土壤肥力手册土壤肥力和土壤生产力的概念.doc

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1、第一章 土壤肥力和土壤生产力的概念1. 引言土壤是作物赖以生长并为全世界供给衣食的中介。了解土壤肥力就了解了作物生产的根本要求。没有肥沃的土地，农民如何有效地和有竞争力量地生产作物？！不懂得土壤的根本肥力学问，农业参谋如何帮助和支援农民？！土壤肥力对丰产土壤是至关重要的。但肥沃的土壤不肯定是丰产土壤。即使当土壤肥力充分时，排水不良、虫害、干旱和其它因素也可能限制作物生产。为了充分地生疏土壤肥力，我们必需了解提高或限制生产力的其它因素。为了解土壤生产力，我们必需生疏客观存在的土壤-作物关系。一些把握植物生长的外部因素有：空气、热量温度、光、机械支撑、养分和水分。除光以外，植物依靠土壤至少是局部地

2、猎取全部这些因素。每个因素都直接影响植物生长。每个因素又与其它因素互有联系。由于水和空气共据土壤孔隙，故影响水分关系的因素必定影响土壤空气。湿度变化又进一步影响土壤温度。养分有效性则又受到土壤与水分平衡以及土壤温度的影响。根系生长也受土壤温度、土壤水分和空气的影响。土壤肥力是现代农业动态系统中的一局部。养分总是以动植物产品的形式被“输出”。糟糕的是，另一局部养分由于淋洗和侵蚀而损失。还有一局部，如磷、钾等养分，被牢牢地束缚在土壤粘粒上。土壤有机质和土壤微生物不停地固定和释放养分。假设农业生产仅是封闭系统，养分平衡将会相当稳定。但它不是，这就是为什么要了解土壤肥力原理以从事有效的作物生产和环境保

3、护的重要性。本章的以下各节介绍了影响植物生长的土壤特性，也列出了植物必需养分元素并进展了分组。该手册的后面几章将介绍每一种植物养分的状况，包括作物高产量的养分移取量，养分在植物生长中的作用，植物的缺素病症，养分与土壤的关系及其肥源。2. 植物必需养分元素有 16 种化学元素是植物生长所必需的。它们被划分为非矿质和矿质两大类。2.1 非矿质养分元素非矿质养分元素，包括碳C、氢H和氧O。这些养分存在于大气和水中。它们被用于光合作用，如：光合作用的产物在植物生长中占绝大多数。二氧化碳、水或光缺乏都会降低作物生长。但由于用于光合作用的水的数量很小，在水分低到足以影响光合速率之前，植物早就显示出缺水。2

4、.2 矿质养分元素来自土壤的 13 种矿质养分元素，可划分成三类：大量养分元素、中量养分元素和微量养分元素。大量养分元素：氮N，磷P，钾K； 中量养分元素：钙Ca，镁Mg，硫S；微量养分元素：硼B，氯Cl，铜Cu，铁Fe，锰Mn，钼Mo，锌Zn。由于作物利用较大量的大量养分元素，这些元素通常先在土壤中消灭短缺。中量养分元素和微量养分元素的利用量小， 不那么常表现缺乏。但对完整的土壤肥力来说，它们和大量养分元素一样重要。无论何时何地作物需要它们时，作物必需得到它们。3 土壤质地和构造土壤质地是由砂粒、粉粒和粘粒在土壤中的数量打算的。土壤颗粒越小越接近粘粒，越大越接近砂粒。例如：1) 砂粒含量高的

5、土壤，按质地被分类为“砂土”。2) 当土壤中存在少量的粉粒或粘粒时，该土壤不是“壤质砂土”就是“砂质壤土”。3) 主要由粘粒组成的土壤为“粘土”。4) 当砂粒、粉粒和粘粒在土壤中的比例相等时，该土壤称作“壤土”。3.1. 土壤的 12 种质地类型(图：图 1-1 土壤砂粒、粉粒和粘粒含量构成的质地类型示意图)土壤质地和构造影响生长中的植物能够获得的空气和水分的数量。土壤颗粒大小的重要性在于两方面：1) 较小的土壤粘粒比大的砂粒更严密地结合在一起。这意味着供空气和水占据的孔隙较少。2) 土壤小颗粒比大土壤颗粒具有更大的外表积。例如，最大的粘土颗粒的外表积是最小的砂粒外表积的 25 倍。随着土壤外

