土壤养分生物有效性

第二章.土壤养分生物有效性土壤养分的有效性1养分迁移与养分有效性2影响养分有效性的因素3

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5有效养分的概念有效养分的指标

土壤养分有效性1有效养分的概念能够被当季作物吸收的养分：可能性，与形态挂钩，易于操作理论.尚不尽合理；被当季作物吸收了的养分：结果，数量精确，理论上合理；不知养分的形态及来源，事后才了解数量养分有效性的基本特点土壤中各种营养元素的全量是很丰富的，但其中绝大部分对植物是无效的，只有少部分在短期内能被植物吸收的土壤养分才是植物的有效养分。

土壤中的生物有效养分具有两个基本特点：一是以矿质养分为主；二是位置接近植物根表或短期内可以迁移到根表的有效养分。土壤有效养分示意图212.化学有效养分1.生物有效养分Rootsystemsoilhasonly3%ofthetopsoilvolume.有效养分的指标数量指标---化学有效养分强度因素与容量因素指标缓冲容量指标养分位指标生物学指标数量指标化学有效养分的提取化学有效养分测定值的相对性化学有效养分临界值的确化学有效养分

指采用化学方法从土壤中提取出来的有效养分，主要包括可容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。化学有效养分的含义

土壤养分形态与养分有效性的关系是指土壤中存在的矿质养分存在形态，主要包括可溶性的离子态、简单分子态养分，易分解态、交换吸附态、难溶态养分内以及某些气态养分。养分的形态通常可以采用不同的化学方法从土壤中提取出来。所以我们通常其为化学有效性。

提取土壤有效养分的化学浸提剂因营养元素和土类型的不同而异。提取原理在化学法之外，还有物理化学方法（如电超滤法）。

化学试剂模拟根系吸收有效氮：有效磷：有效钾：化学有效养分的提取水溶性养分－有效性高交换态养分－易被作物吸收难溶性养分－有效性低养分形态与养分有效性的关系养分形态的相对性

水溶性难溶性交换性养分的形态是相互转化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”的数值在很大程度上取决于浸提剂的类型，不同方法间缺乏相互比较的基础。不同提取剂结果不同不同方法结果不同不同条件结果不同同一结果有效性不同15种土壤有效磷的平均含量（不同提取剂提取）方法方法提取剂有效磷(mg/kg)Olsen法NaHCO324.9

Machiqin法(NH4)CO323.9Al-Abbas法NaOH+Na2C2O430.4双酸法HCl+H2SO429.4Mehlich法Hac+NH4NO3+NH4F+HNO3+EDTA70.1Soltanpour法NH4HCO3+DTPA14.8Meugepqkob法(NH4)2C2O4+NH4HCO346.9化学有效养分临界值的确定通过生物实验确定临界值测定值往往与作物吸收量不一致根据作物、土壤条件校正不同地区土壤有效磷含量与建议施磷量的关系80160240255075土壤含磷量(pmg/kg)建议施磷量(kg/ha)

由于化学浸提法测得有效养分是相对值，在应用前需要与生物试验的结果进行相关研究。化学有效养分测定数值有时很难反映植物的生长状况和产量水平。

化学有效养分与植物吸收的相关性化学有效养分在推荐施肥中的应用

在实际中常用化学有效养分含量作为推荐施肥的依据。

强度因素与容量因素强度因素容量因素养分的强度因素（I）

强度因素是指土壤溶液中养分的浓度,是土壤养分内供应的主要因子。养分的容量因素（Q）

容量因素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。强度因素与容量因素容量因素对强度因素的补充不仅取决于养分库容里量的大小，还决定于储存养分释放的难易程度。这要受到土壤、水分、温度、通气等土壤条件以及植物根系生长的影响。土壤溶液中养分浓度活性养分库在生长期内释放的养分土壤矿物和有机残留物田间根系体积强度容量快慢很慢土壤养分强度与容量因素示意图缓冲容量(缓冲因素△Q/△I)表示土壤保持一定养分强度的能力。它关系着养分供应的速度，反映强度随数量变化的关系。可以用△Q/△I的比率来表示，比率越大，土壤养分的缓冲力就越强。应用强度/容量关系描述土壤养分有效性，可以从养分转化的动态过程来考虑养分的有效性。土壤溶液中K+的强度(I)两种不同容量土壤对K+缓冲力比较的图示K+的吸附数量（Q)QII土壤A

