6.土壤养分的有效性

第六章土壤中各种营养元素的全量是很丰富的，但其中绝大部分对植物是无效的，只有少部分在短期内能被植物吸收的土壤养分才是植物的有效养分。土壤中的生物有效养分具有两个基本特点：一：以矿质养分为主；二：位置接近植物根表或短期内可以迁移到根表的有效养分。（1）土壤中矿质态养分的浓度、容量与动态变化；（2）根对养分的获取与养分向根表迁移的方式与速度；（3）在根系生长与吸收的作用下，土壤中养分的有效化过程以及环境因素对养分有效化的影响。“土壤养分生物有效性”的含义有三方面：第一节土壤养分化学有效性土壤测试标准方法速测方法指标和分级233化学有效养分是指土壤中存在的矿质态养分，主要包括可溶性的离子态与简单分子态养分，易分解态和交换吸附态养分以及某些气态养分。化学有效养分通常可以采用不同的化学方法从土壤中提取出来。土壤中能为当季作物吸收利用的那一部分养分。田间施肥一.化学浸提的有效养分（一）化学有效养分的提取提取土壤有效养分的化学浸提剂因营养元素和土类型的不同而异。提取原理在化学法之外，还有物理化学方法（如电超滤法）。一.化学浸提的有效养分（二）化学有效养分测定值的相对性不同化学浸提方法所测出的“有效养分”的数值在很大程度上取决于浸提剂的类型不同方法间缺乏相互比较的基础。不同浸提剂提取15种土壤所测得有效磷的平均含量1.Olsen法NaHCO324.92.Machiqin法(NH4)2CO323.93.Al-Abbas-法NaOH+Na2C2O430.44.双酸法HCl+H2SO429.45.MehlichIII法HAc+NH4NO3+NH4F+HNO3+EDTA70.16.Soltanpour法NH4HCO3+DTPA14.87.MeugepqkoB法(NH4)2C2O4+NH4HCO346.9测定方法浸提液种类有效磷（Pmg/kg）ICPAAS（三）化学有效养分与植物吸收的相关性由于化学浸提法测得有效养分是相对值，在应用前需要与生物试验的结果进行相关研究。化学有效养分测定数值有时很难反映植物的生长状况和产量水平。一.化学浸提的有效养分（四）化学有效养分在推荐施肥中的应用在实际中常用化学有效养分含量作为推荐施肥的依据。一.化学浸提的有效养分不同地区土壤有效磷含量与建议施磷量的关系80160240255075土壤有效磷含量(mg/kgP)建议施磷量(kg/ha)二、养分的强度因素与容量因素（一）养分的强度因素（I）是指土壤溶液中养分的浓度。强度因素是土壤养分内供应的主要因子。（二）养分的容量因素（Q）是指土壤中有效养分的数量，也就是不断补充强度因子的库容量。容量因素对强度因素的补充不仅取决于养分库容里量的大小，还决定于储存养分释放的难易程度。这要受到土壤、水分、温度、通气等土壤条件以及植物根系生长的影响。土壤溶液中养分浓度活性养分库在生长期内释放的养分土壤矿物和有机残留物田间根系体积强度容量快慢很慢土壤养分供应强度与容量的示意图表示土壤保持一定养分强度的能力。它关系着养分供应的速度，反映强度随数量变化的关系。可以用△Q/△I的比率来表示，比率越大，土壤养分的缓冲力就越强。应用强度/容量关系描述土壤养分有效性，可以从养分转化的动态过程来考虑养分的有效性。3.缓冲因素(缓冲容量)土壤溶液中K+的强度(I)两种不同容量土壤对K+缓冲力比较的图示K+的吸附数量（Q)QII土壤A土壤B土壤A土壤B第二节一、养分位置与有效性土壤中有效养分只有达到根系表面才能为植物吸收，成为实际有效养分。对于整个土体来说，植物根系仅占据极少部分空间，平均根系土壤容积百分数大约为3%。因而养分的迁移对提高土壤养分的空间有效性是十分重要的。土壤有效养分示意图212.化学有效养分1.生物有效养分二、养分向根表的迁移土壤中养分到达根表有两种机理：其一是根对土壤养分的主动截获；其二是在植物生长与代谢活动（如蒸腾、吸收等）的影响下，土壤养分向根表的迁移。123土壤根地上部截获是指根直接从所接触的土壤中获取养分而不经过运输。