4.3土壤腐殖质

土壤腐殖质(soil humus)：土壤腐殖质是褐色或暗褐色的，芳香族结构的。具有多官解团的含氮的、复杂的高分子有机化合物。

4.3.1土壤腐殖质的分组及存在状态

4.3.1.1 土壤腐殖质的分组(soil humus fractionation)

土壤腐殖质是一类组成和结构都十分复杂的天然高分子化合物（聚合物），各类腐殖质分子大小虽不相同，但其性质相似，要深入研究腐殖质的性质，就必须把它从土壤中分离提取出来，但此项工作十分困难。目前一般所用的方法就是先把土壤中分解或部分分解的动植物残体分离掉，通常用水浮选、手挑和静电吸附法移去，然后用不同溶液来浸提土壤，把腐殖质分为三个组分：富里酸组（黄腐酸）、胡敏酸组（褐腐酸）和胡敏素（黑腐素）。如图4—3所示。

           溶解物即吉马多美朗酸

图4—3 土壤腐殖质的分组示意图

腐殖酸的主要组成是胡敏酸和富里酸，通常占腐殖酸总量的60％左右。胡敏素是胡敏酸的同素异构体，它的分子量较小，并因其与矿质部分紧密结合，以致失去水溶性和碱溶性，胡敏素在腐殖酸中所占的比例不大，所以不是腐殖酸的主要部分。目前对胡敏酸和富里酸的研究较多。但需特别指出的是，这些腐殖物质组分仅仅是操作上的划分，而不是特定的化学组分的划分。

4.3.1.2土壤腐殖质的存在状态：

土壤腐殖质一般情况下以游离态腐殖质(free humus)和结合态腐殖质(combining form of humus)两种状态存在。土壤中游离态腐殖质很少，绝大多数是以结合态腐殖质存在。即腐殖质与土壤无机组成，尤其是粘粒矿物和阳离子紧密结合，以有机无机复合体的方式存在。通常52％—98％的土壤有机质集中在粘粒部分。

 

我国南方酸性土壤中主要是Fe、AL离子键结合的腐殖质，这种结合具有高度的坚韧性，有时甚至可以把腐殖质和砂粒结合起来，但不一定具备水稳性，所以对土壤团粒状结构形成和提高肥力上关系不十分巨大。我国北方的中性和石灰性土壤主要以Ca离子键结合的腐殖质为主，具有较强的水稳性，对改善土壤结构和提高肥力有重要意义。尤其在农业土壤上显得特别重要。

4.3.2 土壤腐殖酸(soil humic acid)的性质

4.3.2.1腐殖酸的元素组成：

腐殖酸主要由C、H、O、N、S等元素组成，此外还有少量的Ca、Mg、Fe、Si等元素。各种土壤中腐殖酸的元素组成不完全相同，一般腐殖质含C55％—60％，平均为58％；含N3％—6％，平均为5.6％；其C/N比为10：1—12：1。一般情况下，胡敏酸的C、N含量高于富里酸，而O、S的含量低于富里酸（表4—4）

表4—4 我国主要土壤表土中腐殖物质的元素组成（无灰干基）

 

腐殖物质	胡敏酸HA（％）		富里酸FA（％）
	范 围	平 均	范 围	平 均
C H O N C/H	43.9~59.6 3.1~7.0 31.3~41.8 2.8~5.9 7.2~19.2	54.7 4.8 36.1 4.2 11.6	43.4~52.6 4.0~5.8 40.1~49.8 1.6~4.3 8.0~12.6	46.5 4.8 45.9 2.8 9.8

 

4.3.2.2腐殖酸的物理性质：

腐殖酸在土壤中的功能与其分子形状和大小有着密切的关系。腐殖酸分子量的变动范围为几至几百万之间。但共同的趋势是，同一土壤，富里酸的平均分子量最小，胡敏素的平均分子量最大，胡敏酸介于二者之间。我国几种主要土壤类型的胡敏酸和富里酸的平均分子量分别为890—2500和675—1450之间。

土壤腐殖酸呈非晶质特征，具有较大的比表面积，高达2000m2/g，远大于粘土矿物和金属氧  化物的表面积。

腐殖酸是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位重量腐殖质的持水量是硅酸盐粘土矿物的4—5倍，最大吸收量可以超过其自身重量的500％。

腐殖质整体呈黑褐色，而其不同组分腐殖酸的颜色则略有深浅之别。富里酸的颜色较淡，呈黄色至棕红色，而胡敏酸的颜色较深，为棕黑色至黑色，腐殖酸的光密度与其分子量大小和分子的结构化程度大体呈正相关。

