第一章 緒論內(nèi)容

1、緒論1土壤肥力的研究歷史土壤肥力按成因可分為自然肥力和人為肥力。前者指在五大成土因素(氣候、生物、母質(zhì)、地形和年齡)影響下形成的肥力，主要存在于未開墾的自然土壤；后者指長期在人為的耕作、施肥、灌溉和其他各種農(nóng)事活動影響下表現(xiàn)出的肥力，主要存在于耕作（農(nóng)田）土壤。 肥力概念的發(fā)展 土壤肥力概念是隨土壤科學的發(fā)展而逐步充實與完善的。17世紀時海耳蒙特根據(jù)他著名的柳枝土培試驗，認為植物從土壤中得到的除水分以外，沒有其他任何物質(zhì)。其后，德國的A.D.泰伊爾提出，除了水分以外，土壤中的腐殖質(zhì)是唯一能作為植物養(yǎng)料的物質(zhì)，是植物碳素營養(yǎng)和其他營養(yǎng)物質(zhì)的源泉，錯誤地認為腐殖質(zhì)可以被植物所直接利用。直至1840

2、年，德國的李比希提出了植物礦質(zhì)營養(yǎng)學說以后，土壤肥力概念才得到較為科學的解釋。李比希認為，礦物質(zhì)是植物的營養(yǎng)基礎，土壤則是植物獲得礦質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)的源泉。這個學說首次明確地指出了土壤礦物質(zhì)是土壤肥力的核心，從而修正了泰伊爾的錯誤。它不僅在土壤科學和農(nóng)業(yè)化學發(fā)展史中具有劃時代的意義，而且促進了化肥工業(yè)的發(fā)展。但是，由于他忽視了土壤中除土壤礦質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)以外的其他因素對植物生長的影響，以致有將土壤肥力的概念與土壤礦質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)完全等同起來的傾向。至今，仍有人將土壤肥力僅僅理解為土壤中植物生長所必需的元素的數(shù)量與有效性的一種狀況。20世紀初，蘇聯(lián)土壤學家威廉斯在總結(jié)前人和自己研究成果的基礎上，認為土壤肥力是

3、土壤具有同時地、不斷地供給植物礦質(zhì)養(yǎng)分和水分的能力，對土壤肥力概念作了較全面的表述。 中國的一些土壤工作者根據(jù)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗和研究成果，將土壤肥力歸結(jié)為土壤中養(yǎng)分、水分、通氣狀況和溫度狀況（簡稱水、肥、氣、熱）等 4個因素的綜合。 影響土壤肥力的因素 土壤中的許多因素直接或間接地影響土壤肥力的某一方面或所有方面，這些因素可以歸納如下。 養(yǎng)分因素 指土壤中的養(yǎng)分貯量、強度因素和容量因素，主要取決于土壤礦物質(zhì)及有機質(zhì)的數(shù)量和組成。就世界范圍而言，多數(shù)礦質(zhì)土壤中的氮、磷、鉀三要素的大致含量分別是0.02 0.5、0.010.2和0.23.3。中國一般農(nóng)田的養(yǎng)分含量是：氮0.030.35；磷0.0

4、10.15;鉀0.252.7。但土壤向植物提供養(yǎng)分的能力并不直接決定于土壤中養(yǎng)分的貯量，而是決定于養(yǎng)分有效性的高低；而某種營養(yǎng)元素在土壤中的化學位又是決定該元素有效性的主要因素。化學位是一個強度因素，從一定意義說，它可以用該營養(yǎng)元素在土壤溶液中的濃度或活度表示。由于土壤溶液中各營養(yǎng)元素的濃度均較低，它們被植物吸收以后，必須迅速地得到補充，方能使其在土壤溶液中的濃度即強度因素維持在一個必要的水平上。所以，土壤養(yǎng)分的有效性還取決于能進入土壤溶液中的固相養(yǎng)分元素的數(shù)量，通常稱為容量因素。在實用中，養(yǎng)分容量因素常指呈代換態(tài)的養(yǎng)分的數(shù)量（代換性鉀、同位素代換態(tài)磷等）。土壤養(yǎng)分的實際有效性，即實際被植物吸

5、收的養(yǎng)分數(shù)量，還受土壤養(yǎng)分到達植物根系表面的狀況，包括植物根系對養(yǎng)分的截獲、養(yǎng)分的質(zhì)流和擴散三方面狀況的影響。 物理因素 指土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)狀況、孔隙度、水分和溫度狀況等。它們影響土壤的含氧量、氧化還原性和通氣狀況，從而影響土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率和存在狀態(tài)、土壤水分的性質(zhì)和運行規(guī) 律以及植物根系的生長力和生理活動。物理因素對土壤中水、肥、氣、熱各個方面的變化有明顯的制約作用。 化學因素 指土壤的酸堿度、陽離子吸附及交換性能、土壤還原性物質(zhì)、土壤含鹽量，以及其他有毒物質(zhì)的含量等。它們直接影響植物的生長和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放及有效性。一般而言，在極端酸、堿環(huán)境、有大量可溶性鹽類存在或有大量還原性物質(zhì)

