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第九章 土 壤 养 分 第一节 土壤养分概述 第二节 土壤中的大量元素 第三节 土壤中的微量元素 第四节 土壤和植物的营养诊断 1 1 大量营养元素 有效形态 评价标准 2 微量营养元素 有效形态 评价标准 影响微量元素有效性的因素 本 章 提示 2 第一节 土壤养分概述 1 土壤养分 由土壤提供的植物生长所必须的营养元素 2 土壤养分分类 大量元素和微量元素 大量元素 中量元素和微量元素 一 土壤养分 3 目前 国内外公认的高等植物所必需的营养元素有 16 种 它们是碳 氢 氧 氮 磷 钾 钙 镁 硫 铁 硼 锰 铜 锌 鉬 氯 镍 Mn B Fe S N C O H Ca K P Cu Cl Zn Mg Mo 必需营养元素 Ni 镍 1987 年 P H Brown 等 4 必需营养元素的分组 5 大量元素 植物干重的 0 X X0 碳 C 氢 H 氧 O 氮 N 磷 P 钾 K 中量元素 植物干重的 0 1 1 钙 Ca 镁 Mg 硫 S 微量元素 植物干重的 0 000X 0 0X 铁 Fe 硼 B 锰 Mn 铜 Cu 锌 Zn 钼 Mo 氯 Cl 镍 Ni 必需元素的分类 按植物需要的量区分如下 6 肥料三要素 氮 磷 钾 土壤中的有效含量不能满足植物生长发 育需求 需要施肥进行补充 必需养分元素间的相互关系 同等重要 不可替代 7 营养元素的来源 Ni 8 二 土壤养分来源 9 三 土壤养分形态 1 水溶态养分 土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物 2 代换态养分 是水溶态养分的来源之一 3 矿物态养分 大多数是难溶性养分 有少量是弱酸溶性的 对植物有效 4 有机态养分 矿质化过程的难易强度不同 根据在土壤中存在的化学形态分为 根据植物对营养元素吸收利用的难易程度分为 速效养分 不经转化就可被植物直接吸收利用的养分 迟效养分 不能直接利用 只有经分解转化为速效态才能被植物利用的养分 10 四 土壤养分的有关概念 有效养分 能够直接或经过转化被植物吸收利用的 土壤养分 速效养分 在作物生长季节内 能够直接 迅速为 植物吸收利用的土壤养分 迟效 缓效 养分 无效养分 不能被植物吸收利用的土壤养分 土壤养分状况 是指土壤养分的含量 组成 形态 分布和有效性的高低 11 五 土壤养分转化与消耗 1 养分形态的转化 养分的有效化过程 养分的固定过程 2 养分的消耗 土壤内部复杂的转化过程 植物吸收利用 损失 淋失 气态损失 侵蚀流失 人为活动引起的损失 12 土壤氮素转化过程与氮素循环示意图 13 第二节 土壤中的大量元素 氮素是构成一切生命体的重要元素 在植物生产中 植物对氮的需要量较大 肥料三要素 氮素肥料施用过剩会造成江湖水体富营养化 地下水硝态氮 NO3 N 积累及毒害等 一 土壤中的氮 14 1 土壤中氮的来源 生物固氮 降水 灌溉 施肥等 土壤氮素的 60 来自生物固氮 三叶草固氮量 45 670 KgN ha a 固氮的树木 80 500 KgN ha a 降水带入氮素 10 20 KgN ha a 据测定在温带随降水进入土壤的 NO3 和 NH4 约为 15 0kg 公顷 年 一 土壤中氮的来源和含量 15 土壤中氮素的含量受自然因素 气候 地形及植被 