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第十一章土壤肥力和养分管理下篇土壤利用与管理第一节土壤肥力与土壤养分的生物有效性一、土壤肥力与土壤生产力（一）土壤肥力(soilfertility)土壤肥力是土壤的本质。一般西方土壤学家传统地把土壤肥力就是土壤养分；苏联土壤学家威廉士认为土壤肥力因素包括土壤养分和土壤水；美国土壤协会（1978）对土壤肥力的定义是：“土壤肥力是指土壤供应植物所必需的养料之能力，以及与养料供应有关的各种土壤性质与状态。”一般认为，土壤的肥力因素至少应该包括水分、养分、空气、和温度四者。四者简称为水、肥、气、热四大肥力因素。其中水、肥、气是肥力的物质基础，热是能量条件。四大因素之间，互有制约作用，综合起来，就构成肥力。任何一种土壤的肥力特征都无非是水、肥、气、热各肥力因素的综合反映。我们对土壤肥力定义：土壤肥力是指在作物生长期间，土壤经常不断地、同时适量地提供并协调作物所必须的扎根条件、水分、养分、空气（氧）、热量（温度）以及不存在毒害物质的性能。从肥力的演变过程（主导因素）来看，分为自然肥力（naturalfertility)：土壤在自然因子即五大成土因素（气候、生物、母质、地形和时间）的综合作用下发育而来的肥力。人工肥力（anthropogenicfertility）：土壤在耕、施肥、灌溉及其它技术措施等人为因素影响作用下发育而来的肥力。就植物的有效性而言，分为：•土壤有效肥力（effectivefertility）：在一定农业技术措施下反映土壤生产能力的那部分肥力。•土壤潜在肥力（potentialfertility）：受环境条件和科技水平限制暂不能被植物利用的那部分肥力。（二）土壤生产力（soilproductivity）：土壤产出农产品的能力。是由土壤本身的肥力属性和发挥肥力作用的外界条件所决定的。二、土壤养分的生物有效性（一）土壤养分元素养分是维持生物体生命周期所必需的化学元素。地壳中发现90余种元素，它们在地壳中的存量差异很大，其中氧、硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠8种占90%以上；其余元素含量微小，占不到2%。这90多种元素在植物或动物体内几乎都被发现，但并不都是动植物所必需的。其他元素必需营养元素非必需营养元素有益元素其它元素植物的营养成分生命元素：植物和动物所必需的元素；有益元素：铝、硅、锂、银并非植物、动物和人体所必需的，但适量存在能促进生物体的生长发育，称为~；有毒元素（污染元素）：铅、汞、镉等元素对生物体易产生直接或间接的毒害作用，称为~；注意：有益元素和有毒元素之间只是量的差异，在适量低浓度下有毒元素对植物生长也起促进作用。相反，有益元素过高就会产生毒害作用。即使是植物必需的氮、磷等元素过量，也会对植物产生不良影响。植物所必需的营养元素亚农（Arnon）1954年对植物“必需”的养料元素定了三条标准：1、这种元素对所有高等植物的生长发育是不可缺少的。如果缺少该元素，植物就不能完成其生活史；（必要性）2、这种元素的功能不能由其它元素所代替。缺乏这种元素时，植物会表现出特有的症状，只有补充这种元素后症状才能减轻或消失；（专一性）3、这种元素必须直接参与植物的代谢作用，对植物起直接的营养作用，而不是改善环境的间接作用。（直接性）MnBFeSNCOHCaKPCuClZnMgMoNi植物必需营养元素的种类：17种这是路密斯（Loomis）和许尔（Shull）于1973年首先使用的名称。按习惯标准：大量元素：植物对这种元素的需要量超过1ppm。前九种属之。前九个占干体重的绝大多数，即植物吸收的数量大，通常占植物干重千分几到百分之几十。微量元素：植物对这种元素的需要量小于1ppm。通常其总量小于植物干重的0.1%。大量元素和微量元素CO2O2SO2H2OO2MineralNutrients植物养分来源示意图土壤养分三要素氮、磷和钾主要来源于土壤，简称土壤养分三要素。