10土壤肥力手册--第十章 植物生长养分和生活环境.doc

第十章 植物生长养分和生活环境食物、饲料和纤维生产所陛下的全部植物必需营养元素都与环境质量有关。综合地说，只要充足和平衡地施用，它们就能提高生产潜力和环境和谐一致。养分促使植物更加茁壮、健康和有生产力，发育出更大的根系、更多地上部残体、更迅速的地面覆盖、更高的水分利用率和对干旱、病虫、低温和播期等作物胁迫条件更强的抗性。虽然植物必需养分在提供充足食物和保护环境方面起到重要作用，但不合理的管理会造成一些环境危害。两个最容易管理失误和造成非点源环境污染的养分是氮和磷。1.氮土壤侵蚀可以造成氮损失。作物残体、动物粪便和其它土壤有机组分（包括土壤微生物）的土壤氮可遭受表面侵蚀，随水和土壤沉积物运动。大多数对环境氮的担心是因为未被利用或过量的硝态氮有可能随水穿过土壤剖面运动到地下水中（淋失）。因其具有负电荷，硝态氮不被各种土壤组分吸引。相反，游离硝态氮随水淋洗穿过土壤剖面。图10-1描绘了不同类型土壤中硝态氮的相对运动。(图：图10-1 硝态氮在砂质土壤中比在粘质土壤中向下运动得更多)所有来源的氮（化肥、豆科植物、作物残体、土壤有机质和动物粪便）在土壤中都易转化为硝态氮（参看第3章）。因此所有氮都容易被淋洗进入地下水中，除非被生长的作物利用或通过管理措施使其以铵态氮形式保持。没有科学依据证明一种氮源比另一种对环境好。有机氮源常在土壤中留下高水平硝态氮，因为按现有技术水平，它们比化肥更难于管理。如第3章中所讲述，氮经历的土壤转化依赖于几个因素，包括湿度、温度、土壤pH值、土壤通气性等等。总的结果是，自然界中没有氮的净收获和净损失。全过程被称作“氮循环”，由图10-2所示。(图：图10-2 氮循环)栽培措施可以控制农业土壤的大部分氮损失。这对经济和环境都是理想的。减少氮损失意味着氮更有效地用于作物生产，更少进入地表水和地下水。2.磷磷对环境的影响主要通过湖泊、海湾和非流动水体的富营养化过程。富营养化是水体对过量养分的反应。过量养分可能是天然的或是人为的。富营养化的症状是藻花、水生植物过量生长、藻类成片和脱氧现象（排除氧气）。第四章讨论过磷在土壤中固定得很牢。在酸性土壤中，它被强烈地吸持在铁、铝、锰氧化物和氢氧化物表面。它也被土壤粘粒吸附，并且在石灰性土壤中与钙离子生成各种类型的磷酸钙沉淀。非点源农业磷加入水体几乎全与侵蚀有关。磷的运动与侵蚀有关是因为：磷的溶解性极差；在大多数土壤中磷的移动性极小；在大多数排出水中只发现极低浓度的磷。只要消灭了侵蚀和沉积损失，就使磷损失最小。3.钾、镁和硫水中的钾对健康和环境没有害处。钾是人类和动物健康的必需养分。正常人饮食每天摄入的钾约为20006000毫克，远远高于供水中的钾含量。钾在环境中扮演的是正面角色，因为充足施钾可以更有效地利用氮和磷，有助于使氮和磷不进入供水中。表10-1表明钾对青储玉米的增产和降低残留氮量的作用，明显提高氮的有效性。(表：表10-1 平衡施肥氮钾肥提高青储玉米的产量和氮利用率 )施氮量 不施钾 施钾 产量 土壤硝态氮 土壤铵态氮 产量 土壤硝态氮 土壤铵态氮 公斤/亩 0 1601 1.95 0.78 1733 1.50 0.53 6 1782 3.45 0.86 2046 2.10 0.78 12 1848 5.70 0.87 2475 4.50 0.65 一般不考虑农业来源的镁和硫对环境的影响。两者都是植物必需养分，应根据土壤和植株测试经常通过施肥补充。同其它必需养分短缺一样，缺少它们也会降低氮和磷的利用率。4.微量元素微量元素对食物生产，因而对人体健康贡献很大。根据土壤和植株测试施用微量元素对环境有正面影响，这是通过提高作物产量和改善其它养分的利用率实现的。随着作物产量的不断提高，和持续性农业生产要求归还土壤微量元素养分，微量元素的重要性在不断增加。经常对氯化物认识不清，它是必需养分之一。氯化物和氯常被混淆，氯是有毒气体，不能在自然界中发现。氯化物在自然界中以氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）和其它金属盐的形式出现。氯化物与环境和健康问题无关。氯化钾是一种重要的钾肥，含氯约47%。氯化钠是常见的食盐，含氯60%以上。5.盈利生产和环境保护的两个主要目的必须考虑两个独特的目的以保证施用充足的养分于维持性或盈利农业生产水平，同时减小任何对环境的负面影响。目的1：通过采用最佳管理措施（BMP）和整体作物管理（ICM）来管理作物，达到最佳养分有效性，所有生产投入都处于平衡的最佳水平。