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　　土壤生產(chǎn)力的概念是什么

第一章 土壤肥力和土壤生產(chǎn)力的概念

1. 引言

土壤是作物賴以生長并為全世界提供衣食的中介。了解土壤肥力就了解了作物生產(chǎn)的基本要求。

沒有肥沃的土地，農(nóng)民如何有效地和有競爭能力地生產(chǎn)作物？！

不懂得土壤的基本肥力知識，農(nóng)業(yè)顧問如何幫助和支援農(nóng)民？！

土壤肥力對豐產(chǎn)土壤是至關(guān)重要的。但肥沃的土壤不一定是豐產(chǎn)土壤。即使當(dāng)土壤肥力充足時，排水不良、蟲害、干旱和其它因素也可能限制作物生產(chǎn)。為了充分地認(rèn)識土壤肥力，我們必須了解提高或限制生產(chǎn)力的其它因素。

為了解土壤生產(chǎn)力，我們必須認(rèn)識客觀存在的土壤-作物關(guān)系。一些控制植物生長的外部因素有：空氣、熱量（溫度）、光、機(jī)械支撐、養(yǎng)分和水分。除光以外，植物依賴土壤（至少是部分地）獲取所有這些因素。每個因素都直接影響植物生長。每個因素又與其它因素互有聯(lián)系。因為水和空氣共據(jù)土壤孔隙，故影響水分關(guān)系的因素必然影響土壤空氣。濕度變化又進(jìn)一步影響土壤溫度。養(yǎng)分有效性則又受到土壤與水分平衡以及土壤溫度的影響。根系生長也受土壤溫度、土壤水分和空氣的影響。

土壤肥力是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)動態(tài)系統(tǒng)中的一部分。養(yǎng)分總是以動植物產(chǎn)品的形式被“輸出”。糟糕的是，另一部分養(yǎng)分由于淋洗和侵蝕而損失。還有一部分，如磷、鉀等養(yǎng)分，被牢牢地束縛在土壤粘粒上。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物不停地固定和釋放養(yǎng)分。假如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)僅是封閉系統(tǒng)，養(yǎng)分平衡將會相當(dāng)穩(wěn)定。但它不是，這就是為什么要了解土壤肥力原理以從事有效的作物生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的重要性。

本章的以下各節(jié)介紹了影響植物生長的土壤特性，也列出了植物必需營養(yǎng)元素并進(jìn)行了分組。

該手冊的后面幾章將介紹每一種植物養(yǎng)分的情況，包括作物高產(chǎn)量的養(yǎng)分移取量，養(yǎng)分在植物生長中的作用，植物的缺素癥狀，養(yǎng)分與土壤的關(guān)系及其肥源。

2. 植物必需營養(yǎng)元素

已知有16種化學(xué)元素是植物生長所必需的。它們被劃分為非礦質(zhì)和礦質(zhì)兩大類。

2.1 非礦質(zhì)營養(yǎng)元素

非礦質(zhì)營養(yǎng)元素，包括碳（C）、氫（H）和氧（O）。這些養(yǎng)分存在于大氣和水中。它們被用于光合作用，如：

光合作用的產(chǎn)物在植物生長中占絕大多數(shù)。二氧化碳、水或光不足都會降低作物生長。但由于用于光合作用的水的數(shù)量很小，在水分低到足以影響光合速率之前，植物早就顯示出缺水。

2.2 礦質(zhì)營養(yǎng)元素

來自土壤的13種礦質(zhì)營養(yǎng)元素，可劃分成三類：大量營養(yǎng)元素、中量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)元素。

大量營養(yǎng)元素：氮（N），磷（P），鉀（K）；

中量營養(yǎng)元素：鈣（Ca），鎂（Mg），硫（S）；

微量營養(yǎng)元素：硼（B），氯（Cl），銅（Cu），鐵（Fe），錳（Mn），鉬（Mo），鋅（Zn）。

由于作物利用較大量的大量營養(yǎng)元素，這些元素通常先在土壤中出現(xiàn)短缺。中量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)元素的利用量小，不那么常表現(xiàn)缺乏。但對完整的土壤肥力來說，它們和大量營養(yǎng)元素一樣重要。無論何時何地作物需要它們時，作物必須得到它們。

3 土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)

