不同土地利用方式对土壤有机质中碳的影响

不同土地利用方式对土壤有机质中碳的影响

理学系 信息与计算科学 宋永平 2006100886

本学期，选择了朱丽琼老师的选修课《土壤的奥秘》本学期学习了朱丽琼老师的通识选修课《土壤的奥秘》，我大致掌握了这门课程的

精髓：土壤学是农业科学的应用基础学科，广泛服务于农业持续发展、环境生态建设、区域治理、资源利用和保护等。了解了绍土壤的组成和性质，包括土壤矿物质、有机质和生物、土壤质地和结构、土壤水和土壤的热量状况等内容。通过学习我知道了很多知识。 通过这门课程的学习，我谈一下不同土地利用方式对土壤有机质中碳的影响。 在讨论这个问题之前，我们必须弄清楚以下几个问题： 1、 土地（土壤）的种类，以及土壤的利用方式。 2、 土壤中的有机质

3、 各种土地对土壤中碳的影响

土地（土壤）的种类，以及土壤的利用方式。

冰沼土—灰化土—棕壤—红、黄壤—砖红壤。在灰化土和棕壤带中分布有沼泽土。半荒漠和荒漠土壤中分布着盐渍土。在印度德干高原上分布着变性土。

砖红壤 海南岛、雷州半岛、西双版纳和台湾岛南部，大致位于北纬22°以南地区。 热带季风气候。年平均气温为23～26℃，年平均降水量为1600～2000毫米。植被为热带季雨林。 风化淋溶作用强烈，易溶性无机养分大量流失，铁、铝残留在土中，颜色发红。土层深厚，质地粘重，肥力差，呈酸性至强酸性。

赤红壤 滇南的大部，广西、广东的南部，福建的东南部，以及台湾省的中南部，大致在北纬22°至25°之间。为砖红壤与红壤之间的过渡类型。 南亚热带季风气候区。气温较砖红壤地区略低，年平均气温为21～22℃，年降水量在1200～2000毫米之间，植被为常绿阔叶林。 风化淋溶作用略弱于砖红壤，颜色红。土层较厚，质地较粘重，肥力较差，呈酸性。 红壤和黄壤 长江以南的大部分地区以及四川盆地周围的山地。 中亚热带季风气候区。气候温暖，雨量充沛，年平均气温16～26℃，年降水量1500毫米左右。植被为亚热带常绿阔叶林。黄壤形成的热量条件比红壤略差，而水湿条件较好。 有机质来源丰富，但分解快，流失多，故土壤中腐殖质少，土性较粘，因淋溶作用较强，故钾、钠、钙、镁积存少，而含铁铝多，土呈均匀的红色。因黄壤中的氧化铁水化，土层呈黄色。

黄棕壤 北起秦岭、淮河，南到大巴山和长江，西自青藏高原东南边缘，东至长江下游地带。是黄红壤与棕壤之间过渡型土类。 亚热带季风区北缘。夏季高温，冬季较冷，年平均气温为15～18℃，年降水量为750～1000毫米。植被是落叶阔叶林，但杂生有常绿阔叶树种。 既具有黄壤与红壤富铝化作用的特点，又具有棕壤粘化作用的特点。呈弱酸性反应，自然肥力比较高，

棕壤 山东半岛和辽东半岛。 暖温带半湿润气候。夏季暖热多雨，冬季寒冷干旱，年平均气温为5～14℃，年降水量约为500～1000厘米。植被为暖温带落叶阔叶林和针阔叶混交林。 土壤中的粘化作用强烈，还产生较明显的淋溶作用，使钾、钠、钙、镁都被淋失，粘粒向下淀积。土层较厚，质地比较粘重，表层有机质含量较高，呈微酸性反应。

暗棕壤 东北地区大兴安岭东坡、小兴安岭、张广才岭和长白山等地。 中温带湿润气候。年平均气温-1～5℃，冬季寒冷而漫长，年降水量600～1100毫米。是温带针阔叶混交林下

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形成的土壤。 土壤呈酸性反应，它与棕壤比较，表层有较丰富的有机质，腐殖质的积累量多，是比较肥沃的森林土壤，

