5作物生产与土壤

第五章作物生产与土壤的关系3学时内容提要一、土壤物理性质与作物的生活二、土壤化学性质与作物的生活三、土壤生物性质与作物的生活四、土壤污染与作物生产第五章作物生产与土壤的关系第五章作物生产与土壤的关系土壤是生物与无机环境相互作用的产物，它由固相（无机、有机体）、液相（土壤水）、气相（土壤空气）三相系统组成，是陆生植物生活的基质。土壤生产力:能使作物产生经济产量的能力。取决于土壤满足作物对水、肥、气、热需求的能力。土壤肥力：土壤的物理、化学、生物等基本性质的综合反映。一、土壤物理性质与作物的生活物理性质：包括土壤质地、结构、容重、孔隙度及其水、气、温度动态变化1.1土壤质地：土壤中直径大小不同的土壤颗粒（砂粒、粗粉粒、粘粒等）的组合状况土壤质地分类：砂土：壤土：粘土：一、土壤物理性质与作物的生活1.2土壤结构土壤结构是指土壤固相的排列形式、孔隙度及团聚体的大小、多少和稳定度。（1）团粒结构:由团聚体（直径0.25-10mm）形成的一种土壤结构，其中水和气、供肥和保肥之间的矛盾协调，耕作性能好，适于作物生长。（2）非团粒结构：由土粒直接形成的块状、柱状、核状、片状等结构。耕作性能差、水气矛盾和供肥保肥矛盾突出，不利于作物生长。一、土壤物理性质与作物的生活1.2土壤结构（3）适于陆生作物生长发育的理想土壤结构指标：理想的三相容积比固相:空隙=0.5:0.550%固相中:矿物部分占38%，有机质占12%50%空隙中:空气和水各占15-35%(最适为各占25%)一、土壤物理性质与作物的生活1.3土壤的水、气、热动态与作物（1）土壤水动态（见第四章）稻田灌水的机能：•物理机能①调节水温、气温、土温②耕作均匀、效率化③泥沙输入一、土壤物理性质与作物的生活1.3土壤的水、气、热动态与作物（1）土壤水动态（见第四章）稻田灌水的机能：•化学机能①水稻土养分有效化②Si、Ca、Mg、K、N等补给③除去有害成分一、土壤物理性质与作物的生活1.3土壤的水、气、热动态与作物（1）土壤水动态（见第四章）稻田灌水的机能：•生物学机能①水稻生育调控②防除杂草③生物固氮④病虫害防治图5-1水田日渗水量与产量的关系（五十崎，1957）一、土壤物理性质与作物的生活1.3土壤的水、气、热动态与作物（2）土壤空气主要来自大气，部分来自土壤生物的生化过程，并在各种气体所占比例上与大气有显著差异。土壤空气成分含量取决于土壤孔隙度和含水量:•土壤中O2含量动态与作物生活•土壤中CO2含量动态与作物生活•CH4、SO2动态与作物生活一、土壤物理性质与作物的生活1.3土壤的水、气、热动态与作物（3）土壤温度土壤热量主要来自太阳辐射，部分来自根系和微生物的呼吸。土温在不同深度及日周期和年周期中存在复杂变化。土温的变化还与土壤类型及含水量密切相关（表5-2），并对作物生活带来显著影响。表5-2土温制约根系生长、根系活力及地下贮藏器官的形成，并影响矿质养分的溶解度。如磷酸钙的溶解度，随地温的升高而增加，作物的缺磷症状可随温度上升而解除或缓解。二、土壤化学性质与作物的生活2.1土壤的吸附和交换性能土壤的胶体粘粒和腐殖质表面带有净负电荷，可与阳离子吸附结合，其结合程度取决于阳离子的正电荷数及水合程度：H+Al3+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+质子（H+）质量小电荷密度大，Na+电荷密度小。阳离交换量（CEC）：能被土壤固定的阳离子的数量。它反映土壤固定的必需养分的阳离子数量。若土壤交换位点上H+、Al3+、Mn2+的比例高，则无论CEC大小，这种土壤既是酸性，肥力又低。二、土壤化学性质与作物的生活2.1土壤的吸附和交换性能在土粒的正电荷中心（Fe3+、Al3+）及吸附阳离子的外层，可结合阴离子，其结合程度为：PO43-SO42-NO3-Cl-土壤对离子的吸附和交换性能，在捕获养分离子、防止淋失及平衡土壤溶液中养分离子浓度上，为作物营养提供了保障，也有利于保护根系和土壤微生物免受溶液低渗透势胁迫的伤害。