截获所得的养分实际是根系所占据土壤容积中的养分，它主要决定于根系容积大小和土壤中有效养分的浓度。（一）质流植物的蒸腾作用和根系吸水造成根表土壤与土体之间出现明显水势差，土壤溶液中的养分随水流向根表迁移。其特点是运输养分数量多，养分迁移的距离长。养分通过质流到达根部的数量取决于植物的蒸腾率和土壤溶液中该养分的浓度。土壤养分向根表的迁移有两种方式：即质流和扩散。当根系截获和质流作用不能向植物提供足够的养分时，根系不断的吸收可使根表有效养分的浓度明显降低，并在根表垂直方向上出现养分浓度梯度差，从而引起土壤养分顺浓度梯度向根表运输。土壤养分的扩散作用具有速度慢距离短的特点。扩散速率主要取决于扩散系数。(二)扩散123土壤根地上部（1、截获2、质流3、扩散）植物根获取土壤养分的模式图部分养分离子在不同介质中的扩散系数K+H2PO4-NO3-Ca2+Mg2+K+H2PO4-NO3-250C水250C水250C水250C水250C水土壤土壤土壤1.98×10-50.89×10-51.90×10-50.78×10-50.70×10-510-7~10-810-8~10-1110-6~10-7离子种类介质扩散系数D（cm2/s）离子在不同介质中的扩散系数与移动距离的估算值*离子扩散系数土壤中移动距离/mm•d-1水土NO3-K+H2PO4-1.9×10-92.0×10-90.9×10-95×10-115×10-121×10-133.00.90.13引自Jungk.1991.（三）不同迁移方式对植物养分供应的贡献在植物养分吸收总量中，通过根系截获的数量很少。大多数情况下，质流和扩散是植物根系获取养分的主要途径。对于不同营养元素来说，不同供应方式的贡献是各不相同的，钙、镁和氮（NO3-）主要靠质流供应，而H2PO4-、K+、NH4+等扩散是主要的迁移方式。在相同蒸腾条件下，土壤溶液中浓度高的元素，质流供应的量就大。不同迁移方式对小麦根系养分的相对贡献*养分供应量(kg/ha)养分耕层有效养分含量(kg/ha)植物吸收总量(kg/ha)截获质流扩散钙4000454090_镁80035875_钾30011031295磷1003010.1228.9氮500190215038*根据Baeber（1974）估计，根容积等于土壤容积的1%土壤饱和水溶液中几种养分的浓度*养分种类NO3-NH4+H2PO4-+HPO42-K+Ca2+SO42-Mg2+养分浓度(mmol/L)0.1-2.00.1-2.00.001-0.020.1-1.00.1-5.00.1-10.00.1-5.0*土壤是美国北部中性淋溶土H2OH2OH2O截获质流扩散三、影响养分移动的因素（一）土壤湿度—扩散（二）养分浓度—梯度（三）土壤质地—吸附固定养分向根表的迁移受到根系吸收和土壤供应两方面的影响。土壤含水量对K+扩散率（K+mg/cm2天）的影响土壤交换性钾含量（K+cmol/kg）0.41248104.1040557875土壤含水量4%10%20%30%第三节植物根系的生长与养分有效性一、植物根系的特性（一）形态结构单子叶植物的根属须根系，粗细比较均匀，根长和表面积都比较大。双子叶植物的根属直根系，粗细悬殊较大，根长和总吸收表面积都小于须根系。（二）根毛除洋葱、胡萝卜等少数植物没有根毛或根毛少而短之外，大多数农作物的根系都有根毛。根毛的存在缩短了养分迁移到根表的距离，增加总吸收表面积。根毛的另一作用是加强共质体的养分运输。0钾吸收速率(pmolcm-1s-1)0.10.20.30.40.5020406080根毛圆柱体的容积(mm3/cm)洋葱玉米黑麦草属番茄油菜0.6植物根毛容积对吸K+速率的影响（三）根系深度与底层土壤养分的有效性根系分布深度关系着植物从土壤剖面中获取养分的深度和有效空间。