6、及其他有毒物質(zhì)存在的情況下，大多數(shù)作物都難以正常生長和獲得高產(chǎn)。土壤陽離子吸附和交換性能的強弱，對于土壤保肥性能有很大影響。土壤酸度通常與土壤養(yǎng)分的有效性之間有一定相關。如土壤磷素在pH為6時有效性最高，當介質(zhì)pH值低于或高于6時，其有效性明顯下降；土壤中鋅、銅、錳、鐵、硼等營養(yǎng)元素的有效性一般隨土壤pH值的降低而增高，但鉬則相反。 土壤中某些離子過多和不足，對土壤肥力也會產(chǎn)生不利的影響。如鈣離子不足會降低土壤團聚體的穩(wěn)定性，使其結(jié)構(gòu)被破壞，土壤的透水性因而降低；鋁、氫離子過多，會使土壤呈酸性反應和產(chǎn)生鋁離子毒害；鈉離子過多，會使土壤呈堿性反應和產(chǎn)生鈉離子毒害，都不利于植物生長。 生物因素 指

7、土壤中的微生物及其生理活性。它們對土壤氮、磷、硫等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和有效性具有明顯影響，主要表現(xiàn)在：促進土壤有機質(zhì)的礦化作用，增加土壤中有效氮、磷、硫的含量；進行腐殖質(zhì)的合成作用，增加土壤有機質(zhì)的含量，提高土壤的保水保肥性能；進行生物固氮，增加土壤中有效氮的來源。 土壤肥力的保持與提高 用地與養(yǎng)地相結(jié)合、防止肥力衰退與土壤治理相結(jié)合，是保持和提高土壤肥力水平的基本原則。具體措施包括：增施有機肥料、種植綠肥和合理施用化肥，以便不僅有利于當季作物的高產(chǎn)，而且有利于土壤肥力的恢復與提高。對于某些低產(chǎn)土壤(酸性土壤、堿土和鹽土）要借助化學改良劑和灌溉等手段進行改良，消除障礙因素，以提高肥力水平。此外還要

8、進行合理的耕作和輪作，以調(diào)節(jié)土壤中的養(yǎng)分和水分，防止某些養(yǎng)分虧缺和水氣失調(diào)；防止土壤受重金屬、農(nóng)藥以及其他污染物的污染；因地制宜合理安排農(nóng)、林、牧布局，促進生物物質(zhì)的循環(huán)和再利用;防止水土流失、風蝕、次生鹽漬化、沙漠化和沼澤化等各種退化現(xiàn)象的發(fā)生，保護森林、草原，維護生態(tài)平衡等。1.1 國外土壤肥力研究歷史及現(xiàn)狀1.1.1研究歷史1.1.1.1古代的有關記載約兩千年之后，希臘歷史學家Herodotus（希羅多德，公元前5世紀-譯者注）報道了他在美索不達米亞的旅行，提到這里居民所獲得的驚人產(chǎn)量。如此高的產(chǎn)量可能是發(fā)展完善的灌溉系統(tǒng)和高土壤肥力的結(jié)果，這部分歸功于每年的河水泛濫。Theophras

9、tua（狄奧弗拉斯塔，公元前372前287，希臘哲學家和科學家-譯者注）在大約公元前300年時提到底格里斯肥沃的沖積層，并提出把水盡可能長久地留在田間以沉淀更多的淤泥。后來人們逐漸認識到，在某些土壤上連續(xù)種植一種作物不能獲得好收成。給土壤施用動物和植物性糞肥以恢復地力的措施可能源于這些經(jīng)驗。Theophrastus建議為瘦地施足肥，肥地只施少量肥料。他還贊成一項迄今都是良好的措施，在廄中墊草。他指出這會在墊草中保存尿液使糞肥中腐殖質(zhì)增多。有意思的是，Theophrastus還指出需要養(yǎng)分多的植物所需要的水分也多。雅典城周圍的菜園和橄欖林因使用城市污水而變肥。當時曾利用了灌水渠道，至今還有調(diào)節(jié)水

10、流設施的遺跡。據(jù)說污水是向農(nóng)民出售的。古人也用溶有糞肥的水為葡萄園和園林施肥。糞肥按其養(yǎng)分富集程度（即濃度）分類。比如，Theophrastus按肥料應用價值遞減的順序排列如下：人糞、豬糞、山羊糞、綿羊糞、母牛糞、公牛糞和馬糞。之后，早期羅馬農(nóng)業(yè)作家Varro（瓦羅，公元前27年，羅馬學者-譯者注）也列出一個相近的順序，只是將鳥糞和禽糞劃為比人糞更高的等級。古人不僅知道糞肥的優(yōu)點，也觀察到動物尸體有促進作物生長的效果。古人對利用我們今天所謂的礦質(zhì)肥料或土壤改良劑并非全然不知。Thoephrastus曾提出混合不同的土壤作為“加入精華，糾正缺陷”的辦法。這一措施在幾個方面有益。將肥沃土壤加在貧瘠

11、的土壤上會提高后者肥力，混合土壤可為一些田塊豆科植物的種子提供更好的接種條件。另外，將細質(zhì)地土壤混入粗質(zhì)地土壤中可改善被處理土壤的水-氣關系。對泥灰的價值也有認識。早年埃琴納島（Aegina）的居民挖出泥灰施于土壤。羅馬人從希臘人和高盧人那里學得這種技術，將各種石灰物質(zhì)分類，指明某種適于施用在糧食作物上，而另一種可能適用于草地。Pliny（普林尼，公元62113年，羅馬作家-譯者注）指出，石灰應在地面上薄薄撒一層，一次施用“即使管不了50年也足以維持多年”。Columella也推薦在礫質(zhì)土上施用泥灰并將厚厚的石灰性土壤摻在其中。圣經(jīng)上提到猶太人燒刺木叢和灌木叢時記載了草木灰的價值，Xenoph

