硝态氮肥。

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26％—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。但在嫌气条件下，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。

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。但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。它们的有机化合物组成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以上的有机质以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。

4.2.2土壤有机质的腐殖化过程(humification)：

土壤有机质在微生物作用下，把有机质分解产生的简单有机化合物及中间产物转化成更复杂的、稳定的、特殊的高分子有机化合物—---腐殖质的过程。

腐殖化过程是一系列极端复杂过程的总称。其中主要的是由微生物为主导的生物和生物化学过程，同是还有一些纯化学反应。早在200年前就有人研究腐殖质，关于其形成过程，众说纷纭，近年的研究虽提供了一些新的论据，但整个过程现在均非定论。目前，对腐殖化过程一般分为两个阶段。

第一阶段是产生构成腐殖质基本组成的原始材料，即土壤有机质分解为简单的有机化合物。如芳香族化合物，（多元酚）和含氮的化合物（氨基酸或肽），还有一部分转化为矿质化作用的最终产物如CO2、H2S、NH3等。

第二阶段是合成阶段。即由芳香族物质（多元酚）、含氮有机化合物（氨基酸或肽）缩合为腐殖质分子。在这个过程中微生物起着重要作用，首先，在碱性条件下，多元酚类在微生物（细菌、霉菌等）分泌的多酚氧化酶的作用下，氧化成醌，然后醌类在微生物的多种酶促反应作用下，再与氨基酸类含N化合物缩合成腐殖质的单体分子。腐殖质形成的生物化学过程如图4—1所示。

上述反应仅为腐殖质形成的基本过程，只是一个假想的反应过程。形成的腐殖质只是单体分子，实际上土壤中腐殖的分子结构及组成要复杂得多。腐殖质没有固定的分子式和分子量，它们是一类在组成和结构上类似而又不尽相同的多聚体的统称。其共同特点是都有芳香核结构化合物和含N有机化合物，还有大量的脂肪族或碳水化合物的支键，不同之处是分子的复杂程度不同，各种组分所占的比例也有差异。

 

综上所述，土壤有机质的矿质化过程和腐殖化过程是即相对立，又相联系，即相独立，又相渗透的两个过程。它们之间没有严格的界限，又随条件的改变而互相转化。矿质化过程是有机质释放养分的过程，又是为有腐殖质合成提供原料的过程，没有矿质化过程就没有腐殖化过程，同时腐殖化过程的产物—腐殖质并不是一成不变的，它可以再经矿质化过程而释放养分以供植物吸收利用。对农业土壤而言，矿质化过程，虽然为植物生长提供了充足的养分，但因有机质分解过快而造成养分浪费，难以形成腐殖质，破坏土壤物理性质，土壤肥力水平下降，甚至使土壤退化。对林业土壤而言，往往矿质化过程较弱，腐殖化过程则较强，必须加以调节来释放养分。因此，要辩证地认识土壤有机质转化过程中的矿质化过程和腐殖化过程的相互关系。土壤有机质转化过程如图4—2所示