地球化学与我国农业结构调整

1、地球化学与我国农业结构调整自古以来,人们就发现某些地区的某些作物产量高且品质好,甚至成为“贡品”。而在同样外部条件、种子和耕作管理的情况下其他地区的此作物产量和品质却达不到同样水平。人们通常把上述问题归结于“水土问题” ,实际上这种“水土问题”的根本原因就在于化学元素在地壳中分布的不均匀性。由于地球形成时元素的分布就是不均匀的,在其漫长的演化史中,同样造成了地球各圈层(岩石圈、土圈、生物圈、水圈、大气圈)中元素分布的不均匀。当富含某种元素的岩石风化最终形成土壤时,其中也同样富含了这种元素,并形成分布面积较大的区域性元素的富集或贫化。研究表明,常量元素在各圈层(除大气圈外)变化不大,如Si、 C

2、a、 Mg、 K、Na等,微量元素则变化各异,主要取决于原岩中元素富集程度。这些微量元素的多寡,往往是造成作物优质高产或劣质低产的根本原因之一。随着我国人民生活水平的提高和粮食产量的不断增加,人们对“两高一优”作物的需求量不断增加。为此,农业专家培育了大量的良种。但由于对微量元素在作物生长过程中的作用认识不系统,对一些传统优良品种的品质退化原因认识不清,有的好品种质量不断退化。如不适时加大科技投入,因地制宜、因土制宜、因土壤地球化学制宜,不断调整农业结构,提高作物的质和量,就会出现增产不增收的被动局面。1. 部分微量元素与农业生产及人体健康的关系随着地球化学服务领域的不断扩大,很多学者、专家对

3、数十种微量元素与农作物生长的关系进行了研究。除传统农肥元素N、 P、 K外,近年来对几种微量元素与大宗农作物(粮、棉、油等作物)和名、特、优经济作物及瓜果类的关系研究,取得了一批具有实质性进展的成果。1.1硼(B)硼对作物根、茎等器官的生长,幼小分生组织的发育及作物的开花结果均有重要作用。世界土壤中硼含量平均为20× 10-6,我国土壤平均为64× 10-6。需硼较多的农作物有:油菜、甜菜、大豆、花生、蚕豆、豆科绿肥、棉花、小麦、水稻、玉米、高粱、马铃薯及各种果树。缺硼既能使作物的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱,又能使作物细胞器官的结构破坏导致作物的病态生长。如缺硼能使麦类雄蕊发

4、育不良,雌蕊子房枯萎;棉花叶脉突出呈木质坏死,棉蕾易脱落;油菜心叶卷曲,下部叶片枯萎,主根萎缩,顶芽死亡等。1.2锌(Zn)锌是作物生长不可缺少的元素,它是作物多种酶的组成部分,也是一些酶的激活剂和抑制剂,而且是氮代谢和蛋白质合成的核心。世界土壤中锌含量平均为50× 10-6,我国土壤平均为163× 10-6,人体内正常含1.5 3.0g。缺锌常使氮化物的转化和蛋白质的合成受阻,严重缺锌的土壤,作物体内氮化物多聚集在营养器官中,影响籽实形成,直接影响产量。不同作物缺锌的主要症状为:水稻不长苗,主脉失绿,植株矮小(或称“僵苗” ),严重时死亡;棉花叶片变厚变脆,易破裂,叶缘卷

5、曲,生长停滞,植株矮小,豆类、水果(苹果、梨)落花、落果等。锌过量时伤害作物根系,根的生长受阻,老叶坏死;对大豆毒害,叶子卷曲茎轴枯死等。缺锌现象较明显的石灰性土壤中的玉米、小麦、水稻、甘薯及瓜果等需补锌。对于人体健康来说,缺锌可导致生殖力下降,形成性发育不完全的株儒,引起味觉不灵敏,食欲不振,视力减退,形成暗视盲。锌过多会引起恶心、呕吐、痉挛、下痢。锌的毒性极小,即是高浓度毒性也不大。1.3锰(Mn)锰是许多酶的活化剂。研究表明有23种金属-酶复合物需要锰激活。锰参与光合作用与氮代谢,有维持叶绿体膜正常结构的作用。锰还有调节作物体内氧化还原电位的作用,而且能促进和提高作物组织的持水能力,降低

