第八章 土壤养分的生物有效性

第八章土壤养分的生物有效性“土壤有效养分”(soil available nutrient)，原初的定义是指土壤中能为当季作物吸收利用的那一部分养分。

定量化地研究土壤的有效养分及其影响因素，对于发展合理施肥与推荐施肥的技术，进而推动农业增产有着重要意义。

生物有效养分(bioavailable nutrient)，系指存在于土壤的离子库中，在作物生长期内能够移动到位置紧挨植物根的一些矿质养分。

”也可以说，土壤的生物有效养分具有两个基本要素：(1) 在养分形态上，是以离子态为主的矿质养分。

(2) 在养分的空间位置上，是处于植物根际或生长期内能迁移到根际的养分。

第一节土壤养分的化学有效性化学有效养分是指土壤中存在的矿质态养分。

可以采用不同的化学方法从土壤样品中提取出来。

化学有效养分主要包括可溶性的离子态与简单分子态养分；易分解态和交换吸附态养分以及某些气态养分。

一、化学浸提有效养分的方法及评价1. 化学有效养分的提取提取土壤有效养分的化学浸提剂种类很多，常因营养元素和土壤类型的不同而异。

在提取原理上除纯化学法外，还有物理化学方法等。

由于阳离子形态的养分，主要存在于土壤溶液中或被吸附于土壤有机一无机复合体上，因此，用过量的阳离子浸提剂可将土壤样品中各种交换态和几乎全部的可溶态阳离子提取出来，然后，对提取液定量测定，将所得数值作为土壤有效养分的含量。

土壤中有效态阴离子的提取，以土壤有效磷为例，所选择的浸提剂要求其提取土壤中易分解的有机态磷，易溶解的无机态磷和部分的胶体吸附态磷。

针对不同土壤上各种形态磷的组分与比例不同，以及磷酸盐的类型不同，可以有多种有效磷的浸提剂。

石灰性土壤上常采用奥尔逊(Olsen)法，该法的提取剂是0. 5 mol NaHC03(pH8.5)。

近来，也有用电超滤法提取土壤有效养分的。

此法是将土壤悬浊液置于电场下，通过改变电压和温度，分别提取出不同吸附态的养分。

在低电压条件下，分离出的养分量少，其结果与土壤溶液中的养分浓度相关性较高；而在高电压时，提取出的养分量多，其结果就与土壤中吸附态养分相关性高。

通过大量生物试验表明，用电超滤法提取的土壤有效钾比化学方法测定的交换钾能更好地反映出土壤有效钾的含量水平。

2 化学有效养分测定值的相对性不同化学浸提方法所测出的“有效养分”数值是不相同的，在很大程度上取决于浸提剂的类型。

对于同一种土壤采用不同的浸提剂所测出的“有效磷”的数值相差很大，最大的可相差4倍之多，表明化学方法浸提的“有效养分”含量是相对值，不同方法间缺乏相互比较的基础，局限性较大。

3 化学有效养分与植物吸收量之间的相关性由于化学浸提法测定的有效养分是相对值，在应用前需要与生物试验的结果进行相关研究。

实际上大量研究结果已经表明，化学有效养分与各种植物的实际吸收量或生长状况之间相关性往往不能使人满意。

例如美国加州大学Burd和Hoagland对28种土壤连续七年进行燕麦盆栽试验，在栽培过程中严格调节水分和温度等条件，每年用稀柠檬酸提取供试土壤的有效养分，研究土壤有效养分含量与燕麦实际吸收量、燕麦生长量之间的关系，其结果常常出现有效养分相同而燕麦生长状况与养分实际吸收量却差异极大，说明化学浸提法所测得的养分数值有的很难真实反映植物的生长状况和产量水平。