12、on（贊諾芬，公元4世紀希臘歷史學家和隨筆作家-譯者注）和 Virgil都報道過燒秸稈可以去除雜草。Cato（加圖，羅馬政治家-譯者注）勸告葡萄種植者就地燒掉修剪的枝條后把灰翻入土壤用來肥田。Pliny描述了施用石灰窯的石灰對橄欖林特別有益。一些農(nóng)民焚燒糞肥后將灰施于土壤。Columella也提到在低地土壤上撒草木灰或石灰用來中和酸性。Theophrastus和Pliny都提到了硝石（即硝酸鉀）對植物是一種有用的肥料，圣經(jīng)中路加福音也曾將提到這一點。Theophrastus還提到過鹵水。很明顯，由于認識到棕櫚大量需要這種鹽，所以早期的農(nóng)民把鹵水澆在樹根周圍。Virgil曾描述了關于今天被稱為容

13、重的土壤性質(zhì)。關于測定這種性質(zhì)的方法，他建議如下：首先應該用眼選出一塊地方，然后挖個深坑直到硬底，再將這些土填回坑里，用腳踩平土面。如果挖出的土填不滿這個坑，該土壤就是疏松土壤，適合放牧和種植高產(chǎn)葡萄；如果填滿后土仍有剩余，就是緊實土壤，可能有粘實土塊和僵硬田埂，第一次犁地要用壯實的公牛。 但是，含鹽的土壤嘗上去很苦，玉米從來長不好，這就證明了這種影響。從煙熏的屋頂上取一些編織緊密的枝條和壓酒濾網(wǎng)，其上放些有問題的土壤和一些甘甜的泉水，向下壓直到水滿到邊上，保證水都壓出來使每滴水都通過枝條。味道會清楚地揭示結(jié)果，其苦味的感覺會扭曲品嘗者的臉龐。許多早期的作者相信（現(xiàn)在許多人也這樣認為），土壤顏

14、色是其肥力的一個指標。普遍認為，黑色土壤肥沃，而淺色或灰色的土壤不肥沃。Columella不同意這一觀點，他指出，黑色沼澤土不肥沃而利比亞的淺色土壤肥力甚高。他認為，諸如結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和酸度是評價土壤肥力更好的指標。1.1.1.2 19世紀以前對土壤肥力的認識進入17世紀前后，F(xiàn)rancis Bacon（培根，15611624）提出主要植物營養(yǎng)是水。他認為，土壤的主要作用是使作物直立、保護其不受凍熱危害，而且每種植物從土壤中吸收其本身特殊需要的物質(zhì)。他還堅持認為，在土壤連續(xù)生產(chǎn)同一類植物會因這種植物的特殊需要使土壤貧瘠。同一時期，佛蘭芒的醫(yī)生和化學家Jan Baptist van Helmont（

15、赫爾蒙特，15771644）報道了一項試驗結(jié)果。他認為，這項試驗證明水是惟一的植物養(yǎng)分。雖然。van Helmont的研究其結(jié)論是錯誤的，但對我們的知識實際上有很大貢獻。它促進了后來的研究，而這些研究的結(jié)果使我們對植物營養(yǎng)有了更好的了解。數(shù)年后，van Helmont的工作被著名的英格蘭科學家Robert Boyle（波義耳，16721691）所重復。他根據(jù)所做的植株樣本化學分析結(jié)果，指出植物中含有鹽類、酒精、土和油，這些都是由水生成的。大約在1700年進行了一項杰出的研究，使農(nóng)業(yè)科學研究前進了一大步。一位名叫John Woodward且熟知Boyle和van Helmont工作的英國人在收集

16、的雨水、河水、污水和污水加花園土等許多來源的水中種植的留蘭香。他自始至終仔細測量試驗中植物蒸騰的水量并記錄試驗前后植株的質(zhì)量。他發(fā)現(xiàn)留蘭香的生長與水中雜質(zhì)量成正比，所以認為土壤物質(zhì)或土而不是水，才是植物生長的要素。雖然他的結(jié)論從整體上講是錯誤的，但這代表了知識的進步，其試驗技術比先前使用的技術先進得多Arthur Young（17411820）是18世紀英國最著名的農(nóng)學家之一。他做了許多盆栽試驗來尋找提高作物產(chǎn)量的物質(zhì)，他在砂土上種大麥，施用的物質(zhì)有木炭、鯨油、禽糞、葡萄酒、硝石、火藥、瀝青、牡蠣殼和許多其他物質(zhì)。其中一些物質(zhì)促進植物生長，其余的則不然。Young是一位多產(chǎn)作家，他出版了一部農(nóng)

17、業(yè)年刊（Annuals of Agriculture），有46卷，很受重視，并對英國農(nóng)業(yè)影響相當大。17世紀和18世紀許多農(nóng)業(yè)著作反映了植物由一種物質(zhì)組成的思想，此時的大多數(shù)研究人員尋找這種植物要素。大約1775年，F(xiàn)rancis Home指出，這種要素可能不只一種，而是多種，其中有空氣、水、鹽類、油和固定態(tài)的火。Home認為農(nóng)業(yè)問題的實質(zhì)是植物營養(yǎng)。他做盆栽試驗并測量不同物質(zhì)對植物生長的影響，還做植株材料的化學分析。他的研究被認為是科學農(nóng)業(yè)進程中寶貴的階石。Priesley（普利斯特里）對氧的發(fā)現(xiàn)是提示植物生命之迷中許多其他發(fā)現(xiàn)的關鍵。Jan Ingenhousz（17301799）指出，有