6、蒸腾强度。世界土壤中锰含量平均为100× 10-6,我国土壤平均为845× 10-6,人体内含锰20mg。粮、棉、油、糖、果树、蔬菜等作物都需要锰。作物缺锰时,叶片脉间失绿,失绿部分渐变为灰色或局部坏死,叶片向内弯曲,形成枯叶。人体内锰不足可导致软骨、生长障碍、易患动脉硬化症并影响造血功能。过量锰会引起中枢神经受损。1.4钼(Mo)钼是作物的必需元素,是构成作物体内硝酸还原酶和氮酶的组成成分,对氮的代谢和果胶酶物质的代谢有重要影响,适量锰能提高作物对二氧化碳的吸收,促进碳素的同化。世界土壤中钼含量平均为1.2× 10-6,我国土壤平均为1.7× 10-6

7、,人体内含钼12 20mg。豆科和十字花科作物需钼较多。作物缺钼时,叶脉间叶色变谈、发黄,与缺氮和缺硫的病症相似,但缺钼的叶片易出现斑点,典型缺钼的症状是花椰菜“鞭尾病”和柑桔的“黄斑病”。人体中钼过多患痛风病,可引起甲状腺肿大。干扰机体的钙、磷代谢,影响骨、齿的生长,形成佝偻病、软骨病和龋齿。缺钼肝解毒功能下降,以致肝损伤。1.5铜(Cu)铜主要参与光合作用和作物的氮代谢,它是质体青的必要组分。铜还能增强叶绿蛋白的稳定性,减少在黑暗中的叶绿体的降解。铜参与硝酸还原作用,还可能参与豆白红蛋白的合成。铜能调节生长氧化酶的活性和增强作物抗性。世界土壤中铜含量平均为30× 10-6,我国土

8、壤平均为27× 10-6,人体内含铜100 150mg。玉米、谷子、油菜、棉花生长需要铜元素。作物缺铜时,新叶失绿发黄,叶尖发白并卷曲,叶脉间出现坏死斑点。适量铜可保证人体造血机能正常活动。缺铜会引起贫血造成局部皮肤脱色(白癫风)。引起白发。过低可导致主动脉血管弹性降低。过量铜严重影响机体的正常代谢。1.6铁(Fe)铁不是微量元素,其在土壤中的含量为1.0% 5.0% ,一般情况下不会出现缺铁。只有在一些特殊岩层风化的土壤(如石灰性土壤)中才发生。葡萄、草莓、苹果、桃、枣等的生长需要较多的铁。缺铁易得传染病和贫血症。人体内铁过量可引起中毒,表现为肝、肾受损,婴儿铁中毒表现为呕吐、胃肠

9、道出血、末梢神经衰弱,重者死亡。1.7硒(Se)硒对作物产量和品质的提高有多大作用目前还未见实例,但其对人体健康的作用已被公认。低硒引起心肌病和多种癌症,营养性肌无力,肌萎缩以及龋齿、白内障等,儿童恶性营养不良及婴儿猝死。分布面积很大的克山病、大骨节病区主要是缺硒。对约占我国国土面积一半的1 094个县市取样分析表明,我国土壤中含硒量大于国际上公认正常值0.1×10-6的县市只占9% ,低于0.1× 10-6的县市占91% ,其中低于0.05× 10-6的县市占71.75% ,严重缺硒的县市约占30%以上。高硒引起脱发、指甲畸形或变软和神经中毒。2. 开展土壤微量

10、元素调查,查明元素的丰缺状况及其地球化学机理2.1土壤中元素的丰缺状况原地矿部门自70年代以来已投入大量人力、物力,完成了457万km21 20万以找矿为主的区域地球化学扫面工作。一般要求分析39种元素,尽管所取的样品为水系沉积物,但经国土资源部物化探所在部分地区试验,与土壤中元素全量及有效态含量之间存在明显的相关性。根据区域化探扫面资料,编制了农业地球化学图,依据作物生长所需营养元素的多寡圈定正常区、过剩区、缺乏区及潜在缺乏区,以指导当地农业的区划、种植结构调整及针对性补施矿物肥料,取得了较好的效果。由于1 20万区域地球化学扫面主要在山区、丘陵地区进行,这些地区可在进行对比试验的基础上充分

11、利用已有资料。平原地区一般是区域地球化学扫面的空白区,但平原区是我国主要的粮、棉、油及经济作物的主产区,且人口众多、工业发达,往往存在一定的环境污染问题。经国土资源部物化探所及有关单位在部分地区试验成果表明,以0 20cm深, 1km2取1个样, 4km2组合分析,研究耕作层地球化学信息;以60 120cm深, 4km2采1个样, 16km2组合分析,研究深层地球化学信息均取得较满意的效果。分析元素主要包括作物生长的营养、有益和有害元素的全量和有效态含量等。根据分析资料并结合地质环境特征,研究微量元素的全量、有效态含量的丰缺状况、地理分布及其相互关系,用以指导种植结构调整和科学施肥。2.2土壤