目的2：通过采用最佳管理措施（BMP）来管理作物，达到最佳养分有效性，这要使用定点水土技术以提供最优的土壤保持和养分损失进入地下水最少。最佳管理措施涉及保护性措施和农艺措施。将最佳管理措施技术纳入种植制度计划中对经济和环境都是成功的关键。这些措施都是定点的，一个地方采用的最佳管理措施不必与其它地点的相同。对不同的作物、土壤和气候有不同的措施。这些措施已被研究所证明，并经受了农民实践的检验，能得到最优的生产潜力、投入效率和环境保护。最佳管理措施有助于农民在单位生产成本和单位产量硝酸盐淋失接近零的条件下取得作物产量高水平。几乎全部冬季硝酸盐淋失都来自土壤有机质矿化。如果氮肥用量不超过经济最佳量，则它对硝酸盐淋失的直接贡献很小。最佳管理措施作物生产包括充足施肥以得到最佳产量潜力，这会增加作物残体和潜在的残体中氮矿化造成的硝酸盐淋失。但残体更多意味着提高了土壤有机质水平，这是有益的土壤肥力和环境因素。收获后降低有机质潜在矿化的管理措施，如利用覆盖作物等，是最佳管理措施中一项配套措施。图10-3提供了一个种植制度中资源、农业措施和植物养分去向的直观描述。最佳管理措施作用重要，它有助于提高作物养分利用率、增加作物残体的养分再循环、提高土壤有机质水平。同时最佳管理措施也降低侵蚀、淋洗、挥发、反硝化和径流损失。(图：图10-3 种植制度中资源、农业措施和植物养分的去向)任何一种作物生产投入带来的环境影响和农学效应都在很大、甚至更大程度上决定于所有其它可控投入的管理水平，而不是自己的管理水平。表10-2给出的例子说明了这一基本观念如何在玉米生产中养分管理和环境保护中起作用。来自几个州的玉米生产研究总结显示了各种生长因素对提高产量和氮效率的影响。由于这些最佳管理措施合在一起来生成一个完整作物管理系统，施用氮肥和其它养分的效率得以改善，同时降低了对水质可能造成的任何有害影响。(表：表10-2 不同地点几种生产投入对玉米产量和氮效率的影响 )生产因素 产量 氮效率 州名 公斤/亩 公斤/公斤N 轮作制： 连作 439 49.3 北卡罗莱纳 轮作 502 53.8 灌溉制： 不灌 531 28.6 新泽西 灌溉 895 48.2 播期： 5月末 552 37 印地安那 5月初 681 48.2 杂交种： 最差的5种 623 33.6 佛罗里达 最好的5种 1045 46.5 密度： 低(1980株/亩) 648 29.1 佛罗里达 高(5940株/亩) 966 53.8 压实状况： 压实 514 34.7 印地安那 未压实 698 47 pH磷肥： 低pH，低磷 376 33.6 威斯康星 理想pH，高磷 577 51.5 条施磷肥： 不施 598 35.8 威斯康星 2.6公斤/亩 665 39.8 5.2公斤/亩 690 40.9 钾肥播期： 不施钾迟播 523 29.1 不施钾早播 594 33 伊利诺伊 施钾迟播 652 36.4 施钾早播 711 39.8 最佳管理措施的施肥推荐使作物产量现为经济最优水平，对大多数作物来说，这也是环境保护最好的点。图10-4为欧洲小麦研究最佳管理措施施肥推荐的例子。在生长期结束时，土壤中很少或没有硝酸盐在基础水平以上残留。氮肥推荐量是经济最优产量的。研究人员发现比起高于经济最优产量的产量水平来，经济最优产量的硝酸盐淋失增加缓慢。这也是最小的单位产量硝酸盐淋失量。(图：图10-4 氮肥对小麦产量和硝态氮淋失量的影响)6.调整管理计划，实现生产和环境目标6.1. 制订产量目标为每种作物、每块土地制订乐观而现实的产量目标。养分需求量随着产量增加。表10-3给出三个小麦产量水平的养分吸收量。最佳管理措施要保证从播种到成熟作物生长有充足但不过量的养分。(表：表10-3 小麦产量增加时的养分需求 )产量 养分吸收量(公斤/亩) 公斤/亩 N P2O5 K2O Mg S 250.8 9.4 3.1 10.4 1.4 1.1 334.4 12.5 4.1 13.8 1.8 1.5 459.8 17.2 5.6 19.0 2.5 2.1 6.2. 利用土壤测试和植株分析这是用来确定土壤养分有效性和达到产量目标需要施用养分量的最好工具。经常测定土壤来监测养分需要，特别是磷、钾、硫、镁、微量元素pH值。植株分析有助于明确养分需要诊断并能够在生长期间鉴定养分需求。另外，已研制出更可靠的土壤测试方法。氮的组织分析是个好工具，帮助在生育期内期望氮肥有更准确的用量和更有效的利用时确定施氮量。