18、光線時空氣變得純凈，黑暗時不純凈。與這一發(fā)現(xiàn)的同時，瑞士自然哲學家和歷史學家Jean Denebier（17421809）指出，van Helmont的柳枝增加的質(zhì)量來自空氣。1.1.1.3 19世紀后土壤肥力研究這些發(fā)現(xiàn)激發(fā)了Theodore de Saussure思考，他父親熟知Senebier的研究，而他攻克了Senebier研究過的兩個難題，即空氣對植物的影響和植物中鹽分的來源。結(jié)果de Saussure可以演示植物吸收氧氣和放出二氧化碳這一呼吸作用的中心問題。而且，他還發(fā)現(xiàn)在光照條件下植物會吸收二氧化碳放出氧氣。然而，若置植物于無二氧化碳的環(huán)境中必然會死亡。De Saussure總結(jié)

19、出土壤只提供植物所需養(yǎng)分的一小部分，但他指出土壤確實既供應灰分也供應氮。他有效地消除了植物自發(fā)制造鉀堿的觀念，還進一步指出植物根系不是僅起個過濾器的作用。反之，膜有滲透選擇性，使水分比鹽類更快地進入植物體。他還指出，植物對鹽分吸收量不同，不同植物的組成也不同，而是依土壤性質(zhì)和植物發(fā)育階段的不同而異。De Saussure關于植物中的碳來自空氣的結(jié)論沒有很快得到同事們的承認。大約在1813年，Humphry Davy爵士出版了農(nóng)業(yè)化學元素（The Elements of Agricultural Chemistry）一書，頗有影響。他認為，雖然一些植物可以從空氣中接受碳，但主要部分還是通過根吸收

20、進來。Davy執(zhí)著地堅信于這一點，竟建議用油作肥料，因其中含碳和氫較多。19世紀中葉到20世紀初是人類認識植物營養(yǎng)和作物施肥的大發(fā)展時期。當時做出突出貢獻的是一位到過許多地方的法國化學家Jean Baptiste Boussingault（18021882），他在阿爾薩斯建立了一個農(nóng)場做田間小區(qū)試驗。Boussingault把de Saussure的精確稱量和分析技術用于小區(qū)施肥措施和作物收獲。他堅持做收支平衡表，從表中能看出各種植物養(yǎng)分元素有多少來自降雨、土壤和空氣。在不同生育期分析作物組分，確信最好的輪作是除施用有機肥外能生產(chǎn)最多的有機質(zhì)的輪作方式。Boussingault被一些人尊為田間

21、小區(qū)試驗法之父。德國化學家李比希（Justus von Liebig，18301873）非常有效地揭示了腐殖質(zhì)的奧秘。他在著名的科學會議上提交的論文極大地震撼了當時的保守思想。自此，只有少數(shù)科學家敢于提出植物中的碳來自二氧化碳以外的任何碳源。李比希做了如下陳述：(a)植物中大多數(shù)碳來自大氣中的二氧化碳；(b)氫和氧來自水；(c)植物需要堿金屬以中和植物代謝活動中產(chǎn)生的酸；(d)籽粒形成需要磷酸鹽；(e)植物從土壤中無選擇地吸收一切物質(zhì)，但從根部排出那些非必需物質(zhì)。他在1862年提出的最小因子律是一種預測作物對施肥反應的簡單而合理的指南。這一定律的內(nèi)容如下：每塊土地土壤中具有一種或數(shù)種養(yǎng)分的最大

22、值和一種或數(shù)種養(yǎng)分的最小值。無論是石灰、鉀、氮、磷酸鹽、碳酸鎂或其他任何養(yǎng)分，其最小值都與產(chǎn)量直接相關。這是支配和控制產(chǎn)量的因子。假定石灰養(yǎng)分值最小，即使把鉀鹽、二氧化硅、磷酸鹽等的用量提高100倍，產(chǎn)量也不能進一步提高。李比希的最小因子律此后長期統(tǒng)治著農(nóng)業(yè)工作者的思想，在土壤肥力管理上具有廣泛的重要性。李比希依據(jù)他的植物營養(yǎng)的觀點，制造了一種肥料。混合物的配方很完善，但他卻錯將石灰與磷酸鹽和鉀鹽熔融。結(jié)果這種肥料完全無效。盡管如此，李比希在農(nóng)業(yè)發(fā)展上做出的貢獻是不可磨滅的，被公正地尊為農(nóng)業(yè)化學之父。繼李比希的著名論文發(fā)表之后，1843年建立了英國洛桑試驗站。這一機構(gòu)的創(chuàng)建人是J.B.Lawe

23、s和J.H.Gilbert。這里進行的工作是早年Boussingault在法國所做的那些工作的延續(xù)。J.B.Lawes和J.H.Gilbert并不相信李比希提出的所有觀點都正確。在試驗站建立12年后，他們確認了以下幾條：(a)作物需要磷和鉀，但植物灰分組成與植物對這些組分的需求的量不相符。(b)非豆科作物需要供應氮。沒有氮素供應時無論施用多少磷、鉀肥也不能使植物生長。大氣提供的氨態(tài)氮量不能滿足作物需要。(c)土壤肥力可通過施用化學肥料維持若干年。(d)休閑的益處在于增加土壤中含氮化合物的有效性。土壤和植物氮素的問題仍未解決。幾位研究人員已觀察到豆科植物的不尋常表現(xiàn)。在某些情況下豆科植物未施氮也