土壤B土壤A土壤B养分释放速率测定养分释放速率，目前用了一个新的方法：树脂法ＥＵＦ树脂法Ｐ＝Ｒt＋ｂＰ－树指吸收的磷量t－时间Ｒ－常数b－起始磷的浓度电超滤(ＥＵＦ)

采用模拟植物吸收的方式，测定植物吸收养分后，土壤固相养分的释放，这一方法可以测定不同吸收强度下养分释放的速率。１）土壤与水的悬浊液装满中心槽２）用半透膜与两边的电极模隔开３）在控制电压的情况下通直流电４）溶液中的离子向两极运动５）土壤固相离子释放出来

即养分自由能，定是用热力学能量的观念来表示土壤溶液中养分的有效性，用自由能的大小表示养分被植物吸收的难易程度，自由能越大，吸收越容易，有效性越高。决定养分的效性大小的不是土壤中养分的多少，而是养分的自由能。作物吸收养分如用人们从水井中打水，其难易程度决定于水位（势能）的高位，而不决定于井中水的多少。养分位养分位即养分自由能，定是用热力学能量的观念来表示土壤溶液中养分的有效性，用自由能的大小表示养分被植物吸收的难易程度，自由能越大，吸收越容易，有效性越高。养分的自由能受土壤中养分的数量，土壤的性质，土壤中的水分及其它因素的影响是一个较为合理的有效性指标。

自由能是一系列变数的函数包括：温度、压力、各组分的质度即：Ｚ＝ｆ（Ｔ．Ｐ．ｎ１．ｎ２）Ｔ－温度Ｐ－压力ｎ１……各组分质度养分位的原理有效氮等指标通常不能反映土壤氮素的有效性，故通常用以下指标。矿化量－矿化的数量，绝对量矿化率－矿化量占有机氮的百分比，相对量土壤氮素的有效性生物学指标用生物作为指标,如:幼苗值幼苗值=--------------------------------------------*100%施肥区生物量-不施肥区生物量施肥区生物量施肥区不施肥区各有优点，也有缺陷有效性指标的优劣

养分迁移与养分有效性2养分的位置与有效性养分向根表的迁移土壤养分的空间有效性

养分迁移与养分有效性2养分位置与有效性

土壤中有效养分只有达到根系表面才能为植物吸收，成为实际有效养分。对于整个土体来说，植物根系仅占据极少部分空间，平均根系土壤容积百分数大约为3%。因而。养分的迁移对提高土壤养分的空间有效性是十分重要的。位置影响养分有效性的原因作物根系分布的范围有限作物根系周围的有效养分有限养分必须向根表的迁移123土壤根地上部（1、截获2、质流3、扩散）植物根获取土壤养分的模式图养分向根表的迁移土壤中养分到达根表有两种机理：其一是根对土壤养分的主动截获；其二是在植物生长与代谢活动（如蒸腾、吸收等）的影响下，土壤养分向根表的迁移。截获是指根直接从所接触的土壤中获取养分而不经过运输。截获所得的养分实际是根系所占据土壤容积中的养分，它主要决定于根系容积大小和土壤中有效养分的浓度。养分向根表的迁移的方式质流扩散质流

植物的蒸腾作用和根系吸水造成根表土壤与土体之间出现明显水势差，土壤溶液中的养分随水流向根表迁移。其特点是运输养分数量多，养分迁移的距离长。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。质流的动力---水分蒸腾

质流输送的养分量

质流运送的养分=土壤溶液养分浓度*植物全生育期水分蒸腾量影响质流的因素土壤溶液养分浓度植物全生育期水分蒸腾量1)土壤饱和水溶液中几种养分的浓度*养分种类NO3-NH4+H2PO4-+HPO42-K+Ca2+SO42-Mg2+养分浓度(mmol/L)

0.1-2.00.1-2.00.001-0.020.1-1.00.1-5.00.1-10.00.1-5.0*土壤是美国北部中性淋溶土作物全生育期的水分蒸腾量玉米的水分吸收与根际钠，氯积累的关系水分吸收（蒸腾ml/cm×10）氯（Cl-）（mg/Kg）钠（Na+）（mg/kg）

根表电导率（nS/cm）土体根际根表土体根际根表0.380.460.820.953104105802203404101.383604306502803304502.284306609703604906803.7944064012803805709005.02