 

 

4.3.2.3 腐殖酸的化学性质：

水溶性特征： 胡敏酸不溶于水，呈酸性，它与K+、Na+、NH4+等形成的一价盐溶于水，而与Ca、Mg、Fe、AL等多价盐基离子形成的盐类溶解度相当低。富里酸在水中溶解度很大，其水溶液呈强酸性反应，它的一切盐类（包括一价或多价）都能溶于水，易造成养分流失。

带电性：腐殖质是带有（净）负电荷的两性有机胶体。

腐殖质分子中含各种功能基，其中最主要的是含氧的酸性功能基，包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基（R—COOH）和酚羟基（酚—OH），其中羧基是最重要的功能基团。腐殖质的总酸度通常是指羧基和酚羟基的总和。总酸度以胡敏素、胡敏酸和富里酸的次序增加。总酸度数值的大小与腐殖质的活性有关，一般较高的总酸度意味着有较高的阳离子交换量。

4.3.3 中国土壤腐殖质分布

土壤腐殖质的组分是受植被，微生物活动以及土壤性质等的影响，腐殖质的变化在地球表面由北向南而呈现一定的规律性。表4—5是我国主要森林土壤类型中土壤腐殖质的组

表4—5 中国自然植被下森林土壤的腐殖质组成

土类名称	有机碳 （％）	占全碳（％）		胡敏酸/富里酸	活性胡敏酸（占胡敏酸总量％）	备注
		胡敏酸	富里酸
棕色针叶林土 暗 棕 壤 白浆化暗棕壤 （森林黑灰土）	5.28 5.24   6.10	19.60 25.72   28.3	33.20 29.67   26.4	0.59 0.81   1.07	9.18 71.05   —	据东北林院1964
棕    壤 黄 棕 壤 黄    壤 红    壤 砖 红 壤	4.37 1.02 4.47 0.54 3.50	26.4 12.4 13.2 6.1 5.8	23.6 28.3 33.7 41.9 30.3	1.12 0.44 0.38 0.15 0.19	32.7 73.4   85.4 93.1	据《中国土壤》1977

 

成情况。一般气候过冷的寒温带和湿热的热带均不适于胡敏酸的形成，因而都具有较小的胡敏酸/富里酸比值；只有在冷暖适中的暧温带的棕壤条件下，胡敏酸的形成过程较强烈，具有较大的胡敏酸/富里酸比值。土壤中相对丰富的盐基和氮素有利于胡敏酸的形成。

 

4.4 土壤有机质的作用与调节

4.4.1 土壤有机质的作用：

土壤有机质特有的组成和性质等决定了其在土壤中乃至在土壤圈层和植物圈层中都起着极为重要的作用。

4.4.1.1 有机质在土壤肥力上的作用：

在一定含量范围内，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关。

有机质是植物营养的主要来源：土壤有机质中含有大量的植物营养元素，如N、P、K、Ca、Mg、S、Fe等重要元素，还有一些微量元素。土壤有机质经矿质化过程释放大量的营养元素为植物生长提供养分。

促进植物生长发育：土壤有机质，尤以其中胡敏酸，具有芳香族的多元酚官能团。

加强植物呼吸过程，提高细胞膜的渗透性，促进养分迅速进入植物体。

胡敏酸的钠盐对植物根系生长具有促进作用，试验结果证明胡敏酸钠对玉米等禾本科植物及草类的根系生长发育具有极大的促进作用。

土壤有机质中还含有维生素B1—B2、吡醇酸和烟碱酸、激素、异生长素（β—吲哚乙酸）、抗生素（链霉素、青霉素）等对植物的生长起促进作用，并能增强植物抗性。

改善土壤的物理性质：

腐殖质促进团粒状结构的形成，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性。

改变砂质和粘质地的耕性和通透性：增加砂土的粘结性而促进团粒状结构的形成；但它可减少粘粒间的直接接触，可降低粘粒间的粘结力。

提高土壤的有效持水量：土壤腐殖质是亲水胶体，这对砂土有着重要的意义。

提高土壤温度：腐殖质为棕色至褐色或黑色物质，被土粒包围后使土壤颜色变暗，从而增加了土壤吸热的能力。

促进微生物和土壤动物的活动：有机质是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源。

提高土壤的保肥性和缓冲性：土壤腐殖质是一种胶体，有着巨大的比表面和表面能，腐殖质胶体以带负电荷为主，可吸附土壤溶液中的交换性阳离子如K+、NH4+、、Ca2+、Mg2+等，其保肥性能非常显著。腐殖酸本身是一种弱酸，腐殖酸和其盐类可构成缓冲体系，缓冲土壤溶液中H+浓度变化，使土壤具有一定的缓冲能力。更重要的是腐殖质是一种胶体，具有较强的吸附性能和较高的阳离子代换能力，因此，使土壤具有较强的缓冲性能。

