第十章农业生态地球化学调查

第十章农业生态地球化学调查•农业地球化学调查﹐是指通过地质﹑农业﹑水文等专家的采样﹑分析和数据处理﹐取得土壤中化学元素和化合物的地球化学资料﹐以此服务于农业﹑环境和资源调查评价的综合研究工作。•主要研究内容：•①进行农业地球化学扫面，搞清土壤中元素的地理分布；•②进行农业（大农业）区划；•③进行农业结构调整。第一节农业生态地球化学系统•一、生态学、生态地球化学、农业生态地球化学•1.生态学及其基本原理•生态是指生物状态，如种群、物种数量、健康状况等。生态学（Ecology）则是研究生态与其环境之间关系的科学。其基本原理如下：•（1）生态位原理。生态位又称生态龛或小生境，通常是指生物种群所占据的基本生活单位；对于生物个体与其种群来说，生态位是指其生存所必须的或可被其利用的各种生态因子或关系的集合。•（2）限制因子原理。生物的生长发育离不开环境，并适应环境的变化。但生态环境中的生态因子如果达不到或超过生物的适应范围时，对生物有一定的限制作用。只有当生物与其居住环境条件高度相适应时，生物才能最大限度地利用环境方面的优越条件并表现出最大的增产潜力。•①最小因子定律：即植物的生长取决于数量最不足的那一种物质。•②耐性定律：某些因子过多影响生物的正常生长发育和繁殖。•（3）食物链原理。在自然生态系统中，由生产者、消费者、分解者所构成的食物链，从生态学原理看它是一条能量转化链、物质传递链，也是一条价值增值链。绿色植物被草食动物所食，草食动物被肉食动物吃掉，植物和动物残体又可为小动物和低等动物分解，以这种吃与被吃而形成了食物链关系。•（4）整体效应原理。系统是由相互作用和相互联系的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体。其基本的特性就是集合性，表现在系统各组分间相互联系、依赖、作用、制约的不可分割的整体。整体的作用和效应要比各部门之和来得大。•（5）生物与环境相互适应、协同进化原理。生物的生存、繁衍不断从环境中摄取能量、物质和信息。生物的生长发育依赖于环境并受环境的强烈影响。外界环境中影响生物生命活动的各种能量、物质和信息因素称为生态因子。生态因子既有对生物和生命活动所需的利导因子，也有限制生物生存和生命活动的限制因子。利导因子促进生物的生长发育，而限制因子则制约生物生长与生产的发展。因而在当地的生态农业工程建设中，必须充分分析当地利导因子及限制因子的数量和质量，以选择适宜的物种和模式。•（6）效益协调统一原理。农业生态系统是一个社会-经济-自然复合生态系统，是由自然再生产和经济再生产交织的复合生产过程，具有多种功能与效益。既有自然的生态效益，又有社会的经济效益。只有生态与经济效益相互协调，才能发挥系统的整体综合效益。•2．生态地球化学•生态地球化学是环境地球化学的延伸和拓展，是一个崭新的前沿领域，也是地球化学发挥其社会功能的用武之地。它是横跨地质学、生物学、环境学的一门综合性学科。•目前主要研究:•①地球物质组成与生物、生物群落之间的关系，相互馈应机理，如各类地质体中化学元素组成、迁移、转化对生物生理、生态的影响及其毒理学效应；•②金属元素对农作物、人体健康的危害；•③生物活动对环境的影响、生态环境恶化机理及其防治对策。•3．农业生态地球化学•农业生态地球化学就是以农业生态系统为对象，研究地球表层介质中化学元素及化合物对作物生长发育所产生的影响和最终效果（生态效应）。•如开展名、优、特农产品地球化学特征调查，进行农业地质环境适宜性及农业经济区评价与研究，划分农业土壤安全区、优质区和污染区。在杭州萧山区圈出16万亩“绿色土地”。在安吉县圈出20万亩“绿色土地”。•二、农业生态系统•1.农业生态系统的概念•农业生态系统是指特定空间农业生物与其环境之间通过互相作用联结成进行能量交换和物质生产的有机综合体。•农业生态系统来自自然生态系统，并经人类改造而兼有两种属性的生态系统。因而，无论是生物组分还是环境组分，都与自然生态系统有很多相似的特征。