寒棕壤（漂灰土） 大兴安岭北段山地上部，北面宽南面窄。 寒温带湿润气候。年平均气温为-5℃，年降水量450～550毫米。植被为亚寒带针叶林。 土壤经漂灰作用（氧化铁被还原随水流失的漂洗作用和铁、铝氧化物与腐殖酸形成螯合物向下淋溶并淀积的灰化作用）。土壤酸性大，土层薄，有机质分解慢，有效养分少。

褐土 山西、河北、辽宁三省连接的丘陵低山地区，陕西关中平原。 暖温带半湿润、半干旱季风气候。年平均气温11～14℃，年降水量500～700毫米，一半以上都集中在夏季，冬季干旱。植被以中生和旱生森林灌木为主。 淋溶程度不很强烈，有少量碳酸钙淀积。土壤呈中性、微碱性反应，矿物质、有机质积累较多，腐殖质层较厚，肥力较高。

黑钙土 大兴安岭中南段山地的东西两侧，东北松嫩平原的中部和松花江、辽河的分水岭地区。 温带半湿润大陆性气候。年平均气温-3～3℃，年降水量350～500毫米。植被为产草量最高的温带草原和草甸草原。 腐殖质含量最为丰富，腐殖质层厚度大，土壤颜色以黑色为主，呈中性至微碱性反应，钙、镁、钾、钠等无机养分也较多，土壤肥力高。 栗钙土 内蒙古高原东部和中部的广大草原地区，是钙层土中分布最广，面积最大的土类。 温带半干旱大陆性气候。年平均气温-2～6℃，年降水量250～350毫米。草场为典型的干草原，生长不如黑钙土区茂密。 腐殖质积累程度比黑钙土弱些，但也相当丰富，厚度也较大，土壤颜色为栗色。土层呈弱碱性反应，局部地区有碱化现象。土壤质地以细沙和粉沙为主，区内沙化现象比较严重，

棕钙土 内蒙古高原的中西部，鄂尔多斯高原，新疆准噶尔盆地的北部，塔里木盆地的外缘，是钙层土中最干旱并向荒漠地带过渡的一种土壤。 气候比栗钙土地区更干，大陆性更强。年平均气温2～7℃，年降水量150～250毫米，没有灌溉就不能种植庄稼。植被为荒漠草原和草原化荒漠。 腐殖质的积累和腐殖质层厚度是钙层土中最少的，土壤颜色以棕色为主，土壤呈碱性反应，地面普遍多砾石和沙，并逐渐向荒漠土过渡。

黑垆土 陕西北部、宁夏南部、甘肃东部等黄土高原上土壤侵蚀较轻，地形较平坦的黄土源区。 暖温带半干旱、半湿润气候。年平均气温8～10℃，年降水量300～500毫米，与黑钙土地区差不多，但由于气温较高，相对湿度较小。由黄土母质形成。植被与栗钙土地区相似。 绝大部分都已被开垦为农田。腐殖质的积累和有机质含量不高，腐殖质层的颜色上下差别比较大，上半段为黄棕灰色，下半段为灰带褐色，好像黑垆土是被埋在下边的古土壤。 荒漠土 内蒙古、甘肃的西部，新疆的大部，青海的柴达木盆地等地区，面积很大，差不多要占全国总面积的1/5。 温带大陆性干旱气候。年降水量大部分地区不到100毫米。植被稀少，以非常耐旱的肉汁半灌木为主。 土壤基本上没有明显的腐殖质层，土质疏松，缺少水分，土壤剖面几乎全是砂砾，碳酸钙表聚、石膏和盐分聚积多，土壤发育程度差。 高山草甸土 青藏高原东部和东南部，在阿尔泰山、准噶尔盆地以西山地和天山山脉。 气候温凉而较湿润，年平均气温在-2～1℃左右，年降水量400毫米左右。高山草甸植被。 剖面由草皮层、腐殖质层、过渡层和母质层组成。土层薄，土壤冻结期长，通气不良，土壤呈中性反应，

高山漠土 藏北高原的西北部，昆仑山脉和帕米尔高原。 气候干燥而寒冷，年平均气温-10℃左右，冬季最低气温可达-40℃，年降水低于100毫米。植被的覆盖度不足10％。 土层薄，石砾多，细土少，有机质含量很低，土壤发育程度差，碱性反应。