24、長勢良好，在另一些情況下卻不能生長。另一方面，非豆科植物在土壤沒有足夠的氮時不能生長。1878年，兩位法國細菌學家Theodore Scholessing和Alfred Müntz的工作澄清了一些問題。他們通過砂子和石灰石過濾使污水凈化，定期分析濾出液，28天內(nèi)只檢測出銨態(tài)氮。以后硝酸鹽才開始出現(xiàn)于濾液中。Schloessing和Müntz發(fā)現(xiàn)硝酸鹽的產(chǎn)生可由加入氯仿而終止，而加入少量新鮮污水后又重新開始。他們的結(jié)論是，硝化作用是一些細菌活動的結(jié)果。英國的Robert Warrington將這些試驗結(jié)果用于土壤。他指出硝化作用可被二硫化碳和氯仿終止，但是加入少量未滅菌的土壤

25、后又可以重新開始。他還指出該反應分兩步進行，銨鹽先轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽繼而轉(zhuǎn)為硝酸鹽。Warrington無法分離硝化細菌。這一任務留給了S.Winogradsky，他使用硅膠板而不是傳統(tǒng)的瓊脂培養(yǎng)基分離成功，因該細菌是自養(yǎng)細菌，可從大氣獲取二氧化碳。關于豆科植物對氮素的反常現(xiàn)象，兩位德國人（Hellriegel和Wilfarth）于1886年認定，豆科植物根部的結(jié)瘤中必定有細菌，進而認為，這些細菌可從大氣同化氣態(tài)氮并將其轉(zhuǎn)化為高等植物可以利用的形態(tài)。這是有關豆科固氮的頭一份專門資料。Hellriegel和Wilfarth的論點基于一些試驗的觀察。但他們未能分離出這種細菌。后來，這種細菌被

26、M.W.Beijerinck分離出來，并定名為根瘤桿菌（Bacillus radicicola）。1.1.2 國外土壤肥力研究現(xiàn)狀國外對土壤肥力的研究相對比較寬廣，大量的研究主要集中在土壤質(zhì)量變化對環(huán)境承載能力的影響和對土壤生產(chǎn)力的影響等方面，其中土壤生產(chǎn)能力是研究的主要方面，人們更加關注糧食作物產(chǎn)量的變化規(guī)律。近年來，一些國家相繼出現(xiàn)了人口與資源環(huán)境矛盾逐漸加劇的現(xiàn)象，同時很多耕地不斷退化，這已經(jīng)引起了多國政府的重視。Lemenih 詳細研究了埃塞俄比亞土壤利用方式對土壤肥力的影響變化規(guī)律。從實驗結(jié)果來看，當大量森林面積轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾?，土壤中的有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出快速降低的變化趨勢，其中部分土壤下

27、降幅度差異顯著；土壤有效磷含量卻呈現(xiàn)出升高的趨勢；隨著部分地區(qū)栽培農(nóng)作物年限的增加，土壤內(nèi)全氮含量顯著高于林地，這也表明人類耕作栽培對土壤養(yǎng)分具有較好的作用19。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樯钟玫貢r，由于原來人工栽培中施入了大量的有機肥和化肥， 這使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較大變化，也使得森林生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化。從部分研究者的研究結(jié)果來看，森林更加有利于土壤有機質(zhì)的沉積，相反速效氮呈現(xiàn)出降低的趨勢。草地由于生物積累量相對較低，對于提高土壤肥力的效果低于森林；與森林和草原相比，長期處于秸稈還田條件下的土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量有升高的趨勢，但是也有相關專家研究顯示，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾螅?部分區(qū)域的土壤內(nèi)的有機質(zhì)含量呈現(xiàn)

28、出升高的變化趨勢。Gebhart研究了美國耕地變成草原后土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，由于耕地利用方式的變化，導致了土壤中碳儲量的變化，與未變化應用方式之前的差異顯著。但是從不同區(qū)域相比較來看，不同地區(qū)之間的土壤有機質(zhì)積累速率變化差異較大。在相對比較濕潤的地區(qū)，有機質(zhì)的積累速率相對比較高，而干旱地區(qū)的有機質(zhì)積累速率相對比較低，這與濕度條件差異對植物生長速率高低的影響不同有關。大量研究結(jié)果表明，在溫暖濕潤地區(qū)，農(nóng)田退耕還林后的土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出升高的變化趨勢。從長遠來看，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麘梅绞街?，寒帶以及溫帶地區(qū)土壤內(nèi)的有機質(zhì)含量可以恢復至未利用之前的90%，而熱帶地區(qū)的有機質(zhì)含量恢復的相對

29、比較低，僅達到了未利用之前的75%。1.2我國土壤肥力研究歷史及現(xiàn)狀1.2.1研究歷史我國土壤學家熊毅在總結(jié)50 年代土壤研究工作時對肥力的認識是：“土壤肥力是從環(huán)境條件和營養(yǎng)條件兩方面供應和協(xié)調(diào)作物生長的能力，是土壤理化、生物學特性的綜合反映”。他1982年又說：“肥力是土壤的本質(zhì)，沒有肥力就沒有植物的生長。肥力這個詞是從英文Fertility一詞譯過來的， 原意只限于養(yǎng)分，后來威廉士把水分加進去，認為肥力是植物生長全過程中， 土壤同時不斷地供給植物以最大量有效養(yǎng)分和水分的能力”。朱祖祥認為：“肥力因素至少包括有效養(yǎng)分和水分”。1978年出版的中國農(nóng)業(yè)土壤概論中，侯光炯教授對土壤肥力下的定義