有机质具有活化磷的作用：土壤有机质具有与难溶性的磷反应的特性，可增加磷的溶解度，从而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率。

 必须指出的是，有机质在分解时，也能产生一些不利于植物生长或甚至有害的中间物质，特别是在嫌气条件下，这种情况更易发生。

4.4.1.2有机质在生态环境上的作用

有机质可降低或延缓重金属污染：土壤腐殖质组分对重金属污染物毒性的影响可以通过静电吸附和络合（螯合）作用来实现。土壤腐殖质含有多种功能基，这些功能基对重金属离子有较强的络合能力，土壤有机质与重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有极其重要的影响。

有机质对农药等有机污染物具有固定作用：土壤有机质对农药等有机污染物有强烈的新和力，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。对农药的固定与腐殖质功能基的数量、类型和空间排列密切相关，也与农药本身的性质有关。一般认为极性有机污染物可以通过离子交换和质子化、氢键、范德华力、配位体交换、阳离子桥和水桥等各种不同机理与土壤有机质结合。对非极性有机污染物可通过分隔（Paxtioning）机理与之结合。腐殖质分子中既有极性亲水基团，也有非极性亲水基团。

有机质对全球碳平衡的影响：土壤有机质也是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。据统计，全球土壤有机质的总碳量在14×1017—15×1017g，大约是陆地生物总碳量（5.6×1017g）的2.5—3倍。而每年因土壤有机质生物分解释放到大气的总量为68×1015g，全球每年因焚烧燃料释放到大气的碳远低得多，仅为6×1015g是土壤呼吸作用释放碳的8％—9％。可见，土壤有机质的损失对地球自然环境具有重大影响。从全球来看，土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响将不亚于人类活动向大气排放的影响。

4.4.2土壤有机质的调节：

土壤有机质的调节原则一般为在增加有机质的前提下，使土壤既有较强的矿质化过程，又有较强的腐殖化过程。只有这样，才能满足植物在连续生产中对土壤肥力的要求。

4.4.2.1增施有机肥料

 自然土壤中，土壤有机质的含量反映了植物枯枝落叶、根系等有机质的加入量与有机质分解而产生损失量之间的动态平衡。自然土壤一旦被耕作等利用后，就破坏了这种动态平衡关系。一方面有相当的生物量被作为收获物而取走；另一方面由于人为的耕作措施使土壤结构疏松，通透性能提高加速土壤有机质矿质化过程而损失有机质；此外，由于人为耕作等措施影响，使土壤易于发生水土流失等而损失有机质。

增加土壤有机质的措施有：

增施有机肥料：常用的有机肥有：粪肥、堆肥、沤肥、厩肥和泥炭等。

种植绿肥：种植绿肥是一个用来培肥土壤的有效措施。在林业生产中，幼林地、苗圃地、种子园、母树林等可以套种绿肥。

秸杆还田：秸杆还田一般指农田将收获的秸杆粉碎，不经堆腐直接翻入土壤。

4.4.2.2调节土壤有机质的分解速率

土壤有机质的含量决定于年生成量和年矿化量的相对大小。年生成量与施用有机质的腐殖化系数有关。通常把单位质量有机物质的有机碳在土壤中分解一年后的残留碳量称为有机物质的腐殖化系数。在农林业生产中具体调节措施主要有：

调节土壤的C/N比：C/N比对有机质分解速率有一定的影响。

通过耕作和营林指施调节：当土壤水分过多时，土壤有机质分解较慢，可以通过挖沟排水等措施来改善土壤的通透性，促进有机质分解。当森林郁闭度过高，光照不足。可以通过疏伐、透光伐等营林手段降低森林郁闭度，增加林内光照，提高土温，来促进凋落物分解。当林分树种组成单一，尤其针叶纯林，其凋落物中含大量的树脂、单宁等。不易分解，可通过营造针阔混交林或间作豆科植物来促进有机质分解。当气候干冷，林下凋落物不易分解，形成较厚的凋落物层时，可通过人为控制轻度火烧，来加速其分解，并且提高土壤温度。

另外，有机、无机肥料配合使用，不仅能增产，而且还能提高肥料利用率，提高土壤有机质的含量。