和林业措施 耕作 施肥 灌 溉及利用方式 的影响 变异性很大 我国耕地土壤含 N 量一般都在 0 02 0 2 之间 高于 0 2 的很少 大部分低于 0 1 而华北 西北大部分地区土壤耕层含 N 量不足 0 1 南方土壤的含 N 量介于二者之间 2 土壤中氮的含量 P207 表 10 2 含 N 量 0 2 0 2 0 1 0 1 0 05 0 05 等级 高 中 低 极 低 一 土壤中氮的来源和含量 与有机质含量有密切关系 16 分为无机态和有机态两大类 1 无机态氮 土壤中无机 N 数量很少 表土占全氮量的 1 0 2 0 最多不超过 5 0 表土以下的土层 含量更少 铵态氮 NH4 有三种存在形态 游离态 交换态 固定态 硝态氮 NO3 能直接被植物吸收利用 易流失 不宜在水田中施用 亚硝态氮 NO2 主要以游离态存在 固定态 游离态 空气 二 土壤中氮的形态 17 2 有机态氮 土壤中的氮主要以有机态为主 一般可占全氮量的 95 以上 按其溶解度和水解难易程度 可分为以下三类 18 3 非水解性有机氮 不溶于水 用酸 碱处理不水解 杂环态氮化物 糖与铵的缩合物 铵或蛋白质与木质素类物质作用形成复合物 19 三 土壤中氮的转化 1 有机态氮的氨化 2 NH4 N 的硝化 旱地通气条件下 铵态氮转化为硝态氮 3 NO3 N 的反硝化 通气不良情况下 硝态氮转化为 N2 N2O 等 是土壤氮素 的损失过程 4 无机态氮的生物固定 5 无机态氮的晶格固定与释放 吸附与解吸 20 表 3 8 化肥氮在冬小麦季的去向 Table 3 8 The fate of nitrogen fertilizer in winter wheat season 作物吸收作物吸收 Crop uptake 0 100 cm 土壤残留土壤残留 Soil residue 损失损失 Losses 处理处理 Treatmen t 吸收量吸收量 N uptake kg hm 2 N 利用率利用率 Recovery rate 残留量残留量 Residue kg hm 2 N 残留率残留率 Residue rate 损失量损失量 Losses kg hm 2 N 损失率损失率 Losses rate N75 33 6 d 44 9 26 0 c 34 7 15 3 c 20 4 N150 72 6 c 48 4 40 2 c 26 8 37 2 b 24 8 N225 99 4 b 44 2 82 2 b 36 5 43 4 b 19 3 N300 113 2 a 37 7 117 2 a 39 1 69 6 a 23 2 氨挥发 小麦 1 7 玉米 2 8 5 21 土壤氮素转化过程与氮素循环示意图 22 四 土壤中氮的有效性 23 1 土壤全氮 凯氏消煮 2 剖面无机氮 0 100 cm 的 NO3 N NH4 N 40 mg kg Nmin 3 土壤碱解氮 1mol L NaOH 120 mg kg 土壤诊断土壤氮素丰缺指标 化学分析方法 24 土壤硝态氮速测箱 N kit 25 玉米缺氮 26 27 二 土壤中的磷 梨 树 缺 磷 28 29 土壤中磷的主要来源于矿物质 在长期的风化和成土过程中 经过生物的积累而逐渐聚 积到土壤的上层 土壤有机质 开垦后 则主要来源于施用磷肥 1 土壤中磷的来源 一 土壤中磷的来源和含量 2 土壤中磷的含量 我国大多数土壤表层 0 20cm 