在植物所必需的营养元素中，C、H、O大约占植株干重的95%。碳主要来自与大气中的二氧化碳，而H、O则来自与土壤中的水分，氧可来自空气。氮则除豆科作物外大部分来源于土壤。其所以重要就在于必须经常调节其供不应求的状况，而不是指它们在作物营养中所起的作用。（二）土壤养分的生物有效性土壤养分的有效性是对高等植物而言的，指土壤中养分元素活化、迁移与植物根系对养分元素的吸收、输送的复合过程。有效养分是指土壤中能够与植物根系接触、被植物吸收并影响其生长速率的那部分养分。211、土壤养分的形态有效性养分的化学形态是指养分元素在土壤中以某种分子或离子的形式存在，实际上包括价态、化合态和结合状态等。原生矿物和有机质结构中养分（极低效）黏粒和腐殖质胶体中养分（低效性）吸持在胶体表面的养分（中度有效性）土壤溶液中养分（速效养分）图11-1土壤养分的有效性根据化学结构，土壤中的养分可分为无机和有机两种形态。所有无机盐类和矿物质是无机态养分，有机形态的养分包括腐殖质等所有有机物质中的养分。土壤中的金属营养元素大部分为无机形态，少部分为有机形态；氮、磷、硫等非金属营养元素很大一部分为有机形态，如土壤中的氮90%以上为有机形态。根据存在的形态，土壤中的养分可分为水溶态、吸附态、矿物态。水溶态养分包括溶解在土壤水溶液的养分离子和作物能够吸收的有机小分子等物质；吸附态养分主要是指吸附在土壤有机和无机胶体颗粒表面的养分离子，也包括少量被吸附有机物质。吸附态的养分，一部分可被其它离子交换下来，进入土壤溶液中，成为水溶态养分。矿物态养分是指存在于矿物质中的养分，主要是存在于硅酸盐等无机矿物中的养分。土壤中养分大部分为矿物形态，吸附态和水溶态只占很少一部分，尤其是水溶态养分的含量，一般都只有百万分之几或更低。根据对作物的有效性，土壤中的养分可分为有效养分和无效养分。有效养分又分为速效养分和缓效养分。速效养分是指当季作物能够直接吸收的养分，包括水溶态养分和吸附在土壤胶体颗粒上容易被交换下来的养分，其含量的高低是土壤养分供给的强度指标。缓效养分是指当季作物不能直接吸收，必须经过转化才能被作物吸收，包括大部分有机态养分和部分不太容易被交换下来的吸附态养分，以及一些容易分解的矿物质中的养分，缓效态养分是土壤养分供给的容量指标。2、土壤污染元素的形态有效性21沿用土壤养分的生物有效性概念，以重金属污染物为主。在土壤环境质量评价中，传统以重金属全量作为评价指标，不能反映大多数重金属元素对生物的污染毒害状况，其污染毒性同样主要取决于化学形态有效性。根据重金属元素被提取程度的难易，将土壤中重金属分为不同形态或化学相。方法有单一提取法和连续提取法。表11-2常见土壤、沉积物中金属形态的分级方法金属的结合形态分离提取方法可交换态1、0.1mol/LBaCl2，pH=8.1；2、1mol/LNH4Cl；3、1mol/LMgCl2，pH=7.0；4、0.5mol/LNaCl-MgCl2,40℃下浸提6h；5、EDTA碳酸盐结合态1、通入CO2；2、1mol/LHAc；3、1mol/LNaAc，用HAc调节pH至5.0铁锰氧化物结合态1、盐酸羟胺+25%HAc；2、0.04mol/L盐酸羟胺+25%HAc在（96±3）℃下浸提；3、溶于0.01mol/LHNO3中的0.1mol/L盐酸羟胺；4、用连二硫酸钠还原，柠檬酸配合；5、2mol/LHCl在40下浸提6h；6、0.3mol/L柠檬酸钠+1mol/L碳酸氢钠+连二硫酸钠；7、0.3mol/LHCl在90下浸提30min；8、酸性草酸铵（提取铁氧化物中的铜和锰）有机物及硫化物结合态1、30%H2O2，加热至85℃，用溶于6%HNO3的1NH4AC提取，pH=2.2；2、30%H2O2，加热至85℃，用0.01mol/LHNO3提取；3、5%H2O2-2mol/LHCl，40下浸提6h；4、用次氯酸钠氧化，然后用连二硫酸钠、柠檬酸盐处理硅酸盐结合态（残渣态）1、HNO3+HF+HClO4；2、HF+HClO4；3、HNO3-H2SO4（用于测定Cr和Cu）；4、偏硼酸锂熔融（1000℃），再以HNO3提取（《土壤化学与环境》，易秀主编，2007）土壤有效养分示意图3、养分及重金属元素的空间有效性空间有效养分是指植物根系活动的特区，即根际土壤微区在植物生长发育过程中根系能直接接触到并可吸收利用的部分，除土壤溶液中可溶性部分外，还包括迁移到根土界面的一部分。