舂小麦不同生育期从各土层的相对吸磷率（%）生育期孕穗期开花期灌浆期舂小麦吸磷总量（Kg/ha天）0.3450.2650.145土层深度（cm）83.38.15.92.758.817.816.37.167.415.512.05.10~3031~5051~7576~90（四）根系密度与养分空间有效性根系密度是指单位土壤体积中根的总长度，表示有多大比例的土壤体积向根供应养分。不同根系密度情况下，土体向根供应磷、钾养分的相对有效体积土层深度（cm）根系密度（cm/cm3）养分供应的相对有效体积（%）0~1010722磷钾2050512二、影响根系生长的环境因素（一）土壤物理因素二、影响根系生长的环境因素通常根系生长最适温度范围在20~250C之间，土壤温度过高或过低都可能抑制根系的生长。10oC15oC20oC25oC30oC35oC根区温度对马铃薯幼苗根形态和地上部生长的影响根系趋肥性施肥促进根系生长硝酸盐信号作用（二）土壤养分状况0.01mM0.01mM养分供应浓度1.00mM养分浓度---调控根系形态和构型的信号物质根系生长对钙的需要量因作物种类而异，也与环境的pH和Al3+的浓度有关。（三）土壤pH与钙、铝等阳离子的浓度00.20.40.60.81.01.00.60.2钙/阳离子总量的摩尔比相对根长土壤溶液中钙/阳离子总量摩尔比对棉苗根系生长的影响低浓度的富里酸可以促进发根和根的伸长，较高浓度下的酚类和短链脂肪酸类等低分子化合物可以抑制根的生长。淹水条件下，乙酸和其它挥发性短链脂肪酸积累到一定浓度时，对根系的生长不利。在有机质含量高或施入大量新鲜有机物而又通气不良的土壤上，根际微生物活动可能导致根际微区累计大量乙烯，抑制根系的扩展。（四）有机物第四节植物根际养分有效性根际是指受植物根系活动的影响，在物理、化学和生物学性质上不同于土体的那部分微域土区。根际的范围很小，一般在离根轴表面数毫米之内。根际的许多的化学条件和生物化学过程不同于原土体。其中最明显的就是根际pH、氧化还原电位和微生物活性的变化。根际动态过程中的化学反应•养分梯度变化•根际pH变化•氧化还原势•水分变化•根分泌物•根际微生物分泌物•病原微生物•非病原微生物•其它根际微生物•VA菌根·酸碱平衡·沉淀-溶解平衡·吸附-解吸附平衡·络合-解离平衡一、根际养分（一）根际养分浓度分布根际养分的分布与土体比较可能有以下三种状况：根际养分分布类型根际富集：截获+质流吸收量根际亏缺：截获+质流吸收量不变化：截获+质流=吸收量123+-001234养分浓度离根表距离（mm）不同条件下根际养分浓度变化模式图（1、积累2、亏缺3、持平）玉米的水分吸收与根际钠，氯积累的关系水分吸收（蒸腾ml/cm×10）氯（Cl-）（mg/Kg）钠（Na+）（mg/kg）根表电导率（nS/cm）土体根际根表土体根际根表0.380.460.820.953104105802203404101.383604306502803304502.284306609703604906803.7944064012803805709005.02影响根际养分分布的因素土壤因素：类型、质地、养分含量、水分养分因素：种类、形态植物因素：种类、基因型、根的部位、年龄农事因素：施肥、灌水玉米根际主要养分的浓度分布情况00.10.20.31.00.60.2离根距离（cm）相对浓度梯度0.80.40.0PKNO3距根表距离(mm)0土壤溶液中钾的浓度(μmol/L)200400600123456土壤B,4%粘粒土壤A,21%粘粒2-3μmol/L钾800土壤不同粘粒含量与玉米根际K+的浓度分布的关系二、根际pH根际pH值变化的原因复杂，主要有：根系吸收作用和根际微生物的呼吸作用释放CO2；根尖细胞伸长过程中分泌的质子和有机酸；根系吸收阴阳离子的不平衡。（一）根际pH值变化的原因（二）影响根际pH变化的因素1.氮素形态NO3-NNH4-N：土体的pH值不同形态氮肥对根系各部位pH值的影响NO3--NN2NH4+-N6.06.06.16.06.06.16.05.65.65.65.65.65.75.76.46.46.26.35.4