的含磷量变动在 0 04 0 25 之间 不同土壤类型变幅很 大 全磷含量虽然受人为因素的影响变幅很大 但由于土壤磷的迁移率小 因而仍表现出明 显的地带性分布规律 30 从总体看 我国自南而北或自东而西土壤含磷量呈递增趋势 以华南的砖红壤含磷量 最低 东北的黑土 黑钙土和内蒙的栗钙土含磷量最高 华中的红 黄壤以及华北的褐土 棕壤介于以上二者之间 耕作施肥影响 31 二 土壤中磷的形态 1 土壤中的有机磷化合物 简称有机磷 土壤磷素可分为两大类 有机态磷和无机态磷 一般有机磷含量约占全磷量的 10 25 在侵蚀严重的红壤中不足 10 而东北地区的黑土有机磷的含量较高 可达 70 以上 粘 质土有机磷含量比砂质土高 32 2 无机磷化合物 用 P 表示 1 磷酸钙 镁 类化合物 Ca P 磷酸一钙 Ca H2PO4 2 磷酸二钙 CaHPO4 磷酸三钙 Ca3 PO4 2 磷酸八钙 Ca8 PO4 6 5H2O 磷酸十钙 Ca10 PO4 6 OH 2 羟基磷灰石 Ca5 PO4 3OH 磷灰石 Ca5 PO4 3 F 它们是石灰性或钙质土壤中磷酸盐的主要形态 33 2 磷酸铁和磷酸铝化合物 Fe P Al P 在酸性土壤中常见 主要有粉红磷铁矿 Fe OH 2H2PO4 磷铝石 Al OH 2H2PO4 它们溶解度极小 在水稻土和沼泽土中 常有蓝铁矿 Fe3 PO4 2 8H2O 绿铁矿 Fe3 PO4 2 Fe OH 2 存在 34 风化程度较高的南方砖红壤 红壤中 以 O P 占的比重最大 最高可达 90 以上 其 次是 Fe P Al P Ca P 很少 风化程度较低的北方石灰性土壤中 Ca P 所占比例大 约在 60 以上 其次是 O P Al P 和 Fe P 极少 我国主要土壤类型中 一般分布有以下规律 35 三 土壤中磷的转化 2 无机磷的生物化学固定 磷的固定 易溶性或速效态磷酸盐转化为难溶性迟效态和缓效态的过程 通常称之为磷 的固定 吸附固定 非专性吸附 专性吸附 化学沉淀 1 有机态磷的矿化 3 无机态磷的生物固定 4 难溶性磷的释放 36 活化 菌根菌 根 土壤难溶性无机磷释放的途径 可溶性磷 50 80 酸化 螯合 酸化 螯合 有机肥带入的微生物 分泌物 解磷菌 生理酸性肥料 CO2 37 四 土壤中磷的有效性 土壤中能直接或经转化为植物所利用的磷 称为有效磷 土壤中有效磷的形态主要有 1 土壤溶液中的磷酸根离子 2 包含在有机物中并较易分解的 P 3 磷酸盐固相矿物中溶解的磷酸根离子 4 交换吸附态磷酸根离子 就有效 P 数量而言 以 2 3 两种形态最重要 在培肥较好的土壤中 有机 P 的重要性更大 而在一般土壤中 则以磷酸盐固相所释放出的 P 为主 速效态磷 38 土壤有效磷土壤有效磷 mg kg 作物反应作物反应 20 对一般作物施磷无效对一般作物施磷无效 土壤有效磷含量分级指标 0 5 M NaHCO3 浸提 土壤诊断土壤磷素丰缺指标 3 7mg kg 39 东北土壤 15 mg kg 森林土壤 变幅大 10 200mg kg 一般土壤 50 mg kg 基本满足生长发育需要 阔叶树 杉木 10 15 mg kg 40 烟 草 三 土壤中的钾 三要素 品质元素 限制因素 41 缺钾的大豆籽粒 42 43 一 土壤中钾的来源和含量 岩石矿物风化 施肥 1 土壤中钾的来源 44 2 土壤中钾的含量 一 土壤中钾的来源和含量 