表10-4表明在美国堪萨斯州中等磷测试值土壤上施磷几乎可以使氮效率提高一倍。这对主要小麦生产州很有意义，那里有一半至3/4的土壤磷测试值都是中等或更低。在需要氮肥和可能对磷、钾、硫、镁、微量元素和石灰有反应的地块，在棉花、玉米、水稻和其它作物上也可以观察到同样的结果。(表：表10-4 充足施磷增加小麦产量和改善氮利用率 )N P2O5 产量 氮效率 公斤/公斤N 氮平衡 取自土壤(-);未利用(+) 公斤/亩 5.6 0 146.3 25.76 +0.675 5.6 1.5 213.2 38.08 -1.575 5.6 2.25 234.1 42.00 -2.25 5.6 3.0 255.0 45.36 -3.0 5.6 3.75 267.5 47.04 -3.375 6.3. 执行保护性计划最佳管理措施对于土壤和水都是因地制宜的。包括：保护性耕作、梯田、等高条带种植、草护水道、等高草护地头、作物轮作和覆盖作物、以及控水池和分水系统。每个农场好的水土保持计划都是一个十分重要的因素，减少侵蚀和潜在土壤、水、和养分损失，尤其是固持在沉积物和有机颗粒上的磷损失。一些类型的保护性耕作几乎可以用于所有农业体系。表10-5表明了保护性耕作对减少水蚀径流及其相关的沉积和磷损失的正面影响。径流减少意味着更多水分入渗和对生长作物的有效水增加。通过减少沉积物损失，磷损失大为减少。(表：表10-5 保护性耕作减少径流量、沉积物和磷损失 )耕作处理 径流量 沉积物 磷损失总量 升/亩 公斤/亩 克/亩 传统耕作制 19056 10.4 12 少耕制 3122 2.8 0.75 6.4. 调整最佳管理措施这全部可控投入，取得更高产量施肥良好的土壤，加上其它良好最佳管理措施，使作物产量更高（见表10-2）。产量更高则作物残茬更多，对减少径流、水蚀和风蚀具有积极的影响。表10-6显示，作物残茬从每亩41公斤增加到165公斤时，土壤损失降低10倍。(表：表10-6 残茬增多减少土壤损失 )地表残茬 土壤损失 公斤/亩 41 495 165 49.5 高土壤肥力水平有许多好处：植物营养丰富，作物植冠郁闭得更快。这会降低雨水侵蚀能量，改善水分利用率和减轻杂草危害。有效磷在生长前期对植冠发育特别重要。地上部和地下部植株生长茁壮有助于固紧土壤、改善水分入渗、提高水分利用率和产量。表10-7给出一个良好肥力管理对玉米产量和水分利用率影响的例子。(表：表10-7 平衡肥力对玉米产量和水分利用率影响 )肥力水平 产量 水分利用率 公斤/亩 公斤/厘米水 低 318 31 中 623 60 高 1003 96 6.5. 及时实施计划在作物吸收高峰期实施措施可以提高氮效率和产量潜力。考虑符合作物氮需求的分期施用氮肥。在实行灌溉时，通过灌溉系统施氮肥是有效的方法。在粗质地（砂质）土壤上，分期施用钾、硫和某些微量元素也是最佳管理措施，因为通过更有效地利用其它投入，产量潜力和环境保护能力都有所提高。保护性技术信息中心（CTIC）建议以下预防措施以减少必须采用秋季施用氮肥所带来的损失：使用只含铵态氮的肥料。将肥料混入土壤。在湿润地区等到土壤10深处温度低于10时施用。使用硝化抑制剂。6.6. 硝化抑制剂硝化抑制剂抑制铵态氮转化为硝态氮。当使用适量的氮化肥或动物粪肥时，它可以增加植物对氮的吸收。硝化抑制剂将土壤氮保持为稳定的铵态氮，不遭受淋洗和其它损失。铵态氮保存在土壤根区，因此可以在土壤湿润条件下被作物吸收，此种条件下硝态氮会移动到比根系更深的土层。研究表明，玉米、小麦、棉花、粒用高粱和许多其它作物容易利用铵态氮，并有在同时存在铵态氮和硝态氮时吸收更多总氮量的趋势。使用硝化抑制剂和氮稳定剂进行的研究表明，硝酸盐淋失减少量从8%到27%。除了环境效益外，硝化抑制剂还增加产量潜力和氮肥利用率等经济效益（表10-8）。(表：表10-8 硝化抑制剂(nitrapyrin)对籽粒产量和氮利用率的影响 )氮肥 明尼苏达 伊利诺伊 内布拉斯加 堪萨斯 玉米 玉米 玉米 高粱 无 抑制剂 无 抑制剂 无 抑制剂 无 抑制剂 公斤/亩 氨 673 719 769 811 - - - - 尿素 614 690 - - - - - - 氮溶液 606 681 - - 564 598 418 460 6.7. 施肥位置方案作物高产不仅是肥料施用量和施用方法，而且是施肥位置的问题。合理施肥位置改善养分对作物的有效性，即更高的产量和养分效率，尤其在保护性耕作中如此。基肥、条施、带施或滴施、深层注施和刀施