空间有效性受土壤、植物和多种环境因子的影响，土壤酸碱效应、氧化还原效应、溶度及配位效应等土壤理化性质以及植物根系总量、根长、根比表面积和根毛数量、分布特征、土壤水分运移和根系吸收水分能力等都对空间有效性起调控作用。②化学有效养分①生物有效养分21第二节土壤养分的供应和迁移过程一、植物根系吸收养分的过程图11-2植物根系吸收养分的过程（张福锁等，2006）质外体有机物固持的养分根际无机沉淀物中的养分土壤溶液养分表面吸附的养分地上部分吸收的养分a.功能；b.再转移；c.再利用分泌,交换吸附根中的养分木质部运输韧皮部运输溶解沉淀土壤过程根际过程植物过程二、土壤溶液中养分的补给与供应土壤溶液是植物营养的“瓶颈”。在研究植物养分的有效性中，提出了养分的强度因素和容量因素指标。通常以Q/I关系图表示，即当溶液中养分强度改变一个单位，所引起的土壤固相吸附态养分的变化量。用养分的缓冲因素来衡量土壤的供肥特性。不同养分元素如氮、磷、钾在土壤中的缓冲因素差异很大。土壤黏粒类型、含量及表面积不同，土壤质地、容量及酸碱度不同，其缓冲因素不同。缓冲因素大小可作为土壤养分的供应特性，估测土壤养分补给能力。一般而言，缓冲容量越大，能提供补给的养分越多；另一方面，施肥所需要投入的养分元素更多才能使土壤溶液养分达到一定的浓度。在相同的温度下，土壤吸附的磷酸根的量与溶液中的磷酸根的浓度有关。当磷的浓度高于平衡浓度时，磷被吸附；反之被解吸。磷的吸附1、截获；2、质流；3、扩散。三、土壤养分向根系的移动根系获取养分的模式截获（Interception）定义：是指植物根系在生长过程中直接接触养分而使养分转移至根表的过程。实质：接触交换数量：约占1％，远小于植物的需要质流（Massflow）定义：是指由于水分吸收形成的水流而引起养分离子向根表迁移的过程。影响因素：与蒸腾作用呈正相关与离子在土壤溶液中的溶解度呈正相关迁移的离子：氮(硝态氮)、钙、镁、硫扩散（Diffusion）定义：是指由于植物根系对养分离子的吸收，导致根表离子浓度下降，从而形成土体－根表之间的浓度梯度，使养分离子从浓度高的土体向浓度低的根表迁移的过程。影响因素：土壤水分含量养分离子的扩散系数土壤质地土壤温度迁移的离子：磷、钾、氮（NH4+)第三节农田养分管理一、养分管理的概念（一）养分的资源性质1、养分来源广泛性2、养分循环和再利用性3、养分的流动、迁移性（二）农田养分管理的概念美国自然资源保护服务中心（NaturalResourceConservationService）的定义：平衡和供给作物生产所需要植物养分，合理利用植物养分，保持和改善土壤质量，保护水、空气、植物、动物和人类资源。20世纪90年代初我国科学家的定义：从农田生态系统的观点出发，利用自然和人工的养分资源，通过有机肥与化肥投入、土壤培肥与保护、生物固氮、植物品种改良和农艺措施等有关技术的综合运用，协调农业生态系统中养分的输入、输出和投入产出平衡，调节养分循环与再利用强度，实现养分的高效利用，使生产、生态、环境和经济效益协调发展。二、农田养分管理的基本原理（一）多目标养分管理高产优质环境友好、生态安全（二）养分高效利用科学施肥；挖掘盘活土壤固有的养分潜力，提高土壤养分的有效性；加强环境废弃物养分的再循环利用。（三）农田养分平衡Bk0，表示养分有残留盈余；Bk0，表示作物携出量超过输入量。njjmiikQIB11养分输入化肥有机肥环境养分养分残留残茬还田养分转化农田土壤养分盈余农田土壤肥力提高或退化养分输出作物收获养分损失图11-6农田的输入输出平衡（四）养分分类管理氮、磷、钾养