0 5 2 5 K2O 平均为 1 2 K2O 我国自南向北含钾量是逐渐增加的趋势 华南地区 其平均水平 2 河北 1 92 135 和 150mg kg 东北 内蒙的黑土可达 2 6 这主要是和地区的风化 成土条件 淋失状况等因素有关 45 二 土壤中钾的形态 土体里的钾完全是矿质态的 没有有机态 钾在土壤里的形态有以下几种 46 3 非交换性钾 是存在于层状硅酸盐矿物层间和颗粒边缘上的 K 即那些处在强吸附点上不能为上述盐溶 液在短时间内提取的 K 直接贮备库 也称缓效态 K 4 矿物态钾 又称难溶性钾 指含钾原生矿物 如长石 云母中钾 不溶于水 不易被溶液中的阳离子 所代换 有效性低 潜在储备 也称无效态 K 47 三 土壤中钾的转化 钾的固定 释放 固定 吸收 流失 48 钾的固定 水溶性钾或交换性钾进入粘土矿物晶层而被固定有效性降低的过程 P e i 钾的固定 49 四 土壤中钾的有效性 80 100 mg kg 1 土壤速效钾 醋酸铵浸提 火焰光度计 2 缓效钾 硝酸消煮 供应潜力 50 缺钙 玉米 苹果 黑麦草 51 第三节 土壤中的微量元素 微量元素 铁 锰 铜 锌 钼 硼 氯 52 果 树 缺 铁 53 苹 果 缺 锌 54 梨 苹果等的 缩果病 55 苹果缺铜 56 苹果缺锰 57 一 土壤中微量元素的来源及含量 1 土壤中微量元素的来源 土壤中微量元素主要来自岩石和矿物 58 1 水溶态 一般含量很低 2 代换态 一般土壤中交换态微量元素含量不高 少的不足 1 g g 多的可达几十 g g 3 专性吸附态 Cu 2 Zn 2 MoO42 H4BO4 4 有机结合态的微量元素 与土壤中的胡敏酸和富里酸形成的络合物 5 铁 锰氧化物包被态 钼 铁 近于矿物态 二 土壤中微量元素的形态 6 矿物态 指存在于矿物晶格中的微量元素 但大多数矿物的溶解度都很低 59 元素 极低 低 中 丰 高 B 2 0 Cu 1 8 Fe 20 Mn 30 Zn 5 0 微量元素丰缺标准 单位 mg kg 土壤中微量元素的全量并不能表征对植物是否充足 而微量元素的有效形态则与植物生长 关系更为密切 缺乏临界值 DTPA 浸提 60 临界值临界值缺乏状况缺乏状况 元素元素 种类种类 植物吸收的植物吸收的 有效形态有效形态 mg kg Fe Fe 2 Fe3 及其水解离子 及其水解离子 2 5 4 320 0 Mn Mn 2 及其水解离子 及其水解离子 7 057 6 Cu Cu 2 Cu OH Cu 1 052 2 Zn Zn 2 0 574 8 BB OH 4 0 558 8 MoMoO42 HMoO4 0 1 0 1544 4 土壤微量元素的形态 临界值及缺乏状况 pH 3 3 草酸 草酸铵 61 四 影响微量元素有效性的因素 在土壤正常的 pH 变幅内 对于阳离子型的微量元素 Fe Mn Cu Zn 其溶解度随 pH 的下降而增大 有效度也随之增大 而对于阴离子型的微量元素如 Mo 则相反 1 土壤的酸碱度 62 强酸性土壤中 Fe Mn Cu Zn 有时会超出植物的忍耐范围 产生毒害 pH 值升高 土壤的固定作用增强 石灰性土壤 pH 较高 CaCO3 对微量元素的固定作用强 所以植物易于缺乏微量元素 如 Fe Mn Cu Zn B 单施效果差 可以施用络合态微量元素或叶面喷施 63 2 土壤氧化还原状况 土壤的氧化还原状况主要影响那些具有多种化合价的元素 