4 化学有效养分在推荐施肥中的应用在确定推荐施肥量时，需要了解土壤能为当季植物提供多少养分。

在实际中常用化学有效养分含量作为推荐施肥的依据。

但是化学浸提方法所测定的有效养分只是部分地反映出“有效养分”的因素，还不能完全与植物有效养分的实际含义相吻合。

二、养分的强度因素与容量因素1 土壤养分的强度因素它是指土壤溶液中养分的浓度。

土壤溶液中养分的浓度越高，根直接接触到的养分越多，养分就越容易被吸收。

所以，强度因素是土壤养分供应的主要因子。

它因植物吸收、肥料施用等因素而有变化。

2 土壤养分的容量因素它是指土壤中有效养分的数量，也就是不断补充强度因子的库容量。

当土壤溶液中的养分浓度随根的吸收而下降时，固相储存态的养分可以不断地向溶液中补充。

这种储存量便是土壤养分供应的容量因子。

在植物整个生长期间，要保持土壤养分的不断供应，不仅取决于土壤溶液中养分的浓度，也取决于保持土壤溶液中有一定养分浓度的缓冲能力。

由此可见，养分的强度因素与容量因素之间是相互关联的。

容量因素对强度因素的补充不仅取决于养分库容量的大小，还决定于储存养分释放的难易程度。

它们不仅受到土壤pH值、水分、温度、通气等土壤条件的影响，而且还受到植物根生长的影响。

3 土壤养分的缓冲因素土壤养分的缓冲因素是表示土壤保持一定养分强度的能力，也叫缓冲力或缓冲容量。

它关系着养分供应的速度，反映强度(I)随数量(Q)变化的关系，可以用△Q／△I比率来表示。

此项比率越大，土壤养分的缓冲力就越强．在植物生长期间，由于根系对K+吸收导致根表K+的浓度下降，而下降的程度取决于土壤的缓冲容量。

土壤钾的缓冲容量大，就意味着土壤溶液中K+的补充快，浓度下降减缓。

相反，K+的缓冲容量小的土壤，在作物生长期间，随着根的吸收，根表K+的浓度会下降得很快。

从理论上讲，为了满足植物适宜的生长，需要使土壤溶液中的养分浓度维持在一定的水平上。

这个浓度可称为临界浓度。

当土壤溶液中养分浓度低于临界值时，作物生长量减少。

可以想象由于不同植物对土壤养分浓度的要求不同，因此临界浓度也有差异。

以钾为例，土壤溶液中钾的临界水平与其缓冲容量有关，缓冲容量越小，其临界浓度就越高。

缓冲力概念也可用来说明土壤磷的有效性。

一般来讲，吸附态磷与溶液中磷的浓度之比可代表土壤磷的缓冲容量，它对植物的磷供应有很大的影响。

在缓冲容量小的土壤上，只有保持土壤溶液中较高的磷浓度，植物根才能得到适量的磷。

反之，在磷缓冲容量大的土壤上，即使土壤溶液中磷浓度较低，植物也有可能从土壤中获得适量的磷。

总之，应用强度／容量关系描述土壤养分的有效性，可以从养分转化的动态过程来考虑养分的有效性。

但由于土壤中养分存在状态与转化过程的多样性与复杂性，很多过程还不能定量测定。

目前仅限于借助化学动力学方法测定土壤溶液与固相吸附态养分之间的动态关系，以描述土壤的有效养分，因此在实际应用中是很有限的。

第二节土壤养分的空间有效性一、养分的位置与有效性土壤中化学有效养分能否为植物根系所吸收，与其所处的空间位置密切有关。

有效态养分只有到达根系表面才能为植物所吸收，成为实际的有效养分。

然而对于整个土体来说，植物根系的分布仅仅占据了其中极少的空间，平均根系土壤容积百分数大约为3%。

如果仅以根系与土壤直接接触的这部分养分作为植物有效养分，是远远不能满足植物对养分的需求的，而实际上土壤中相当部分的化学态有效养分可以通过不同的途径与方式迁移到达根表，而成为植物的有效性养分。