二、土壤化学性质与作物的生活2.2土壤酸度与作物土壤酸度包括:活性酸度（pH）：土壤溶液[H+]，用pH表示潜在酸度（又称为酸度数量）：吸附在土壤交换性位点上、可以被过量的中性盐（KCl、NaCl）的阳离子交换下来的H+和Al3+（及Mn2+）的交换性酸量，或用过量强碱弱酸盐（NaAc）浸提后，H+和Al3+、Mn2+释放到溶液中所表现出的酸量。二、土壤化学性质与作物的生活2.2土壤酸度与作物（1）土壤pH值与养分有效性强酸性土壤（pH5）:过量Al3+、Fe3+、Mn2+产生毒害，缺有效性Ca2+、Mg2+、K+、PO43-、MoO42-碱性土（pH7.5）:缺有效性P、Fe、Mn、Zn、Cu有益微生物大多适于中性土，而有害微生物大多耐酸性较强。二、土壤化学性质与作物的生活（2）作物对土壤酸度的适应植物适应土壤酸度的生态类型：酸性土植物:pH6.5中性土植物:pH6.5-7.5碱性土植物:pH7.5几乎没有植物能在pH5-8以外生长良好。二、土壤化学性质与作物的生活（2）作物对土壤酸度的适应二、土壤化学性质与作物的生活2.3土壤有机质与作物（1）土壤有机质（SOM）的类别F类:新鲜的SOM（已死和正在腐烂的物质），易腐烂B类:微生物的生物质（主要是细菌和真菌）Ha类:“活性”SOM（活性腐殖质），较易代谢分解Ho类:旧有SOM（旧腐殖质），不易腐烂，半衰期可达数千年二、土壤化学性质与作物的生活2.3土壤有机质与作物（2）土壤有机质的重要作用（是土壤肥力的重要指标）•作物营养的重要来源；•改善土壤理化特性，提高保水、供水及保肥、供肥性能；•为土壤异养生物提供能量和养料来源;•腐殖质中的胡敏酸可调节植物的生活。二、土壤化学性质与作物的生活2.3土壤有机质与作物（3）土壤有机质与氮循环的关系图5-3农作系统中的一般氮循环加到土壤中的新鲜有机质（F）在土壤中腐烂①，变为微生物的生物质（B）和活性腐殖质（Ha），最后成为旧腐殖质（Ho）。B、Ha、Ho都可能矿质化②而变为NH4+，然后通过硝化作用③变成NO3-。这些无机物形式可以经过固定作用④成为B，然后变成Ha和Ho。被作物吸收⑤、N2被作物（共生的）固定⑥或固定为B（游离生存的）以及反硝化作用⑦变为N2和各种氮的氧化物，便完成了整个生物传递过程。另外还表示出：淋溶⑧、挥发作用⑨和产量中氮的损失；还有由闪电⑩、有机肥和化肥的投入。同时氨也从作物和F（新鲜残体）中挥发（过程⑨）。主要途径用粗线表示以示强调。2.4土壤矿质营养动态与作物（1）土壤中作物必需矿质元素的存在、吸收形态及其在植物中的功能元素土壤中存在形态根系吸收形态在植物中的功能N有机结合态、硝酸盐、铵盐NO3-、NH4+原生质体和酶的必需成分P有机态、Ca、Fe、Al的磷酸盐HPO42-、H2PO4-基础代谢K矿质结合态、钾盐K+细胞水合作用、电化学效应(膜电位、渗透调节)、酶活化Ca矿质结合态、钙盐Ca2+水合作用、信号物质、酶活化Mg矿质结合态、镁盐Mg2+水合作用、基础代谢（光合）S有机态、含硫矿物、硫酸盐SO42-、SO2原生质体和酶的组成成分元素土壤中存在形态根系吸收形态在植物中的功能Fe矿物结合态、氧化物、铁盐Fe2+、Fe(Ⅲ)螯合物基础代谢（氧化还原反应）、氮代谢、叶绿素合成MnMnO2、碳酸盐、硅酸盐Mn2+、Mn螯合物基础代谢（光合）、核酸合成Zn磷酸盐、碳酸盐、硫化物、氧化物、硅酸盐Zn2+、Zn螯合物基础代谢、酶激活、IAA合成Cu硫化物、硫酸盐、碳酸盐Cu2+、Cu螯合物基础代谢、氮代谢Mo钼酸盐、硅酸盐MoO42-氮固定、磷代谢、Fe吸收B硼酸盐、电气石HBO32-、H2BO3-碳水化合物的运输和代谢、酚代谢、花粉管生长ClNi盐、硅酸盐硫化物、氧化物Cl-Ni2+水合作用、酶的活化（光合）酶激活剂表5-6微量元素氮素循环NO3-硝酸还原N2NH4+有机态氮硝化作用系统外随产品施肥施肥淋失挥发2.4土壤矿质营养动态与作物（2）农作系统中N、P、K素循环•矿化作用：有机质(蛋白质)微生物蛋白酶、肽酶氨基酸氨化细菌NH3NH4+H2O•硝化作用：NH3、NH4+亚硝化细菌O2NO2-硝化细菌O2NO3-•反硝化作用：NO3-反硝化细菌-O2N2或N2O•生物固氮：具固氮能力的细菌、真菌、蓝绿藻、藻类二、土壤化学性质与作物的生活2.4土壤矿质营养动态与作物N素循环磷素循环磷素极易被土壤吸持，几乎不进入大气，磷在粘土中也几乎不发生移动和淋失出土体。