6、表积的增加，其吸附或保持的水量增加。于是，由于砂土孔隙空间较大，水分能够自由地从土壤中排出，故砂土保持的水很少，粘土吸附相对大量的水分，而且粘土的小孔隙能够抑制重力而保持水分。虽然粘质土壤比砂质土壤的持水量大，但并不是全部的水分都对生长中的植物有效。粘土和那些有机质含量高的土壤比砂土保持的水分更紧固，这意味着其中的无效水分较多。所以，尽管粘质土比砂质土保持有更多的水分，但其中无效局部较多。3.2. 田间持水量和永久凋萎含水量“田间持水量”这一术语是指在重力水流停顿后土壤中保持的水量。用重量百分比表示。作物永久萎蔫后土壤的含水量称作“永久凋萎含水量”。虽然这时仍旧有水，但其被土壤紧紧吸持，植物无

7、法利用。对生长中的植物来说，土壤有效水是指土壤在田间持水量与永久凋萎含水量之间所含的水量。以下图 3 说明白土壤有效水随土壤质地的变化。(图：图 1-2 土壤质地和土壤有效水的关系)砂质土壤不能储存象粘质土壤那么多的水分，但其中有效水的百分比较高。因而如下图，在土壤质地和有效水间不存在固定不变的关系。细质地土壤如粘土易被压实。这便削减了土壤孔隙空间，限制了空气和水在土壤中的移动，这使大量降雨变为径流。即使在高降雨量的状况下，也将消灭缺水问题。粘土湿时很粘，干时则形成硬块。因此，耕作时和施用液氨时适宜的土壤含水量极为重要。砂质土壤由于保持水少而天生易旱。砂土构造松散，不象粘土那样易压实，因此易于

8、耕作。但是，含有大量极细砂粒的土壤也易于被压实。粉粒含量高的土壤通常是土壤构造最差的土壤。粉粒极严密地结合在一起，极易被压实。良好的治理能保持或改和蔼好的土壤构造。土壤团粒的大小和外形打算土壤构造的质量。最好的土壤构造是具有团聚颗粒的块状和粒状构造，这样空气和水分能够自由移动。土壤构造猛烈地影响根系和地上部的生长。当土壤较紧实时，大孔隙比例下降，根系生长停顿，产量下降。3.3. 作物生产的抱负土壤* 土壤质地和有机质含量适中，以使空气和水分的移动。* 足够的粘粒以保存土壤水分。* 土深且渗透性强，以及肥力充分。* 一个适于根系深扎以吸取水分和养分的环境。4 土壤胶体和离子土壤随着风化过程形成，

9、一些矿物和有机质被分解成极细小的颗粒。化学变化进一步使这些颗粒缩小后，肉眼便看不见。这些最细小的颗粒叫做“胶体”。科学家们已经了解到，矿物粘土胶体为片状构造，其性质上为晶体。在多数土壤中，粘土胶体在数量上超过有机胶体。胶体在土壤的化学反响中起主要作用。土壤母质和风化程度打算土壤中粘粒的类型。既然土壤胶体是由这些粘粒衍生而来，其反响性也受到土壤母质和风化作用的影响。每一胶体粘粒和有机质带净负电荷。电荷是在其成土过程中产生的。这就是说它能够吸引和保持带正电的颗粒，就象磁铁不同的两极相互吸引一样。胶体排斥其它带负电的颗粒，就象磁铁一样的两极相互排斥一样。带电荷的元素叫作“离子”。钾、钠、氢、钙和镁都