12、中元素丰缺的地球化学机理就目前看来,微量元素在提高作物产量、品质及在生命科学中的重要作用已在地球化学界、农学界和医学界取得了共识。但土壤中的地球化学机理研究方面尚处于初级阶段,很多地方的经验和理论还有很多相悖之处,尚需继续积累和验证。实践中人们也发现,有时土壤中全量高的元素其有效态含量却缺乏;有的地段明明缺某种元素,也适时补施了有关微肥,但效果不甚明显。其根本原因是对土壤中元素的地球化学机理了解不够。元素在土壤中的存在形式不同将明显影响其有效态含量,也就不能有足量的可供性。如以原生矿物形式赋存在微斜长石、正长石、白云母中的钾素,往往很难转换成可交换性钾;强石灰性土壤中由于硼易被钙盐吸收而明显降

13、低了有效性等。土壤pH值与Zn、 Mn、 Fe、 Cu的有效态含量呈反消长关系;而Mo的有效态含量则与pH呈正相关,这与碱性条件下钼的氧化物易转化为可溶性钼酸盐有关。土壤中有机质含量与Zn、B (Cu)有效态含量往往呈正消长关系。反映出有机质对Zn、B (Cu)的吸附作用,当有机质分解为植物提供养分时,也输送给作物生长所需的Zn、 B(Cu)元素。粘土矿物铁、铝或锰的氧化物也可因阳离子代换、矿物结构的特殊性吸附Zn、B等元素,造成该类元素的缺乏。土壤中钼酸根离子也能被带正电荷的土壤胶体吸附造成缺钼现象。在排水不畅的条件下,特别是施用有机肥的土壤中,往往反映出还原、酸性地球化学环境,此时, Fe

14、3+、 Mn3+还原为Fe2+、 Mn2+ ,从而降低其有效态含量。另外,元素之间还存在拮抗和协同现象,表现在某地区某种元素缺乏或超量,结果导致整个生态系统的不畅或破坏。如增加Ca、K、N供应时,植物对B的需求量相应增加; P含量高时会引起缺Zn;过量N、 P会引起缺Cu, Cu过量会导致缺Fe;增加Cu、Mn等元素,可能会降低植物对Mo吸收;大量使用硫酸盐肥料(硫酸锌、硫酸锰、硫酸亚铁等)会引起缺钼;长期使用Zn、 Mn、 Cu肥,可使作物体内相对缺铁等等。3. 根据自然地理条件及土壤中元素丰缺合理调整种植结构,科学选择和施用微肥3.1 根据地球化学图合理调整种植结构在实测和利用现有资料的基

15、础上,根据作物所需营养元素的多寡编制农业地球化学图,圈出作物生长元素的正常区、过剩区、缺乏区及潜在缺乏区,作出调整种植结构的农业区划图,并指导农民科学选择适宜农作物和科学选肥、施肥。使名特优作物品质不退化,低产作物增产,剔除不适宜作物,换种适宜作物。真正做到因地制宜、因土制宜、因土壤地球化学制宜。这方面的实例正在不断积累,并在当地产生巨大经济效益。如原长春科大对黑龙江农作物研究发现,钼、钴对大豆的产量和品质的影响十分明显,亩产在100kg以上大豆区, Mo多大于1.2× 10-6, Co11.5× 10-6;玉米亩产在190kg以上、小麦90kg以上、甜菜区900kg以上、

16、水稻170kg以上地区, Zn均大于60× 10-6。邵时雄等(1995)对河北献县金丝枣优质高产区研究发现,金丝枣优质高产土壤小、中有效铁、锰含量分别大于15.0× 10-6和8.0× 10-6。曹洪松(1995)对山东肥城桃种植区研究认为, Ca、 K、 P、N、 Mg等大量元素, Zn、Cu、B、Mo等微量元素对肥桃生长和品质起促进作用,并根据当地的地质地球化学特征将肥桃划分为优势区、中势区、劣势区及不宜区,对合理调整农业布局、科学规划土地资源提供了决策依据。此外,微量元素与柑桔、烟草、沙田柚、苹果、梨等经济作物,微量元素与地方病、癌症等生命科学方面的研究也