然而，农业生态系统又是人类对自然生态系统长期改造和调节控制的产物，又明显区别于一般自然生态系统。农业生态系统与自然生态系统交错存在，互相影响，依赖自然生态系统维持其更好的稳定性。生态系统自然生态系统农业生态系统人工生态系统农田生态系统人工林生态系统人工草地生态系统牧场生态系统鱼塘生态系统养殖（蜜蜂、蚕）生态系统微生物（含食用、药用菌）生态系统生态系统组成图（人工系统）•2．农业生态系统的分类和特点•（1）农业生态系统的分类。•农业生态系统可以分成如下4类：•①农田生态系统。②森林生态系统。③草原生态系统。④内陆淡水生态系统。•（2）农业生态系统的特点。农业生态系统与自然生态系统一样，也由生物与环境两大部分组成。农业生态系统是人类强烈干预下的开放系统，目的是为了更多地获取农畜产品以满足人类的需要。农业生态系统中的农业生物具有较高的净生产力、较高的经济价值和较低的抗逆性。生物物种单一、结构简化、系统稳定性差、容易遭受自然灾害，需要通过一系列的农业管理技术的调控来维持和加强其稳定性。系统内的物种种类大大减少、食物链简化、层次减少，致使系统的自我稳定性明显降低，容易遭受不良因素的破坏。•3．生态农业•生态学在农业可持续发展中的应用与实践，最重要的就是生态农业。•简单他说“生态农业”就是“生态合理的现代化农业”。•它是运用生态学、生态经济学原理，系统工程方法实现高产、优质、高效与可持续发展的现代化农业生产体系。•三、农业生态地球化学的核心及基本任务•“高产、高效、优质”是生态农业发展之路，是农业地球化学逐渐兴起的根本原因。农业生态地球化学已经成为地球化学中有发展前途的新兴分支学科之一。土壤元素是农业生态地球化学研究的核心。元素丰度、存在形式和空间分布是地球化学研究的中心内容，也是农业地球化学研究的关键问题。从本质上讲，农业生态地球化学就是以营养元素或对人类有益或有害元素为研究对象，研究不同地质地球化学系统与农作物之间的相互关系和相互作用。•农业生态地球化学的基本任务就是：•（1）农作物营养元素或有害元素与农作物生长的关系及对农作物产量与质量的影响。•（2）研究成土母质与土壤的地球化学关系，土壤中元素全量与有效态的联系和转化及营养需求预测。•（3）土壤营养元素或有害元素的丰度、空间分布及赋存状态。•（4）研究不同地球化学背景的土地利用潜力、区域土地资源的地球化学区划和土地整治。第二节元素、土壤地球化学与农业•一、植物营养元素与有害元素•1．营养元素和必需元素•所谓植物营养元素，一般需具备以下三个条件：•（1）植物生长不可或缺的、组成生物机体的、缺少它不能正常生殖生长的。•（2）元素必须直接参与生理作用，起调节平衡作用，如激发酶系统调节体液平衡和酸碱平衡。•（3）在一般情况下，每一种元素的作用具有专一性，只有供给该元素才能得到改善。•植物必需元素有16种，即碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁、锰、铜、锌、硼、钼和氯。农作物营养元素的发现和确定时间元素发现和确定时间氢和氧早在化学元素发现以前，已知道水是植物必需的营养物质碳1800年由senebier和saussure确定为必需元素，空气中的二氧化碳是植物的主要碳源氮1804年由Saussure发现了植物对它的必需性磷、钾、镁、硫、钙在1838年由Sprengel等确定为植物的必需元素铁1804年由葡萄缺铁黄化而明确了铁是植物有必需元素锰1922年由McHargue确定为必需元素硼1923年由Warington发现为植物必需元素锌1926年Sommer等人发现燕麦灰斑病是由于缺锌所致，并证明锌是植物所必需的营养元素铜1931年Sommer等从番茄和其它作物上证明了植物对它的必需性钼1939年由Arnon和Stout发现氯发现最晚，1954年由Broyer、Cartton、Johnson和stout证明是高等植物有必需营养元素部分化学元素对农作物生长的作用元素世界土壤平均含量中国土壤平均含量在农作物中的作用B20×10-664×10-6硼对作物根、茎等器官的生长，幼小分生组织的发育及作物的开花结果均有重要作用。