30、是：“所謂肥力，扼要地說，就是在一定自然環(huán)境條件下，土壤穩(wěn)、勻、足、適地對植物供給水分和養(yǎng)分的能力”。用了“ 穩(wěn)、勻、足、適” 四個字加以形容， 內(nèi)容更加充實和形象化，但反映的內(nèi)容主要還是水分和養(yǎng)分。目前多數(shù)人認為“ 肥力是指土壤經(jīng)常適時地提供并協(xié)調(diào)植物生長所需要的扎根條件、水分、養(yǎng)分、空氣、溫度以及無毒害物質(zhì)的性能”。這一概念比較全面而深刻地論述了土壤肥力是多種因素綜合作用的結(jié)果。把扎根條件、空氣溫度等物理因素及污染物加了進去，其肥力內(nèi)容更加豐富和完替。1.2.2研究現(xiàn)狀隨著我國對農(nóng)業(yè)基礎研究投入的增加，關于我國土壤肥力變化的研究成果不斷出現(xiàn)， 綜合分析當前的研究結(jié)果，主要集中于東北、華北、

31、華中等幾大平原地區(qū)，這也與這些地區(qū)對土壤的投入較大有關。通過對我國近20 年來全國190 個農(nóng)田檢測點土壤變化數(shù)據(jù)的分析， 證明我國不同地區(qū)土壤養(yǎng)分在變化趨勢上既有相似之處，也有不同之處。以土壤中的速效磷含量為例，全國大部分地區(qū)表現(xiàn)為升高的變化趨勢，有機質(zhì)和堿解氮含量在華北地區(qū)呈現(xiàn)出增加的趨勢，在東北地區(qū)的下降速度較快，而我國的其他地區(qū)表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài)； 鉀元素我國大部分地區(qū)表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài)， 僅僅西北部分地區(qū)表現(xiàn)出降低的變化趨勢。以東北地區(qū)為例，由于該地區(qū)是我國重要的糧油生產(chǎn)基地，所以土壤肥力的變化更會引起人們的注意。在對吉林省土壤肥力的調(diào)研與評價中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過30 余年的耕作，吉林省

32、耕地的全氮和速效磷含量呈現(xiàn)出增加趨勢，部分地區(qū)增加幅度達到了1%；有機質(zhì)含量降低幅度較大，達到了0.3%；速效鉀含量降低幅度達到了3.2%。遼寧省土壤肥力評價與吉林省存在一定的差異，從現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果來看，遼寧省主要耕地土壤各項肥力指標均表現(xiàn)出升高的變化趨勢，其中鉀營養(yǎng)提高幅度最大，達到2.1%，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以降低鉀肥的施用?？傮w來看，東北地區(qū)土壤氮素呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢，而其他養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出降低的變化。水田和旱田之間的養(yǎng)分含量存在較大的差異。以沈陽市為例，水田有效養(yǎng)分下降幅度僅為0.44%，旱田降低幅度達到了1.14%；有效磷變化幅度更大，部分地區(qū)增加幅度達到了45.5%以上，部分旱田甚至增加了5

33、1.8%以上；速效鉀含量水田降低10%以上，而旱田僅僅降低2.1%左右，所以土壤養(yǎng)分的變化受到利用方式的影響較大。從華北平原土壤肥力的變化來看，很多地區(qū)土壤肥力受到利用方式的影響較大。如，從北京市城鄉(xiāng)交錯地區(qū)土壤肥力變化來看，以水田為主的利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)楹堤锘蛘吖麍@后，土壤內(nèi)各種養(yǎng)分含量均會發(fā)生較大變化，其中土壤內(nèi)的速效磷含量顯著升高；從河北省遵化地區(qū)的調(diào)研結(jié)果來看，將原始林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦厥褂煤?，土壤的容質(zhì)量常常會顯著增加，堿解氮含量顯著降低，其中氮含量降低幅度可以達到60%以上，速效鉀含量降低50%以上，有機質(zhì)含量降低幅度達到了63%，證明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會顯著降低土壤的養(yǎng)分含量；從山東省的調(diào)研結(jié)果來看

34、，通過常年的耕作，山東省土壤內(nèi)的有機質(zhì)含量顯著升高，但是速效磷、速效鉀含量增加緩慢，表明人類活動對耕地的影響較大，也表現(xiàn)了不同施肥耕作方式對土壤養(yǎng)分含量影響較大。從不同類型土壤變化上來看，細沙土的肥力增加幅度最大，壤土的肥力增加幅度最小。李新舉通過對山東省黃河入?？谕寥婪柿Φ恼{(diào)研發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過30 余年的耕作，半數(shù)以上的土壤內(nèi)的有機質(zhì)含量和速效氮含量保持不變，以灌溉為主的土壤有機質(zhì)含量略有升高，土壤肥力質(zhì)量升高幅度明顯；以旱作為主的土壤肥力降低顯著，土壤質(zhì)量下降也比較明顯。在以草地為主的利用形式中，半數(shù)以上土壤質(zhì)量表現(xiàn)出降低的變化趨勢，緊鄰黃河兩岸的地塊中的堿解氮含量保持相對穩(wěn)定，林地的堿解氮含量