17、日渐增多。3.2 提高对微肥的认识,科学施肥目前,各地复混肥、专用肥种类很多,如硼肥、锌肥、锰肥、钼肥、铁肥、铜肥、硒肥等。但是如使用不当,不但无增产效果,反而增加生产成本,甚至造成污染。因此,正确指导农民因土、因作物施肥是微肥能否真正起到增产增收作用的重大问题。各种微肥都有一定的使用范围和施肥方法(表1)。只有在查明元素丰缺的前提下,针对不同土壤地球化学条件、水热条件、作物品种等特点选肥、施肥,才能取得实效。因我国农民文化水平普遍较低,不可能要求他们既了解当地土壤营养结构,又了解作物所需元素。这就要求化肥厂家根据当地土壤营养结构和作物生长所需营养成分,对化肥进行二次加工配料,生产出各种对本地

18、作物需要的专用肥。由于微肥是微量元素,所以少了不起作用,多了则会造成环境污染。这就需要当地化肥生产厂家和农业部门对本地土壤元素的丰缺状况定期进行调查,并公布结果,以指导农民科学施肥,真正做到缺啥补啥。研究表明:铁、铜、锌、钼、硒和锰是参与人体各种酶的组成元素;碘、铜、钙、锰、铬、钴、镍是具有催化作用的元素;锌、硒和碘等是增强机体免疫力功能提高抗病能力的元素; K、 Na、 Li、 Ca、 Mg、 Ti、V、 Se、 Fe、 Cu、 Zn、 Ci、 Co等是保护心血管的元素。近年来研究发现恶性肿瘤高发区往往是人体中Fe、Cu、Co、Se、Mo、Mn缺乏区, Pb、K、As、Cr、Ca的高含量区。

19、这种元素的地理分布规律一般是不能改变的,但可通过增施微肥的办法,以增加农产品中有益或限制有害元素并通过食物链摄入人体,达到既提高作物的产量和品质,又能保健康。这可能是将来最高层次的科学施肥。为了防治主要因硒摄入量不足而引起大面积克山病、大骨节病等多种地方性疾病,黑龙江对140万亩农作物喷施硒肥,生产富硒的粮食就是防治类似地方病的成功范例。总之,在我国农业种植结构调整中,农业地球化学调查、微肥选择和使用有着重要作用。尽管人们对其系统研究才刚刚开始,但随着人们对农业地球化学认识和重视程度的提高及本身理论、方法的日臻完善,形成真正意义上的科学施肥,将会创造出巨大的社会和经济价值。农业地球化学综合调查

20、与农业可持续发展农业的稳定发展,是我国政治、经济和社会稳定发展的基础。我国是农业大国,保持农业的持续稳定发展更具有特别重要的意义。农业特别是粮食的稳定增长,既要依靠政策,增加投入,更离不开科技进步。随着科学技术的发展,科技在促进农业结构优化,转变经济增长方式,促进农业快速发展方面正发挥着越来越大的作用。一、 开展农业地球化学综合调查对指导科学种田有着重要意义农业地球化学综合调查,是农业地质工作的重要组成部分,也是促进农业增产的一项重要技术。它主要研究地质环境对农作物的生长、名优特产品的形成及中低产田的改造等方面的关系。随着农业科学技术的发展,对土地质量及土地资源潜力的研究,在国内外引起了广泛的

21、重视。开展农业地球化学综合调查,准确地测定土壤的各种化学成份,对指导科学种田具有重要意义。其一,可针对不同土壤,不同农作物开展针对性施肥,提高农作物产量。长期以来,人们大多凭经验开展农业耕作,对每种农作物适宜什么样的土壤环境,施什么样、什么量的肥料并不十分清楚。但大量的事实和科学研究表明,农作物生长的好坏、能否生长,往往与土壤中某些特定的营养元素含量多少及转化规律有重要联系。对于这一点,我们的古人已有了朴素的认识。2000多年前的宴子春秋就有“橘生淮南为橘,生淮北则为枳,所以然者何,水土异也。”现代科学则认为由于地质环境的不同,农作物的生长条件也不相同,如花岗岩地区和石灰岩地区所适宜的农作物不