10、带正电荷。它们被称作“阳离子”，它们可以写成离子形式，如表1-1 所示。留意一些阳离子带一个以上的正电荷。阳离子 化学符号 离子形式(表：表 1-1. 一般土壤阳离子及其化学符号和离子形式 )钾钠氢KNa HK+Na+ H+钙CaCa+镁MgMg+带负电荷的离子为阴离子，如硝酸根、硫酸根离子等。表 1-2 为一些常见阴离子。(表：表 1-2. 一般土壤阴离子及其化学符号和离子形式 )阴离子 化学符号 离子形式氯ClCl-硝酸根 NNO -3硫酸根 SSO -4磷酸根 PH PO - 24带负电荷的胶体吸引并保持阳离子，就象一块磁铁吸住金属小片一样。胶体的这种特性解释了硝态氮NO -比铵态氮3N

11、H +更易从土壤中淋失的缘由。象土壤胶体一样，硝态氮带一个弱负电荷。所以，硝酸根不能被土壤保持，它作为自由 4离子保存在土壤水中，故在一些降雨条件下和某些土壤中，它通过土壤剖面被淋失。这个概念表示如图 1-3：(图：图 1-3 阳离子吸附于土壤粘粒和有机质，阴离子受到排斥)5. 阳离子交换量CEC被土壤胶体保持的阳离子可被其它阳离子取代。这就是说他们是可交换性的。钙可被交换为氢或钾，反之亦然。土壤能够保持的可交换性阳离子的总量土壤所带负电荷的总量称作土壤的“阳离子交换量”CEC。土壤的CEC 越高，它能保持的阳离子越多。土壤保持可交换性K+和其它阳离子的力量各不一样。CEC 取决于土壤中存在的

12、粘土和有机质的类型和数量。例如，粘粒含量高的土壤比粘粒含量低的土壤能够保持更多的可交换性的阳离子。同样，CEC 随土壤有机质的增加而增加。土壤 CEC 可以每 100 克土壤中的毫克当量数表示，计作 meq/100g。这样表示的唯一缘由是说明粘粒和有机质的相对 CEC。粘土矿物的 CEC 值通常在 10 至 150meq/100g 之间。有机质的CEC 在 200 至 400meq/100g 之间。所以，粘土和有机质的类型及数量极大地影响土壤的 CEC 值。在土壤高度风化、有机质含量低的地区，CEC 值较低。土壤风化程度低、有机质含量通常较高，CEC 值可能很高。CEC 值高的粘质土壤能保持大

13、量的阳离子，防止由于淋洗作用引起的潜在损失。CEC 值低的砂质土壤只能保持少量的阳离子。正因如此，施肥时间和施肥量在规划施肥打算中占据重要地位。例如，在秋季给极砂性的土壤施钾肥以供来春作物利用的做法可能不明智，特别是在秋雨和冬雨量高的地区。但是，在CEC 高的土壤上，便可以在秋季一次安全地施用足够供后茬一、二季作物利用的钾肥。另外，分期施氮肥、使用氮肥抑制剂和在作物需氮顶峰期施氮肥都很重要，可以降低氮从砂土乃至细质地土壤中淋溶的可能性。5.1. 阳离子交换量：土壤治理和施肥的助手阳离子是带正电荷的养分别子和分子，如钙Ca、镁Mg、钾K、钠Na、氢H和铵NH 。4粘粒是土壤带负电荷的组份。这些带

14、负电的颗粒粘粒吸引、保持并释放带正电的养分颗粒阳离子。有机质颗粒也带有负电荷，吸引带正电荷的阳离子。砂粒不起作用。阳离子交换量CEC是指土壤保持和交换阳离子的力量。阳离子正电荷的强度各异，这就使得一个阳离子能取代带负电荷土壤颗粒上的另一阳离子。(图：图 1-4 阳离子交换示意图)5.2. 不同阳离子交换量的土壤物理性质(表：表 不同阳离子交换量的土壤物理性质 )CEC 为 11-50 的土壤CEC 为 1-10 的土壤* 粘粒含量高* 砂粒含量高* 矫正-给定pH 需石灰较多* 氮，钾易淋失* 在给定土壤深度内保持养分力量较强 * 矫正-给定pH 需石灰少* 具高粘土含量土壤的物理性质* 具高