当根系截获和质流作用不能想植物提供足够的养分时，根系不断的吸收可使根表有效养分的浓度明显降低，并在根表垂直方向上出现养分浓度梯度差，从而引起土壤养分顺浓度梯度向根表运输。土壤养分的扩散作用具有速度慢距离短的特点。扩散速率主要取决于扩散系数。扩散扩散的动力－养分浓度梯度扩散输送的养分量直接法：直接测定扩散系数计算,很难间接法：扩散输送的养分量＝植物吸收总量－根系截获量－养分质流量部分养分离子在不同介质中的扩散系数K+H2PO4-NO3-Ca2+Mg2+K+H2PO4-NO3-250C水250C水250C水250C水250C水土壤土壤土壤1.98×10-50.89×10-51.90×10-50.78×10-50.70×10-510-7~10-810-8~10-1110-6~10-7离子种类介质扩散系数D（cm2/s）影响扩散的因素浓度梯度土壤性质不同养分不同不同作物不同不同时期不同质流与扩散的贡献不同迁移方式对植物养分供应的贡献

在植物养分吸收总量中，通过根系截获的数量很少。大多数情况下，质流和扩散是植物根系获取养分的主要途径。对于不同各种营养元素来说，不同供应方式的贡献是各不相同的，钙、镁和氮（NO3-）主要靠质流供应，而H2PO4-、K+、NH4+等扩散是主要的迁移方式。在相同蒸腾条件下，土壤溶液中浓度高的元素，质流供应的量就大。不同迁移方式对小麦根系养分的相对贡献**根据Baeber（1974）估计，根容积等于土壤容积的1%

“available”inTotaluptakeSupply(kg/ha)bythetopsoilbycropsNutrient(kg/ha)(k/ha)InterceptionMassflowDiffusionCalcium4000454090-Magnesium80035875-Potassium30011031295Phosphorus1003010.1228.9不同迁移方式对根系养分的相对贡献*影响养分移动的因素养分向根表的迁移受到根系吸收和土壤供应两方面的影响,影响因子包括多个方面土壤湿度

增加土壤湿度，可使土壤表面水膜加厚，一方面这能增加根表与土粒间的接触吸收；另一方面又可减少养分扩散的曲径，从而提高养分扩散速率。土壤含水量对K+扩散率的影响（mg/cm2天）土壤交换性钾含量（K+cmol/kg）0.41248104.1040557875土壤含水量4%10%20%30%施肥可增加土壤溶液中养分的浓度，直接增加质流和截获的供应量。同时，施肥加大了土体与根表间的养分浓度差，也增加了养分扩散迁移量。施肥交换性钾(mmol/kg土)26D=27×10-704681012距根表距离(mm)81012420施肥土壤D=5.3×10-7未施肥土壤D=1.2×10-7耗竭土壤施钾对提高土壤钾有效性的影响（D为扩散系数单位：cm2/s）养分的吸附与固定吸附与固定使磷、钾、锌、锰铁等营养元素的移动性变小。向土壤直接供应有机螯合态肥料，或者施用有机肥，可减少养分的吸附和固定。燕麦对无机态与有机态磷源的吸收量来自肥料中的磷

吸收量（Pmg/盆）占总百分率Ca(H2PO4)212.12.319BAPA*16.56.439磷肥种类

磷总吸收量（Pmg/盆）*BAPA系有机态含磷化合物土壤养分生物有效性3土壤养分生物有效性的含义

指土壤中矿质态养分受生物的影响而使其有效性发生变化。如在根系生长与吸收的作用下，土壤中养分的有效化过程以及环境因素对养分有效化的影响发生改变。

指土壤中矿质态养分的浓度、容量与动态变化；指根对养分的获得与养分向根表迁移的方式和速度是在根系生长与吸收的作用下，土壤中养分的有效化过程以及环境因素对养分有效化的影响。生物因子环境因子影响养分有效性的因素生物因子土壤动物土壤微生物植物如:蚯蚓土壤动物养分的活化养分的保存矿物的分解有机养分的矿化养分的转化土壤微生物植物根系活力根系微域变化环境因子pH水分状况土壤性质根系特性与养分有效性4植物根系的特性形态结构根毛根系深度与底层土壤养分的有效性根系密度与养分空间有效性根系特性

(须根系)

(直根系)形态结构单子叶植物的根属须根系，粗细比较均匀，根长和表面积都比较大。双子叶植物的根属直根系，粗细悬殊较大，根长和总吸收表面积都小于须根系。根毛除洋葱、胡萝卜等少数植物没有根毛或根毛少而短之外，大多数农作物的根系都有根毛。根毛的存在缩短了养分迁移到根表的距离，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。根毛根毛长度：0.1-1.5mm,直径：5-25µmol/L,数量：5×107-5×108hairs/cm2rootsurface,areaofrootsurfaceincreases2~20times植物根系形态与施磷生长效应间的关系（地上部干物重mg/株）