土壤質(zhì)地是由砂粒、粉粒和粘粒在土壤中的數(shù)量決定的。土壤顆粒越小越接近粘粒，越大越接近砂粒。例如：

1) 砂粒含量高的土壤，按質(zhì)地被分類為“砂土”。

2) 當(dāng)土壤中存在少量的粉?；蛘沉r，該土壤不是“壤質(zhì)砂土”就是“砂質(zhì)壤土”。

3) 主要由粘粒組成的土壤為“粘土”。

4) 當(dāng)砂粒、粉粒和粘粒在土壤中的比例相等時，該土壤稱作“壤土”。

3.1. 土壤的12種質(zhì)地類型

(圖：圖1-1 土壤砂粒、粉粒和粘粒含量構(gòu)成的質(zhì)地類型示意圖)

土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)影響生長中的植物能夠獲得的空氣和水分的數(shù)量。土壤顆粒大小的重要性在于兩方面：

1) 較小的土壤粘粒比大的砂粒更緊密地結(jié)合在一起。這意味著供空氣和水占據(jù)的孔隙較少。

2) 土壤小顆粒比大土壤顆粒具有更大的表面積。例如，最大的粘土顆粒的表面積是最小的砂粒表面積的25倍。隨著土壤表面積的增加，其吸附或保持的水量增加。

于是，由于砂土孔隙空間較大，水分能夠自由地從土壤中排出，故砂土保持的水很少，粘土吸附相對大量的水分，而且粘土的小孔隙能夠克服重力而保持水分。雖然粘質(zhì)土壤比砂質(zhì)土壤的持水量大，但并不是所有的水分都對生長中的植物有效。粘土（和那些有機(jī)質(zhì)含量高的土壤）比砂土保持的水分更緊固，這意味著其中的無效水分較多。所以，盡管粘質(zhì)土比砂質(zhì)土保持有更多的水分，但其中無效部分較多。

3.2. 田間持水量和永久凋萎含水量

“田間持水量”這一術(shù)語是指在重力水流停止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稱作“永久凋萎含水量”。雖然這時仍然有水，但其被土壤緊緊吸持，植物無法利用。對生長中的植物來說，土壤有效水是指土壤在田間持水量與永久凋萎含水量之間所含的水量。下圖3表明了土壤有效水隨土壤質(zhì)地的變化。

(圖：圖1-2 土壤質(zhì)地和土壤有效水的關(guān)系)

砂質(zhì)土壤不能儲存象粘質(zhì)土壤那么多的水分，但其中有效水的百分比較高。因而如圖所示，在土壤質(zhì)地和有效水間不存在固定不變的關(guān)系。

細(xì)質(zhì)地土壤（如粘土）易被壓實(shí)。這便減少了土壤孔隙空間，限制了空氣和水在土壤中的移動，這使大量降雨變?yōu)閺搅鳌＜词乖诟呓涤炅康那闆r下，也將出現(xiàn)缺水問題。粘土濕時很粘，干時則形成硬塊。因此，耕作時和施用液氨時適宜的土壤含水量極為重要。

砂質(zhì)土壤由于保持水少而天生易旱。砂土結(jié)構(gòu)松散，不象粘土那樣易壓實(shí)，因此易于耕作。但是，含有大量極細(xì)砂粒的土壤也易于被壓實(shí)。

粉粒含量高的土壤通常是土壤結(jié)構(gòu)最差的土壤。粉粒極緊密地結(jié)合在一起，極易被壓實(shí)。

良好的管理能保持或改善良好的土壤結(jié)構(gòu)。土壤團(tuán)粒的大小和形狀決定土壤結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。最好的土壤結(jié)構(gòu)是具有團(tuán)聚顆粒的塊狀和粒狀結(jié)構(gòu)，這樣空氣和水分能夠自由移動。

土壤結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地影響根系和地上部的生長。當(dāng)土壤較緊實(shí)時，大孔隙比例下降，根系生長停頓，產(chǎn)量下降。

3.3. 作物生產(chǎn)的理想土壤

* 土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量適中，以使空氣和水分的移動。

* 足夠的粘粒以保存土壤水分。

* 土深且滲透性強(qiáng)，以及肥力充足。

* 一個適于根系深扎以吸收水分和養(yǎng)分的環(huán)境。

4 土壤膠體和離子

土壤隨著風(fēng)化過程形成，一些礦物和有機(jī)質(zhì)被分解成極細(xì)小的顆粒?；瘜W(xué)變化進(jìn)一步使這些顆?？s小后，肉眼便看不見。這些最細(xì)小的顆粒叫做“膠體”。科學(xué)家們已經(jīng)了解到，礦物粘土膠體為片狀結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)上為晶體。在多數(shù)土壤中，粘土膠體在數(shù)量上超過有機(jī)膠體。膠體在土壤的化學(xué)反應(yīng)中起主要作用。土壤母質(zhì)和風(fēng)化程度決定土壤中粘粒的類型。既然土壤膠體是由這些粘粒衍生而來，其反應(yīng)性也受到土壤母質(zhì)和風(fēng)化作用的影響。