因此，磷在农作系统中的迁移循环过程较简单。土壤矿物中PPO43-、HPO42-、H2PO4-施肥有机态磷风化、溶解固定吸收同化矿质化系统外随产品图农作系统中的磷循环钾素循环钾几乎不进入大气，也不能形成有机态钾，K+被土壤胶体吸持性弱，且水溶性强，易随水而迁移。因此，农作系统中钾循环很简单。土壤矿物中K土壤溶液中K+施肥、灌溉、降水生物中K+风化吸收释放图农作系统中的钾循环系统外淋失随产品（3）根区矿质营养动态与根系吸收土壤溶液中养分离子浓度通常很低，这有利于避免高浓度下的渗透伤害：[NO3-]:最高可达5-10mmol·L-1；[SO42-、Mg2+、Ca2+]:约2-5mmol·L-1；[K+]:约1-2mmol·L-1；[PO43-]:约4µmol·L-1根系可通过呼吸作用形成的H+和HCO3-，与土壤吸附的养分离子进行交换进入土壤溶液，也可通过根分泌物而活化被土壤固定的养分。根系对养分离子的吸收主要是需能的主动吸收。二、土壤化学性质与作物的生活2.4土壤矿质营养动态与作物（4）作物对矿质营养胁迫的适应营养胁迫：狭义上指，因土壤中可利用的营养元素缺乏所引起的植物不良反应（即缺素症）。广义上还包括土壤某种营养过量对植物造成的不良影响。作物对营养胁迫的反应：土壤中营养元素不足或过量时，作物形态、生理生化过程都会发生相应变化来适应土壤环境。二、土壤化学性质与作物的生活2.4土壤矿质营养动态与作物（4）作物对矿质营养胁迫的适应作物可通过多种机制来适应营养胁迫：某些作物或作物品种，能通过根际的适应性反应来适应有效养分的不足。其适应途径是增加根长密度、增加根毛数量，或能分泌某些物质以活化土壤中难溶的养分。二、土壤化学性质与作物的生活2.4土壤矿质营养动态与作物（4）作物对矿质营养胁迫的适应根系分泌物是指未经病原菌危害的有生命的根系向周围土壤中释放的有机物及无机离子的总称。根系分泌物作用：•活化土壤中的营养元素；•使难溶的金属离子与其形成螯合物进入植物体；•增加土壤与根系接触程度；•增加土壤团聚体结构的稳定，改善根际缓冲性能。二、土壤化学性质与作物的生活2.4土壤矿质营养动态与作物（4）作物对矿质营养胁迫的适应根向土壤输入有机物的途径：•根冠产生的粘质鞘的溶解；•根毛分泌的液滴；•生命细胞分泌的溶解性物质；•细胞壁脱落的物质等。另外，当根冠受微生物影响和根系衰老时，皮层细胞也向土壤释放一些物质。二、土壤化学性质与作物的生活根系分泌物主要类型•碳水化合物：包括各种单糖、双糖、叁糖、寡糖等。作用：可活化根际微生物，加速对土壤有机质的分解，产生NH4+、HPO42-、H2PO4-等。•有机酸：包括柠檬酸、苹果酸、酒石酸、番石榴酸、草酸等十余种。作用：可活化P、Zn、Mn、Fe等。如白羽扇豆根系PEPC活性高，可在根系固定CO2，形成柠檬酸、苹果酸，然后分泌到土壤。二、土壤化学性质与作物的生活根系分泌物主要类型•氨基酸：亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、氨基丁酸、谷氨酰胺等二十余种，包括蛋白质氨基酸和非蛋白氨基酸。作用：可活化土壤中P、Zn、Cu、Fe等。•酚类：包括单元酚和多元酚，有利于活化土壤中Fe、Zn、Mn等。•H+、HCO3-：可促进根系与土壤中的离子交换，使离子进入根表面；另外，H+还导致土壤根际酸化，活化P、Fe、Zn、Mn等，特别是使土壤中难溶性的Al-P、Fe-P、Ca-P被活化。二、土壤化学性质与作物的生活根系分泌物主要类型•Fe载体(PS)：仅在禾本科作物根系中分泌，为非蛋