由此可见，养分的迁移对于提高土壤养分的空间有效性是极其重要的。

二、养分向根表的迁移土壤中养分到达根表有两个途径：一是根对土壤养分的主动截获。

截获(inter-ception )是指根直接从所接触的土壤中获取养分而不通过运输。

截获所得的养分实际是根系所占据的土壤容积中的养分，主要决定于根系容积(或根表面积)大小和土壤中有效养分的浓度。

二是在植物生长与代谢活动(如蒸腾、吸收等)影响下，土体养分向根表的迁移。

迁移有两种方式：即质流与扩散。

1 质流(mass flow)植物的蒸腾作用和根系吸水造成根表土壤与原土体之间出现明显的水势差，此种压力差异导致土壤溶液中的养分随着水流向根表迁移，称为质流。

在植物生育期内由于蒸腾量比较大，因此，通过质流方式运输到根表的养分数量也比较多。

养分通过质流方式迁移的距离比扩散迁移的距离长。

某种养分通过质流到达根部的数量，取决于植物的蒸腾率和土壤溶液中该养分的浓度。

2 扩散(diffusion)当根系通过截获和质流作用所获得养分不能满足植物需求时，随着根系不断地吸收，根际有效养分的浓度明显降低，并在根表垂直的方向上出现养分浓度的梯度差，从而引起土体养分顺浓度梯度向根表迁移，这种养分的迁移方式叫养分的扩散作用。

一般来讲，只要出现养分的浓度梯度，就会发生养分从高浓度区向低浓度区的扩散作用。

这种迁移一般具有速度慢距离短的特点。

不同营养元素之间扩散所达到的距离并不一致，彼此间常有明显差异，一般是在0.1～15 mm范围之间。

土壤中养分的扩散过程比较复杂。

养分扩散速率主要取决于扩散系数。

3 不同迁移方式对植物养分吸收的贡献在植物养分吸收量中，通过根系截获的数量很少，质流和扩散是植物根系获取养分的主要途径。

对于各种营养元素来说，不同供应方式的贡献各不相同。

钙、镁和氮(NO3-)主要靠质流供应养分。

特别应该指出的是钙，它的情况比较特殊。

由于土壤溶液中钙的浓度高，根系通过截获和质流就可以满足植物对钙的需求，尤其在石灰性土壤上。

如果植物蒸腾作用强烈，其根表面会出现由于钙的富集而产生的碳酸钙淀积，并因此对磷、铁和锌等营养元素产生复合效应，降低这些营养元素的有效性。

这在生产实际中是值得注意的。

对于在土壤溶液中浓度比较低的离子养分，如H2P04-, K+ , NH4+等，扩散方式是它们向根表迁移的主要方式。

不同营养元素对扩散的依赖程度取决于它在土壤溶液中的浓度和离子的扩散系数，两者之间基本上呈负相关。

第三节根系生长特性与根际养分的有效性一植物根的特性1、形态结构植物间的种类差异导致根系的类型不同，它们从土壤中吸收养分的效率也有某些差异。

例如，在土壤有效磷含量低的草原上，为了选择吸磷效率高的牧草，对双子叶的三叶草和单子叶的黑麦草进行了比较，发现三叶草获得最高产量所需要的土壤有效磷含量是黑麦草的10倍。

主要原因是两种牧草根系在吸磷能力上有明显的差异，表现在它们之间的根长、根吸收表面积和根系分布深度等性状有所不同。

单子叶植物的根属须根系，主根不够发达，在茎基和茎节等处长出许多不定根，并大量形成粗细差不多的各级侧根。

所以，须根系是粗细比较均匀的体系，根长与表面积也都比较大。

相反，双子叶植物的根属直根系(又称主根系)，其主要支、干根都可进行次生生长，并形成粗细悬殊较大的不均匀的结构体系，在根长与总吸收表面积上都比须根系小。

2、根毛大多数农作物都是有根毛的。

只有洋葱、胡萝卜等少数植物没有根毛或根毛很少而短。

植物根毛的寿命很短，一般只有几天至几周。

根由于根毛形态既纤细又繁多，根毛的出现使根系的外表面积增加到原来的2-10倍。

因此，根毛在增强植物养分与水分吸收方面的作用是很突出的，尤其是对那些在土壤中浓度低、移动性小、靠扩散作用向根表供应的营养元素(如磷、钾、锌等)，根毛的作用更显重要。

由于根毛的存在缩短了养分迁移到根表的距离，并可增加总吸收表面积。

根毛的另一作用是加强共质体的养分运输。

据研究发现，在根毛周围的皮层细胞或细胞壁中，胞间连丝分布的密度明显大于其他部位的细胞，这就表明根毛能增强植物根部营养物质在细胞间的短距离运输。