35、呈現(xiàn)出升高的變化趨勢。從有效磷變化上來看，人為耕作可以較好地提高土壤速效磷含量。對于荒地而言，由于沒有人類施入相應的肥料，所以土壤中各種速效養(yǎng)分含量表現(xiàn)出降低的變化。速效鉀含量與速效磷含量存在差異，半數(shù)土壤表現(xiàn)出降低的變化，而有部分土壤呈現(xiàn)出升高的變化趨勢。長江中下游地區(qū)的土壤肥力變化因研究地區(qū)的差異存在較大區(qū)別，通過吳春燕對杭州地區(qū)土壤養(yǎng)分變化的調(diào)研來看，水稻田長期施用有機肥，可以較好地提高各種類型土壤的肥力狀況。部分研究結(jié)果證明，有機肥與無機肥配合施用，可以更好地提高土壤內(nèi)各種速效養(yǎng)分的含量，建議當?shù)夭扇∮袡C肥與無機肥混合施用的方式。從稻田養(yǎng)分變化上來看，由于水稻栽培中氮肥的使用量較大，一

36、般土壤內(nèi)氮素相對比較豐富，但是由于施鉀肥量不足，導致土壤內(nèi)含鉀量顯著降低；除此之外，土壤內(nèi)全氮含量也顯著增加，但是增加幅度較小，有效磷與速效鉀含量均表現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢；黃輝對南通市的調(diào)研結(jié)果表明，從兩次土壤肥力普查結(jié)果相比較來看，土壤肥力顯著升高，其中有效磷增加幅度最大；王旭奎通過對比江蘇省兩次土壤肥力調(diào)研結(jié)果分析證明，江蘇省土壤肥力表現(xiàn)出升高的變化；速效磷含量增加比較顯著，其中水田增加3.5倍，而旱田僅僅增加了2倍。速效鉀含量水田增加了20%以上，而旱田降低了20%左右；俞海通過詳細分析長江中下游地區(qū)土壤肥力的變化情況，證明自20世紀80年代以來，土壤內(nèi)有機質(zhì)和堿解氮含量呈現(xiàn)出上升

37、的變化趨勢； 吳新民通過分析長江三角洲地區(qū)土壤質(zhì)量的變化規(guī)律后發(fā)現(xiàn)， 該地區(qū)土壤肥力水平呈現(xiàn)出升高的變化趨勢，但是速效鉀含量表現(xiàn)出降低的變化。2.1作物施肥2.1.1施肥標準科學施肥的標準有三條：一是養(yǎng)分標準，呈現(xiàn)出肥料施用量適宜，比例恰當。二是經(jīng)濟標準，顯示出單位重量的肥料，增加的產(chǎn)量更多，即小投入，大效益。三是地力標準，保持了生態(tài)平衡，改良了土壤結(jié)構(gòu)，遏制了土壤污染，提高了土壤肥力。2.1.2施肥原理研究總結(jié)前人的施肥理論，科學施肥應以五個學說（定律）作指導。（1）養(yǎng)分歸還學說：這個學說是19世紀德國化學家李比希提出的。其中心內(nèi)容是：作物從土壤中吸收其生活所必需的營養(yǎng)元素，并隨著每次收獲，

38、必然帶走這些養(yǎng)分，如果不歸還從土壤中帶走的全部養(yǎng)分，土壤將變得非常貧瘠，基至寸草不生。要保持和提高土壤肥力，持續(xù)增產(chǎn)，就必須以施肥方式，把作物從土壤中帶走的養(yǎng)分歸還土壤。因此，科學施肥中，首要任務是遏制目前的施肥不足和不施肥現(xiàn)象，以保護土壤肥力。但是，養(yǎng)分歸還，也不是全部靠施肥方式來實現(xiàn)，除氮、磷、鉀為重點補充養(yǎng)分外，有的養(yǎng)分已由作物的殘留根茬和落葉落花給土壤歸還了一部份，無需大量補充；有的養(yǎng)分，像作物從石灰性土壤中吸收的鈣和在紅、黃壤中吸收的鐵，就可以少補充或暫不補充，因為鈣、鐵元素，作物吸收得少，而土壤中又很豐富。（2）必需營養(yǎng)元素不可代替律：這個定律所指的是作物生長必需的16種營養(yǎng)元素，

39、盡管作物對它們的需要量不一樣，但它們對作物生長所起的作用，都是同等重要而不能相互替代的。這是因為，每一種元素都有其特殊的功能，對作物生長發(fā)育所起的作用不一樣。如氮是作物體內(nèi)蛋白質(zhì)的組成元素，沒有氮，就沒有作物體；而鉀是作物體內(nèi)酶的活化劑，以離子態(tài)存在于植物體內(nèi)，不參與作物的組成。所以氮鉀就不能相互代替。因此，施肥中，必須注重養(yǎng)分全面供應，不可偏施只含某一種元素的肥料。（3）最小養(yǎng)分律：這也是李比希提出的。它指出：作物為了生長發(fā)育，需要吸收各種養(yǎng)分，但是決定作物產(chǎn)量的是土壤中相對含量最小的有效養(yǎng)分。作物產(chǎn)量在一定限度內(nèi)，隨最小養(yǎng)分的增加而增大。如果不增加最小養(yǎng)分，即使繼續(xù)增加其它養(yǎng)分，作物產(chǎn)量也

