有机质是土壤中最活跃的物质组成。一方面,外来有机物质不断地输入土壤,并经微生物的分解和转化形成新的腐殖质;另一方面,土壤原有有机质不断地被分解和矿化,离开土壤。进人土壤的有机物质主要由每年加入土壤中动植物残体的数量和类型决定,而土壤有机质的损失则主要取决于土壤有机质的氧化及土壤侵蚀的程度,进入土壤的有机物质与有机碳从土壤中损失之间的平衡决定了土壤有机质的含量。有机物质进入土壤后由其一系列转化和矿化过程所构成的物质流通称为土壤有机质的周转。当土壤有机质水平处于稳定状态时,土壤中有机质流通量达到土壤有机质含量所需的时间,称作土壤有机质的周转时间,由于微生物是土壤有机物质分解和周转的主要驱动力,因此,凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的分解和转化。
(一)、温度
温度能影响植物的生长和有机质的微生物降解。一般来说,在0℃以下,土壤有机质的分解速率很小;在0~35℃温度范围内,提高温度能促进有机物质的分解,加速土壤微生物的生物周转,温度每升高10°C土壤有机质的最大分解速率提高2~3倍。一般土壤微生物活动的最适宜温度范围为25~35℃,超出这个范围,微生物的活动就会受到明显的抑制。
(二)、土壤水分和通气状况
土壤水分对有机质分解和转化的影响是复杂的。土壤中微生物的活动需要适宜的土壤含水量,但过多的水分导致进入土壤的氧气减少,从而改变土壤有机质的分解过程和产物。当土壤处于嫌气状态时,大多数分解有机质的好氧微生物停止活动,从而导致未分解有机质的积累。植物残体分解的最适水势为一0.03~-0.1MPa,当水势降到一0.3MPa以下,细菌呼吸作用迅速降低,而真菌一直到-4~-5MPa时可能还有活性。
土壤有机质的分解和转化也受土壤干湿交替作用的影响,干湿交替作用使土壤呼吸强度在很短时间内大幅度地提高,并使其在几天内保持稳定的土壤呼吸强度,从而增加土壤有机质的矿化作用。另一方面干湿交替作用会引起土壤胶体,尤其是蒙脱石、蛭石等黏土矿物的收缩和膨胀作用,使土壤团聚体崩溃。其结果一是使原先不能被分解的有机物质因团聚体的分散而能被微生物分解;二是干燥引起部分土壤微生物死亡。
(三)、植物残体的特性
新鲜多汁的有机物质比干枯秸秆易于分解,因为前者含有较高比例的简单碳水化合物和蛋白质,后者含有较高比例的纤维素、木质素、脂肪、蜡质等难于降解的有机物。有机物质的细碎程度影响其与外界因素的接触面,而影响其矿化速率。同样,密实有机物质的分解速率比疏松有机物质缓慢。有机物质组成的碳氨比(C/N)对其分解速率影响较大。大家都知道,植物残体的C/N变异很大,豆科植物和幼叶的C/N为10~30:1,而一些植物锯屑的C/N可高达600:1(表2-2)。这与植物种类、生长时期、土壤养分状况等有关。一般来说,植物成熟阶段组织中蛋白质的含量下降,而木质素和纤维素的比例增加,因而其C/N增加。与植物相比,土壤微生物的C/N要低很多,稳定在5~10:1,平均为8:1,其中细菌中蛋白质的含量比真菌要稍高,因此C/N较低。由此可知,微生物每吸收1份氮大约需要8份碳。但由于微生物代谢的碳只有1/3进人微生物细胞,其余的碳以CO,形式释放。因此,对微生物来说,同化1份氮到体内,大约需要24份的碳。显然,植物残体进入土壤后由于氮的含量太低而不能使土壤微生物将加人的有机碳转化为自身的成分。为了满足微生物分解植物残体对氮的养分需要,土壤微生物必须从土壤中吸收矿质态氮,此时土壤中矿质态氮的有效性控制了土壤有机质的分解速率,最终的结果是在微生物与植物之间竞争土壤矿质态氮。为了防止植物缺氮,在施用含氨量低的水稻、小麦等作物秸秆时应同时适当补施速效氮肥。随着有机物质的分解和CO:的释放,土壤中有机质的C/N降低,微生物对氮的要求也逐步降低。最后,当C/N降至25:1以下,微生物不再利用土壤中的有效氮,相反由于有机质较完全的分解而释放矿质态氮,使得土壤中矿质态氮的含量比原来有显著的提高。但无论有机物质的C/N大小如何,当它被翻入十壤中,经过微生物的反复作用后,在一定条件下,它的C/N或迟或早都会稳定在一定的数值。一般耕作土壤表层有机质的C/N在8~15:1,平均为10~12:1,处于植物残体和微生物C/N之间。土壤C/N的变异主要受地区的水热条件和成土作用特征的控制,如我国湿润温带的土壤中C/N稳定于10~12:1,而热带亚热带地区的红、黄壤则可高达20:1。
当然除了氮之外,硫、磷等元素也都是微生物活动所必需的,缺乏这些养分也同样会抑制土壤有机质的分解。要特别一提的是土壤中加人新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解,这种矿化作用称为新鲜有机物质对土壤有机质分解的激发作用,激发效应可以是正、也可以是负。正激发效应存在两大作用:一是加速土壤微生物碳的周转;二是由于新鲜有机物质引起土壤微生物活性增强,从而加速土壤原有有机质的分解。但在通常情况下,微生物生物量的增加超过了分解的腐殖质量,因此净效应是土壤有机质增加。
(四)、土壤特性
气候和植被在较大范围内影响土壤有机质的分解和积累,而土壤质地在局部范围内影响土壤有机质的含量。土壤有机质的含量与其黏粒含量具有极显著的正相关,黏质土和粉质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。腐殖质与黏粒胶体结合形成的黏粒一腐殖质复合体,可防止有机质遭受分解,免受微生物的破坏。土壤pH也通过影响微生物的活性而影响有机质的降解。各种微生物都有其最适宜于活动的pH范围大多数细菌活动的最适pH,在中性附近(pH6.5~7.5),放线菌的最适pH略偏向碱性一侧,而真菌则最适于酸性条件下(pH3~6)活动。pH过低(<5.5)或过高(>8.5)对一般的微生物都不大适宜。因此,在农业生产中,改良过酸或过碱土壤,对促进有机质的矿化有显著效果。