15、砂粒含量土壤的物理性质* 土壤持水量高* 土壤持水量低5.3. 土壤粘粒和有机质颗粒含量土壤质地 粘粒百分含量粉粘壤土 30%粘壤土35%粘土45%(表：表 土壤粘粒和有机质颗粒含量 )壤砂土5%砂壤土10%粉壤土20%为了解土壤中养分的行为，我们必需了解粘粒和有机质颗粒的作用。全部农业土壤都含有一些粘粒和一些有机质。主要土壤类型的粘粒含量如下所示。(图：图 1-5 土壤离子之间作用示意图)下面的图 6 说明：1铵离子NH4被粘土和有机质保持而防止淋失。2石灰中的钙固持在粘土和有机质上通常置换氢，使得土壤碱性更强。3土壤的盐基交换量在粘土、有机质和土壤水分间往复交换碱基中起作用，为生长中的作物

16、根系供给给分。5.4. 盐基饱和度盐基饱和度是指每一主要阳离子占总 CEC 的百分比，过去在制订施肥打算时常被使用。观念上认为，需要保持某些养分之间的比例，即“平衡”以保证作物最正确产量的适当吸取。但争辩说明，对大多数农业土壤来说，阳离子饱和范围没有多大用处。在大田环境下，即使养分范围很宽也不会造成损害，所以只要土壤中一种养分水平充分就可足以支持植物最正确生长。6. 土壤阴离子的保持土壤对阴离子的保持机制还不明确。例如，硝酸根是完全流淌性的，能随土壤水自由移动。在降雨量高的状况下，硝酸根向下移动。在极干旱的气候下，其随土壤水向上移动，在土壤外表积存。在肯定条件下，某些土壤可疏松地保持硫酸根。低

17、 pH 值时，在粘土如高岭石的断裂边缘可产生正电荷。在表层土或底土层含有水化铁铝氧化物的土壤可通过产生的正电荷吸附一些硫酸根。但是，在土壤 pH 超过 6.0 时，这种低保持作用很小。在干旱和半干旱地区，通过石膏积存可保持相当数量的硫。硫酸盐可被保持在土壤胶体的外表上，硫酸根离子也可被土壤吸附的其它络合物疏松地吸持，有机质有时会产生正电荷， 此时，它们可吸附硫酸根。7. 土壤有机质土壤有机质由不同腐解阶段的植物和动物的残留物组成。充分的有机质对土壤有多方面的好处：1改善土壤物理状况；2增加水分入渗；3改善土壤耕性；4削减土壤侵蚀损失；5向植物生长供给给分。大多数的好处来自于土壤有机质残留物分解

18、时释放的产物。有机质大约含 5%的全氮量，因此它是备用氮库。但有机质中的氮为有机化合物形态，由于土壤有机质的分解很慢，不能马上供植物生长利用。尽管土壤可能含有丰富的有机质，但为保证非豆科作物有足够的速效氮源，氮肥仍是需要的，特别是对那些需氮量高的作物。土壤有机质也含有其它植物必需养分元素。植物和动物残留物含有数量不同的矿质养分，如磷、镁、钙、硫和微量元素，当有机质分解时，这些养分元素便对生长中的植物有效。有机质分解有助于释放养分，但在分解过程中，氮和硫可能临时被固定起来。分解有机质的微生物需要氮来合成其机体内的蛋白质。假设被分解有机质的碳/氮比C/N高，即含氮量低，那么这些微生物将会利用土壤有

19、效氮和肥料氮。所以，当棉花残茬和玉米秸杆或燕麦和小麦篙杆掺入土中时，假设不久将播种作物，就应当增施氮肥，否则，作物可能会临时缺氮。随着土壤生物的死亡和腐解，被固定在其体内的氮，最终将变成有效氮。承受保护性耕作，而且随着作物产量提高而残茬增多，需要格外加强氮治理，直到到达的养分平衡。要警觉氮过少引起短缺。同时留意不要过量施氮，将硝酸盐淋溶把握在最低水平。请参阅第 10 章更详尽的氮治理表达。一些土壤含有机质很少。在潮湿地区，由于气候温温存雨量充分有利于有机物的快速分解，大多数土壤的有机质含量历来不高。但是争辩说明，只要治理适当，这种土壤有机质水平也能提高，取得高产并积存更多残茬。在冷凉的地区，有