缺硼既能使作物的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱，又能使作物细胞器官的结构破坏导致作物的病态生长，如缺硼能使麦类雄蕊发育不良，雌蕊子房枯萎；棉花叶脉突出呈木质坏死，棉蕾易脱落；油菜心叶卷曲，下部叶片枯萎，主根萎缩，顶芽死亡等。Zn50×10-6163×10-6锌是作物生长不可缺少的元素，它是作物多种酶的组成部分，也是一些酶的激活剂和抑制剂，而且是氮代谢和蛋白质合成的核心。缺锌常使氮化物的转化和蛋白质的合成受阻，严重缺锌的土壤上，作物体内氮化物多聚集在营养器官中，影响籽实形成，直接影响产量。不同作物缺锌的主要症状为：水稻不长苗，主脉失绿，植株矮小（或称“僵苗”），严重时死亡；棉花叶片变厚变脆，易破裂，叶缘卷曲，生长停滞，植株矮小，豆类、水果（苹果、梨）落花、落果等。锌过量时伤害作物根系，根的生长受阻，老叶坏死；对大豆毒害，叶子卷曲茎轴枯死等。Mn100×10-6845×10-6锰是许多酶的活化剂。研究表明有23种金属--酶复合物需要锰激活。锰参与光合作用与氮代谢，锰有维持叶绿体膜正常结构的作用。锰还有调节作物体内氧化还原电位的作用，而且能促进和提高作物组织的持水能力，降低蒸腾强度。作物缺锰时，叶片脉间失绿，失绿部分渐变为灰色或局部坏死，叶片向内弯曲，形成枯叶。Mo1.2×10-61.71×10-6钼是作物的必须元素。是构成作物体内硝酸还原酶和氮酶的组成成分，对氮的代谢和果胶酶物质的代谢有重要影响，适量锰能提高作物对二氧化碳的吸收，促进碳素的同化。作物缺钼时，叶脉间叶色变谈、发黄，与缺氮和缺硫的病症相似，但缺钼的叶片易出现斑点，典型缺钼的症状是花椰菜“鞭尾病”和柑桔的“黄斑病”。Cu30×10-627×10-6铜主要参与光合作用和作物的氮代谢，它是质体青的必要组分。铜还能增强叶绿蛋白的稳定性，减少在黑暗中的叶绿体的降解。铜参与硝酸还原作用，还可能参与豆白红蛋白的合成。铜能调节生长氧化酶的活性和增强作物抗性。作物缺铜时，新叶失绿发黄，叶尖发白并卷曲，叶脉间出现坏死斑点。P0.08％0.02～0.l％土壤全磷量低于0.044％时，施用磷肥对绿肥、油菜、小麦等旱作物有显著增产效果。全磷低于0.02％时，磷肥对所有作物都显肥效。K1.4％钾是植物的重要营养元素。既是植物体内许多酶的活化剂，又能促进呼吸作用、光合作用和提高植物对病虫害、干旱和霜冻等不良环境的抵抗力。Fe4％2～7％铁是形成叶绿素不可缺少的元素，也是很多酶的活化剂，它又是光合作用中许多电子传递体的组成成分，铁还参与核酸和蛋白质的合成。桃、李、杏、枣等果树和其它林木需铁较多，豆科植物、高粱、甜菜含铁较多，柑桔果树常出现典型的缺铁症状。•2．有害元素•有害元素主要是重金属元素，如Cd、As、Hg等。•对农作物产生危害:一方面，重金属可以减少土壤微生物，降低土壤酶的活性，从而影响农作物的正常生长。另一方面，重金属对农作物的危害往往发生在植物吸收、积聚以后，首先危害根部的生长，进而波及整个农作物。同一种重金属元素对不同农作物的危害程度存在较大的差异，同一种农作物对不同浓度、不同种类的重金属的耐受性也不相同。•常见的症状：•（1）根部生长异常（2）黄化症状。（3）枯斑症状。（4）其他症状。•需要特别指出的是，有害元素与营养元素之间并没有绝对的界线，这涉及一个量的问题。•二、土壤地球化学•元素被作物从土壤中吸收、转化、利用的整个过程是十分复杂的。这就是元素的存在形式与生态效应的问题，其核心是元素的迁移、转化及生物地球化学循环，也是土壤地球化学的研究重点。•1.土壤的地球化学演化与我国的土壤地球化学分区•根据土壤地球化学类型的组合和分布特点，我国可划分为四个土壤地球化学区。自西北至东南分别为盐渍土区、碳酸盐土区、硅铝土区、铁铝土区。由于受地形、成土母质等因素的影响，每一土区的土壤性质、组合仍存在差异。分9大类33个亚类，可为农业区域布局，土地规划，环境评价，地方病治疗，矿产预测和勘探提供依据•（1）盐渍土区。分布于我国西