22、一样,在变质岩地区与火山岩地区所适宜的农作物也不一样。地质环境控制了各种矿物元素的富集、迁移和演化,影响着作物的生长与发育,某些元素的不足或过剩,都会对农作物产生重要影响。如缺钙、镁会使水稻、小麦、玉米等减产,缺锌使豆类、水果落花、落果。通过开展农业地球化学综合调查,查清土壤里有关元素的丰缺情况,可以针对性地施肥,提高农作物产量。其二,可以扩大名优特农作物产量规模和质量。如安徽省在特定的地质环境下生长出了砀山酥梨、徽州雪梨、萧县葡萄、太和香椿、亳州白芍、涡阳苔干、夹沟香稻、宣州蜜枣、黄山毛峰等一大批名优特产品,这些名优特产品都与特定的土壤环境有着密切的关系,研究寻求这种特定地质环境与名优特产品

23、的关系,对扩大名优特农产品种植范围,提高产量和质量,将具有重要意义。如安徽地勘局开展的砀山酥梨增糖微肥生产试验研究取得了明显效果,目前正在推广应用。其三,可以促进生态农业的发展。我国是农业大国,改革开放以来,农业得到了很大发展。但应当看到,随着化肥的大量使用,负面效应日益明显,农业在使用化肥,增加产量的同时,也改变了土壤的生态环境,有机成份降低,盐碱化加剧,土壤的活力和肥效不断降低,农作物对化肥的依赖性增强,效果减弱,使用量增加。迫切需要研究开发新型的矿物肥料来改良土壤,提高肥力。而通过开展农业地质调查,可以为开发新的矿物肥料、改良土壤、提高肥力提供科学依据。二、农业地球化学综合调查工作现状农

24、业地球化学综合调查工作自80年代以来,逐步应用于农业生产。四川、河北、浙江、湖南等省开展此项工作较早,并取得了明显成效。如80年代初,四川省农科院与成都地矿所合作,对四川盆地棉花的地质环境进行研究,发现川中红色的沙岩泥岩出露地区,最宜种棉花,以此为基础,提出了棉花区划布局调整方案,被省政府采纳后,把棉花转移到适宜区种植,亩产由24公斤增加到64公斤。通过对涪陵榨菜最适宜生长环境的调研,扩大同种地质环境榨菜种植面积100万亩,大幅度增加了农民的收入。北京昌平县北部山区板栗生长与土壤相关性研究,地矿部门查明并圈定了最适宜板栗生长的土地3.2万亩,1986年种植5000亩,取得了良好的经济效益。河北

25、省通过对冀东地区微量元素缺乏区增施微肥(微量元素)试验,使水稻、玉米、花生平均增产10%以上,苹果增产30%以上。湖南省地矿厅通过试验发现,在棉田施用一定量海泡石每亩增产12.7%;施于稻田,每亩增产8.5%。浙江省在对大宗农作物、名优特农产品的地球化学背景调查的基础上,进行了有关专题研究及开发应用研究,为地质学服务农业探索出了一条新路子。1990年,该省根据杭嘉湖平原区化资料,对土壤里农作物的营养元素、含量及有效量进行了系统研究,为该区的农业开发,科学施肥,合理种植,土壤改良等提供了科学依据。由于诸多因素的影响,各地开展农业地球化学综合调查工作进展不平衡,总体来说,此项工作进展较慢。影响开展

26、农业地球化学综合调查工作的主要因素有:一是广大农民,特别是有关领导对科学种田的意识不强,农业耕作主要依靠过去的经验,至于对不同的土壤,种植不同的作物,施以不同的肥料,缺乏科学的了解。二是地质学为农业服务的重要意义宣传不足,人们习惯认为,地质工作是找矿的,不知道地质工作对农业发展的重要作用。三是经费困难。开展农业地质工作需要一定的经费投入,但由于地矿部门本身无这笔资金来源,政府又未列投入计划,而分散的农民又不愿出钱开展,因此开展此项工作困难重重。三、农业地球化学综合调查的主要内容及成果作用1.农业地球化学综合调查的主要内容。(1)农业地质背景调查。主要包括地层岩石背景,地质构造背景,地貌背景及水文地质背景等方面的调查。(2)土壤生产性能调查。主要包括土壤类别物理化学性质调查;农作物种类产量、品质及施肥、施水情况调查等。(3)农业地球化学调查专题研究。根据表层土壤环境中元素分布的地球化学特征,分别选择农作物长势较好和长势较差的地块,采集土壤、农作物样品,分析元素含量、有效量,研究农作物生长与地球化学背景相关性。(4)农业地球化学调查的应用研究。在深入研究农作物生长、产量、品质与土壤营养元素关系基础上,开展农业地球化学应用研究,进行农作物的微肥试验,包括土壤改良、降碱等,以进一步提高农作物的产量和品质。2.调