20、机质分解较慢，自然有机质含量可能相当高。在施肥充分和治理措施良好的条件下，可以产生更多的作物残茬。在高产玉米地上， 籽粒收获后有高达 1.3 吨/亩的玉米残茬留下来。这些残茬有助于维持或提高土壤有机质水平。它们有助于改善土壤的物理、化学和微生物性质。应定期向土壤施用作物残茬，以维持作物生产水平。因此，重要的一点是保持充分的残茬量进入土壤循环。8 影响土壤生产力的其它因素8.1 土壤深度土壤深度可定义为利于植物根系穿透的土壤层深度。具抱负质地、构造深厚和排水良好的土壤有利于作物生产。植物需要足够的深度供根系生长和吸取养分和水分。只要土壤条件允许，根系可伸展到 0.91.8 米甚至更深。紫花苜蓿根

21、系可到达9 米多深。生根深度受土壤物理和化学障碍层及高水位的限制。硬磐、页岩层、砾石层和土壤物质高达毒害浓度等状况是极难转变的。但高水位通常可以通过改善排水而转变。表 1-3 是通过土壤深度对一般土壤生产力的分级。作物根系可利用的土壤深度(米) 相对生产力(%)(表：表 1-3. 土壤深度对相对生产力的影响 )0.30350.61600.91751.22851.52951.831008.2. 地表坡度地形对径流量和侵蚀量在很大程度上起打算作用。它同时打算浇灌方法、排水和其它为保持水土所需的最正确治理措施。土地的坡度越陡，越需要加强治理，因而增加了劳力和设备费用。在到达肯定的坡度时，土壤便不宜于

22、中耕作物的生产。表层土壤的易蚀性及土壤坡度是土壤潜在生产力的打算因素。表 1-4 是依据土壤坡度和易蚀性对土壤生产力的分级。(表：表 1-4. 土壤坡度对相对生产力的影响 )土壤坡度(%)相对生产力(%)*不易侵蚀的土壤易侵蚀的土壤0-1100951-390753-580505-86030注释：*少耕法有利于降低坡度的不利影响。8.3. 土壤生物有很多种类的生物生活在土壤中。它们的尺寸从显微级的细菌、线虫和真菌至肉眼易见的种类蚯蚓和昆虫幼虫。一些微生物能引起很多有益的土壤反响，如，植物和动物残留物的腐解。另一些反响是有害的，如那些导致植物和动物病害的生物的发育。大多数的土壤生物依靠土壤有机质供

23、给食物和能量，因而经常存在于土壤表层 30 厘米范围内。影响土壤生物丰度的因素包括：水分、温度、通气状况、养分供给、土壤 pH 值以及种植的作物。良好的施肥治理连同其它最正确治理措施有助于土壤微生物维持在最抱负的水平。第三章将争辩一些种类的土壤生物的活动。9 养分平衡养分平衡是土壤肥力和作物生产的一个关键概念。氮可能是非豆科植物的第一个限制性养分。但没有数量充分的其它养分，氮不能最好地发挥作用。当氮肥增产时，作物要求更多的其它养分表 1-5。(表：表 1-5. 当饲料作物获得更多的氮时，它们也需要更多的钾 )年施氮量 K O 移取量2公斤/亩07.57.513.415.017.222.418.

24、3良好的作物生长需要适当的养分平衡。表 1-6 的玉米生产说明在美国伊利诺斯州低磷土壤上磷对高施氮量的重要性。(表：表 1-6. P 对玉米产量、N 利用绿 P 吸取量的影响 )施 P O 量 玉米产量 N 吸取量 N 利用率2 5公斤/亩公斤/公斤 N0606.114.136.01.5660.415.439.63.0706.416.542.06.0727.317.043.89.0748.217.545.010. 小结有很多因素把握土壤生产力。肥料使用仅是其中之一。假设不承受完善的作物生产措施，将会降低肥料的潜在效益并限制土壤生产力。把握并运用把握土壤生产力的因素是这本培训手册的全部目的所在。该手册不能答复我们的全部问题，但它将帮助我们解决那些限制土壤生产力量的问题。参见正文