40、難以提高。最小養(yǎng)分律是科學施肥的一個重要原理。在應用中，要特別理解三點：一是最小養(yǎng)分不是土壤中絕對含量最小的養(yǎng)分，而是就作物對各種養(yǎng)分的需要量而言，土壤中相對含量最小的那種養(yǎng)分。二是最小養(yǎng)分是可變的，且隨作物產(chǎn)量水平和肥料供應量而改變。一種最小養(yǎng)分得到滿足后，另一種養(yǎng)分又將成為新的最小養(yǎng)分。最小養(yǎng)分一般是指大量元素，但有時，微量元素也可成為最小養(yǎng)分。三是最小養(yǎng)分是影響作物增產(chǎn)的養(yǎng)分限制因素，提高產(chǎn)量，必須補充最小養(yǎng)分，否則，即使其它養(yǎng)分增加再多，產(chǎn)量也不會提高，只能是浪費肥料。（4）報酬遞減律：它是19世紀初期，德國農(nóng)業(yè)化學家米采利希等人研究的結(jié)論。米采利希學說指出：“在其它技術條件（如品種、

41、密度、灌溉等）相對穩(wěn)定的前提下，隨肥料用量的增加，作物的產(chǎn)量也隨之增加，但是增施每單位肥料所獲得的增產(chǎn)量，則隨施肥量的增加而逐漸減少。”這個定律指導施肥要防止兩個盲目：一是防止盲目追求經(jīng)濟效益。報酬遞減存在著條件，不可把它絕對化，盲目的追求經(jīng)濟效益，限制施肥水平提高，把應施的肥料不施或少施，而導致雙低（低投入、低產(chǎn)量）結(jié)果；二是防止盲目追求高產(chǎn)量。一定時期內(nèi)，各方面雖有變化，但總有些會保持相對穩(wěn)定，存在報酬遞減是客觀的。因此，不可盲目追求產(chǎn)量，不看經(jīng)濟效益，拼命增加施肥量，而導致得不償失，出現(xiàn)一高（投入高）一低（效益低）的局面，所以按照具體條件，實施既高產(chǎn)又經(jīng)濟的最佳施肥量，才是最科學的。（5

42、）限制因子律：它是指導在作物生長所必需的各種因素（養(yǎng)分、光照、溫度、水分、空氣以及農(nóng)業(yè)技術措施和其它環(huán)境條件）中，其中任何一個因素供應不足或過量以及與其它因素的關系失調(diào)，這個因素就成為作物增產(chǎn)的限制因素。在應用限制因子律指導施肥時，除注意各營養(yǎng)元素的比例，主要解決如何充分發(fā)揮肥料的增產(chǎn)潛力?？茖W施肥不只是考慮肥料種類、肥料數(shù)量問題，還應注意到影響作物生長和肥效發(fā)揮的其它因素，充分利用它們之間的綜合作用來提高施肥效果。如肥料只有溶于水中，作物才可吸收；而作物有水才能生長良好，吸收力大。所以，天氣干旱時，施肥就要與灌水相結(jié)合。2.1.3施肥原則施肥總的原則是根據(jù)作物兩個重要營養(yǎng)期，圍繞肥料高效應，

43、采用相應的施肥技術措施。具體講，是四個配合：（1）無機肥與有機肥相配合。這是一項立足當前，著眼長遠的措施。它既能供肥，又可改土。養(yǎng)分齊全，肥效持久，不僅有利提高作物產(chǎn)量，還可以改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高肥料利用率。因此，要施足有機肥，增施好化肥。（2）氮、磷、鉀相配合。它們是作物的三要素，其生理功能又各不相同。因此，作物正常生長，要求它們比例協(xié)調(diào)，故施肥中必須按作物需要量搞好合理搭配。（3）基肥、種肥、追肥相配合?；?、種肥和追肥三者配合施用，不但能滿足作物苗期的養(yǎng)分要求，又能保證作物營養(yǎng)最大效率期和整個生育期對養(yǎng)分的需要，為作物高產(chǎn)提供最好的養(yǎng)分條件。同時，有利土壤改良和地力培肥。（4）大量元素與微

44、量元素相配合。微量元素也是作物必需的營養(yǎng)物質(zhì)，隨著作物產(chǎn)量的提高，微肥的作用更加明顯。但是土壤含量尤其有效態(tài)的較少。如鋅、鉬分別只有0.72mgkg-1和0.15mgkg-1，硼只有0.26mgkg-1。因此，微肥施用，是科學施肥中的重點內(nèi)容。2.1.4施肥方法科學的施肥方法，重點是圍繞“測、混、深”三字采取措施。（1）測土配方施。為是一項科學性很強的施肥新技術。它是根據(jù)作物需肥規(guī)律，土壤供肥性能與肥料增產(chǎn)效應，在有機肥為基礎的前提下，提出氮、磷、鉀和微肥的適宜用量和比例以及相應施肥技術的施肥方法，包括“測土”、“配方”和“施肥”三個步驟。通過土壤養(yǎng)分測定，按照“養(yǎng)分歸還學說”，因缺補缺進行配

45、方，再按配方要求（肥料品種、用量和施肥技術）施用。這克服了施肥盲目性。配方的方法很多，我們衡東過來采用的是“養(yǎng)分平衡法”，也叫“目標產(chǎn)量法”。綜合多年來的試驗示范成果，得出了兩個模式：早稻：畝施純氮812kg，氮、磷、鉀配方比例為N：P2O5：K2O=1：0.5：0.5；雜交晚稻：畝施純氮913kg，氮、磷、鉀配方比例為N：P2O5：K2O=1：0.340.48：0.70.8。（2）多種混和施。幾種肥料混和施用，既節(jié)省勞力，又提高肥效，如硫酸銨與過磷酸鈣混和：(NH4)2SO4+Ca(H2PO4)2·H2O2 NH4H2PO4+ CaSO4+ H2O。這既消除硫酸銨的生理酸性，又提高過磷酸鈣中磷的有效性，給作物同時