土壤中的有机质。

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（一）土壤有机质的类型

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％?/FONT>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。 （二）土壤有机质的组成

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%。 碳水化合物

3.7％-4.1％，其次是P和S，C/N比在10左右。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?/FONT>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

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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-过程

土壤有机质的矿质化过程：土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合物的过程。

土壤有机质的矿质化过程分为化学的转化过程、活动物的转化过程和微生物的转化过程。这一过程使土壤有机质转化为二氧化碳、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。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。 (1)土壤有机质的化学的转化过程

土壤有机质的化学的转化过程的含义是广义的，实际上包括着生物学及物理化学的变化。

1.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（枯落物）中可溶性物质带入地下供林木根系吸收。

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2.酶的作用：土壤中酶的来源有三个方面：一是植物根系分泌酶，二是微生物分泌酶，三是土壤动物区系分泌释放酶。土壤中已发现的酶有

50?/FONT>60种。研究较多的有氧化还原酶、转化酶和水解酶等。酶是有机体代谢的动力，因此，可以想象酶在土壤有机质转化过程中所起的巨大作用。

(2)土壤有机质活动物的转化过程

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。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。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。 (3)土壤有机质的微生物转化过程

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。 2.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+?/FONT>N和NO3-—N） ①水解过程

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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： 3.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26％?/FONT>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。 4.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。

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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％?/FONT>10％，纤维素15％?/FONT>60％，半纤维素10％?/FONT>30％，蛋白质2％?/FONT>15％，木素5％?/FONT>30％。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％?/FONT>8％，多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖质物质占3％?/FONT>8％，腐殖质占10％?/FONT>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。

土壤有机质是土壤的重要组成部分,影响、制约土壤性质,保持或提高土壤有机质含量可以促进团聚体的形成并保持其稳定性,同时还是土壤微生物生命活动所能量的来源。其含量是评价土壤肥力和土壤质量的一项重要指标。而土壤活性有机质是土壤有机质的活性部分,是指土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解利用、对植物养分供应有最直接作用的那部分有机质。由图1 可知,不同土地利用方式对土壤有机质总量和活性有机质有明显的影响,总体上为:林地> 农田> 竹林,但农田和竹林差别较小。地带性常绿阔叶林林地的土壤有机质的含量最高,但与木林差别不大,分别为31920 %和31780 %;而活性有机质含量差别较大,比杉木林活性有机质含量高18174 %。这主要是由于阔叶林的凋落物量和质量均高于杉木纯林,其凋落物的C/ N低于杉木凋落物,使其比杉木凋落物更容易分解,将土地利用方式对土壤有机质的影响,在不同土地利用方式下由于管理措施不同、凋落物量和质量的差异,致使土壤有机质总量、活性有机质含量存在明显差异。无论是有机质总量还是活性有机质及其各组分的含量均是地带性常绿阔叶林最高,但取代地带性阔叶林的杉木人工林则较低,这主要是由于杉木根系没有阔叶林发达,凋落量低且质量差、难以分解。农田土壤有机质和活性有机质各组分的含量主要受到施肥、翻耕、灌溉、秸秆处理等管理措施的影响,其活性有机质含量比阔叶林低,高于楠竹林;土壤可溶性有机碳和碳水化合物含量高于杉木人工林,而土壤活性有机质总量和土壤总糖含量则比杉木人工林低,其原因还有待于进一步研究。土

壤活性有机质可以作为由于土壤管理措施变化而引起土壤有机质变化的早期测指标。许多研究者[5 ,13 ,21 ]发现,活性有机质对土壤有机碳的变化较总有机质敏感得多,且与土壤性质的关系比总有机质密切。目前国内对杉木人工林土壤活性有机质及其组分的研究较少,以后需要加强这方面的研究,以便能更深入了解杉木人工林土壤质量下降的原因和机理。由于土壤活性有机质主要分布在土壤团聚体之间的大孔隙中和团聚体内部,是团聚体形成和稳定性的重要影响因素,且对外因素非常敏感、周转速度快,因此是土壤有机质研究的热点之一。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mlwo.html