如 Fe Mn Cu 随着土壤的氧化还原电位降低 土壤中还原态的物 质增多 如还原态 Fe Mn 的含量增加 3 有机质和微生物的活动 有机物络合 如泥炭对铜 锌的固定 生物固定 4 固定作用 过量施用化学磷肥 可以导致一部分有效性的 Fe Mn Cu Zn 等与磷酸根作用 形成沉 淀 64 65 第四节 土壤和植物的营养诊断 一 土壤和植物营养诊断的概念和原理 浓度 指单位植物干物质中某一特定元素的量 w w 含量 指特定植物干物质总量中某养分的量 w plant organ 因此 浓度是与植株大小没有关系的强度指标 而含量是一个依存于植株大小的容量指标 含量 浓度 干重总量 1 养分组成的表示 66 2 诊断的基本原理 植物生长 养分浓度和养分含量与养分供应之间关系 三个植物营养状态 养分缺乏 奢侈消耗和毒害 67 稀释效应 在进行植物的培养试验时 通过植物分析常可发现 当提高一种限制性养分的供应 量 并使得植物生长量增加时 常会降低其它非限制性营养元素在植物组织中的浓度 即 所谓的 稀释效应 68 二 营养诊断的应用 土壤养分分析法 用土壤养分含量多少来反映林木的营养状况具有很大的实用价值 形态症状分诊断法 当某一元素供应失调时 必然会影响某些功能正常发挥或器官的正常生长 植物的 外观就会表现出特定的症状 植物组织分析法 分析测定植物组织中某一营养元素的含量 有组织汁液速测和全量分析两种 1 营养诊断的方法 69 1 施肥 根据评定土壤养分供应状况的要求 一般土壤测定的主要项目是 土壤全氮 土壤水解性氮 即有效氮 速效磷 速效钾和土壤腐殖质 其他土壤养分及化学性质则视 情况而定 2 植物缺素症 2 营养诊断的应用 70 元素元素症症 状状 N N 一般地 针叶的失绿和生长障碍随缺素状况增加而增加 一般地 针叶的失绿和生长障碍随缺素状况增加而增加 大多数情况下 针叶表现为短小 僵硬 并呈黄绿色 大多数情况下 针叶表现为短小 僵硬 并呈黄绿色 有时 在生长季节结束后 会出现叶尖发紫和叶身起枯有时 在生长季节结束后 会出现叶尖发紫和叶身起枯 斑 斑 P P 幼嫩针叶呈绿色或黄绿色 老的针叶明显发紫 紫色的幼嫩针叶呈绿色或黄绿色 老的针叶明显发紫 紫色的 深度随缺素加重而加深 某些非常严重缺素情况下 所深度随缺素加重而加深 某些非常严重缺素情况下 所 有针叶都呈紫色 有针叶都呈紫色 K K 缺素症状多种多样 通常针叶变小且有失绿 并在其针缺素症状多种多样 通常针叶变小且有失绿 并在其针 叶基部保留一些绿色 在严重缺素情况下 针叶发紫和叶基部保留一些绿色 在严重缺素情况下 针叶发紫和 出现枯斑 且顶端枯萎 或者针叶虽很少或几乎不呈现出现枯斑 且顶端枯萎 或者针叶虽很少或几乎不呈现 失绿症 但会发紫 变棕和出现枯斑 失绿症 但会发紫 变棕和出现枯斑 针叶树严重缺素的主要表现症状 71 元素元素症症 状状 CaCa 一般地 在针叶出现枯斑后发生失绿症 尤其是树枝顶一般地 在针叶出现枯斑后发生失绿症 尤其是树枝顶 部 更是如此 在缺素严重时 会发生顶芽死亡和顶端部 更是如此 在缺素严重时 会发生顶芽死亡和顶端 枯萎以及松脂渗出现象 枯萎以及松脂渗出现象 MgMg 缺素严重时 顶端针叶出现枯斑 继而新叶顶端呈现黄缺素严重时 顶端针叶出现枯斑 继而新叶顶端呈现黄 色 色 S S 一般发生失绿症 在缺素严重时 继而在针叶上出现枯一般发生失绿症 在缺素