每一膠體（粘粒和有機(jī)質(zhì)）帶凈負(fù)電荷。電荷是在其成土過程中產(chǎn)生的。這就是說它能夠吸引和保持帶正電的顆粒，就象磁鐵不同的兩極相互吸引一樣。膠體排斥其它帶負(fù)電的顆粒，就象磁鐵相同的兩極相互排斥一樣。

帶電荷的元素叫作“離子”。鉀、鈉、氫、鈣和鎂都帶正電荷。它們被稱作“陽離子”，它們可以寫成離子形式，如表1-1所示。注意一些陽離子帶一個以上的正電荷。

(表：表1-1. 普通土壤陽離子及其化學(xué)符號和離子形式 )

陽離子 化學(xué)符號 離子形式
鉀 K K+
鈉 Na Na+
氫 H H+
鈣 Ca Ca++
鎂 Mg Mg++

帶負(fù)電荷的離子為陰離子，如硝酸根、硫酸根離子等。表1-2為一些常見陰離子。

(表：表1-2. 普通土壤陰離子及其化學(xué)符號和離子形式 )

陰離子 化學(xué)符號 離子形式
氯 Cl Cl-
硝酸根 N NO3-
硫酸根 S SO4-
磷酸根 P H2PO4-

帶負(fù)電荷的膠體吸引并保持陽離子，就象一塊磁鐵吸住金屬小片一樣。膠體的這種特性解釋了硝態(tài)氮（NO3-）比銨態(tài)氮（NH4+）更易從土壤中淋失的原因。象土壤膠體一樣，硝態(tài)氮帶一個弱負(fù)電荷。所以，硝酸根不能被土壤保持，它作為自由離子保留在土壤水中，故在一些降雨條件下和某些土壤中，它通過土壤剖面被淋失。這個概念表示如圖1-3：

(圖：圖1-3 陽離子吸附于土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)，陰離子受到排斥)

5. 陽離子交換量（CEC）

被土壤膠體保持的陽離子可被其它陽離子取代。這就是說他們是可交換性的。鈣可被交換為氫或鉀，反之亦然。土壤能夠保持的可交換性陽離子的總量（土壤所帶負(fù)電荷的總量）稱作土壤的“陽離子交換量”（CEC）。土壤的CEC越高，它能保持的陽離子越多。土壤保持可交換性K+和其它陽離子的能力各不相同。CEC取決于土壤中存在的粘土和有機(jī)質(zhì)的類型和數(shù)量。例如，粘粒含量高的土壤比粘粒含量低的土壤能夠保持更多的可交換性的陽離子。同樣，CEC隨土壤有機(jī)質(zhì)的增加而增加。

土壤CEC可以每100克土壤中的毫克當(dāng)量數(shù)表示，計作meq/100g。這樣表示的唯一原因是表明粘粒和有機(jī)質(zhì)的相對CEC。粘土礦物的CEC值通常在10至150meq/100g之間。有機(jī)質(zhì)的CEC在200至400meq/100g之間。所以，粘土和有機(jī)質(zhì)的類型及數(shù)量極大地影響土壤的CEC值。

在土壤高度風(fēng)化、有機(jī)質(zhì)含量低的地區(qū)，CEC值較低。土壤風(fēng)化程度低、有機(jī)質(zhì)含量通常較高，CEC值可能很高。CEC值高的粘質(zhì)土壤能保持大量的陽離子，防止由于淋洗作用引起的潛在損失。CEC值低的砂質(zhì)土壤只能保持少量的陽離子。正因如此，施肥時間和施肥量在規(guī)劃施肥計劃中占據(jù)重要地位。例如，在秋季給極砂性的土壤施鉀肥以供來春作物利用的做法可能不明智，特別是在秋雨和冬雨量高的地區(qū)。但是，在CEC高的土壤上，便可以在秋季一次安全地施用足夠供后茬一、二季作物利用的鉀肥。另外，分期施氮肥、使用氮肥抑制劑和在作物需氮高峰期施氮肥都很重要，可以降低氮從砂土乃至細(xì)質(zhì)地土壤中淋溶的可能性。