植物种类

根形态直径（cm）根毛

施磷量（mg/kg）0103090罗汉松龙葵>1无0.2~0.3无0.1~0.2少量0.1~0.2多而长991129335711016386129602430钾吸收速率(pmolcm-1s-1)0.10.20.30.40.5020406080根毛园柱体的容积(mm3/cm)洋葱玉米黑麦草属番茄油菜0.6在粉沙土壤上，植物根毛容积对吸K+速率的影响6种作物根系和根毛性状的比较

作物种类根半径

（mm）

0.1080.1240.0560.1070.2250.107

5601270890165011801810根毛长度（um）2903006004304040

根毛直径（um）5.74.83.94.311.04.0根毛表面/根表面0.71.63.82.50.20.3小麦莴苣荞麦蕃茄洋葱胡萝卜根毛数（条/cm根）根系深度与底层土壤养分的有效性根系分布深度关系着植物从土壤剖面中获取养分的深度和有效空间。通常农作物的根深为50-100cm。植物种类差异和环境因素对根系分布深度有很大影响。春小麦不同生育期从各土层的相对吸磷率（%）生育期孕穗期开花期灌浆期

舂小麦吸磷总量（Kg/ha天）0.3450.2650.145土层深度（cm）83.38.15.92.758.817.816.37.167.415.512.05.10~3031~5051~7576~90根系密度是指单位土壤体积中根的总长度，表示有多大比例的土壤体积向根供应养分。根系密度与养分空间有效性土层深度（cm）根系密度（cm/cm3）养分供应的相对有效体积（%）0~10>10>72>2磷钾2050512不同根密度情况下，土体向根供应磷、钾的相对有效体积根系数量根毛密度根冠比根体积根表面积根毛根系的重要形态参数根系的代谢参数根系阳离子代换量根系代谢活力－氧化力与还原力根系的重要代谢参数根数－计数法根重：现已不常用，用称重法根长：直接法；用尺量间接法：方格交叉法随意剪断当根总长大于１米时，用１厘米框格当根长总长大于５米时，用２厘米框格根长＝11/14×交叉数×框格边长根系参数的意义及其研究方法根表面积－最常用的参数直接法：根长×平均直径间接法、光电法、表面积仪注意：１）根不能重叠２）不能透明，通常用染料加深根系参数的意义及其研究方法根系参数的意义及其研究方法吸附法：把洗净的根系浸入染料中，停留一定时间，根据根系对染料的吸附量来估计根系表面积。伤流量：根压的作用，与根系养分吸收关系密切：根茎离地面４－５ｃｍ处切数，收集伤流液。根系参数的意义及其研究方法根系氧化还原能力：植物生理学用已测定Ｘ－萘胺法测定根系氧化力ＴＴＣ法测定根系还原力ＴＴＣ（氮化三苯基四氮唑）根系参数的意义及其研究方法根系活力研究法：根系阳离子代换量（ＣＥＣ）用盐酸代换用Ｋ置换测定浓度中氢离子浓度根系参数的意义及其研究方法土壤物理因素土壤养分状况土壤pH与钙、铝等阳离子的浓度有机物影响根系生长的环境因素（一）土壤物理因素

土壤容重增加意味着紧实度变大，大孔隙减少，根的伸长速度降低，平均直径减少。主根伸长受阻会激发侧根的发展，形成密集的表层根系。通常根系生长最适温度范围在20~250C之间，土壤温度过高或过低都可能抑制根系的生长。不同容重土壤上大麦幼苗根系生长情况1.35g/cm31.50g/cm3根区温度对马铃薯幼苗根形态和地上部生长的影响10oC15oC20oC25oC30oC35oC增加养分供应可促进根系生长。一般根系集中生长在养分浓度较高的地方。适当深施肥料有利于根系下扎和吸收下层土壤水分和养分。在局部根区提高养分浓度对根系形态有明显影响，其中以供应硝酸盐最为突出。矿质养分的供应对根毛的长度和密度也有很大影响。土壤硝酸盐和土壤磷的浓度与根毛数目及根毛长度之间呈负相关关系；而铵盐的存在则增加根毛的密度与长度。（二）土壤养分状况大麦局部根段供磷对侧根总长度的影