5.1. 陽離子交換量：土壤管理和施肥的助手

陽離子是帶正電荷的養(yǎng)分離子和分子，如鈣（Ca）、鎂（Mg）、鉀（K）、鈉（Na）、氫（H）和銨（NH4）。

粘粒是土壤帶負(fù)電荷的組份。這些帶負(fù)電的顆粒（粘粒）吸引、保持并釋放帶正電的養(yǎng)分顆粒（陽離子）。有機(jī)質(zhì)顆粒也帶有負(fù)電荷，吸引帶正電荷的陽離子。砂粒不起作用。

陽離子交換量（CEC）是指土壤保持和交換陽離子的能力。陽離子正電荷的強(qiáng)度各異，這就使得一個陽離子能取代帶負(fù)電荷土壤顆粒上的另一陽離子。

(圖：圖1-4 陽離子交換示意圖)

5.2. 不同陽離子交換量的土壤物理性質(zhì)

(表：表 不同陽離子交換量的土壤物理性質(zhì) )

CEC為11-50的土壤 CEC為1-10的土壤
* 粘粒含量高 * 砂粒含量高
* 矯正-給定pH需石灰較多 * 氮，鉀易淋失
* 在給定土壤深度內(nèi)保持養(yǎng)分能力較強(qiáng) * 矯正-給定pH需石灰少
* 具高粘土含量土壤的物理性質(zhì) * 具高砂粒含量土壤的物理性質(zhì)
* 土壤持水量高 * 土壤持水量低

5.3. 土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)顆粒含量

(表：表 土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)顆粒含量 )

土壤質(zhì)地 粘粒百分含量
壤砂土 5%
砂壤土 10%
粉壤土 20%
粉粘壤土 30%
粘壤土 35%
粘土 45%

為了解土壤中養(yǎng)分的行為，我們必須了解粘粒和有機(jī)質(zhì)顆粒的作用。所有農(nóng)業(yè)土壤都含有一些粘粒和一些有機(jī)質(zhì)。主要土壤類型的粘粒含量如下所示。

(圖：圖1-5 土壤離子之間作用示意圖)

下面的圖6說明：（1）銨離子（NH4）被粘土和有機(jī)質(zhì)保持而防止淋失。（2）石灰中的鈣固持在粘土和有機(jī)質(zhì)上（通常置換氫），使得土壤堿性更強(qiáng)。（3）土壤的鹽基交換量在粘土、有機(jī)質(zhì)和土壤水分間往復(fù)交換堿基中起作用，為生長中的作物根系提供養(yǎng)分。

5.4. 鹽基飽和度

鹽基飽和度是指每一主要陽離子占總CEC的百分比，過去在制訂施肥計劃時常被使用。觀念上認(rèn)為，需要保持某些養(yǎng)分之間的比例，即“平衡”以保證作物最佳產(chǎn)量的適當(dāng)吸收。但研究表明，對大多數(shù)農(nóng)業(yè)土壤來說，陽離子飽和范圍沒有多大用處。在大田環(huán)境下，即使養(yǎng)分范圍很寬也不會造成傷害，所以只要土壤中一種養(yǎng)分水平充足就可足以支持植物最佳生長。

6. 土壤陰離子的保持

土壤對陰離子的保持機(jī)制還不明確。例如，硝酸根是完全流動性的，能隨土壤水自由移動。在降雨量高的情況下，硝酸根向下移動。在極干旱的氣候下，其隨土壤水向上移動，在土壤表面積累。

在一定條件下，某些土壤可疏松地保持硫酸根。低pH值時，在粘土（如高嶺石）的斷裂邊緣可產(chǎn)生正電荷。在表層土或底土層含有水化鐵鋁氧化物的土壤可通過產(chǎn)生的正電荷吸附一些硫酸根。但是，在土壤pH超過6.0時，這種低保持作用很小。在干旱和半干旱地區(qū)，通過石膏積累可保持相當(dāng)數(shù)量的硫。

硫酸鹽可被保持在土壤膠體的表面上，硫酸根離子也可被土壤吸附的其它絡(luò)合物疏松地吸持，有機(jī)質(zhì)有時會產(chǎn)生正電荷，此時，它們可吸附硫酸根。