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第一章　绪论

第一节　农产品生产对土壤质量的要求

土壤质量是农业生产的基础。土壤质量包括土壤肥力质量和土壤环境质量两个方面。良好的土壤质量应该是：土壤的肥力质量能满足农作物生长发育的需要；土壤的环境质量（土壤中所含有毒有害物质）不影响农作物产量和食用农产品的安全质量。

一、土壤的肥力质量

（一）土壤的组成和性质是农业生产的基础

1.土壤的组成

土壤是由固相、液相和气相三相物质组成的疏松多孔体。固相物质是岩石风化后的产物，包括土壤矿物质、土壤中动植物残体的分解产物和再合成物质，以及生活在土壤中的微生物。土壤矿物质构成土壤的无机体，后两者构成土壤的有机体。在土壤固相物质之间有大小不同的孔隙，孔隙中充满了水分和空气。

（1）土壤的化学组成　土壤是三相物质共存的统一体，为植物提供必需的生存条件。土壤固相物质由不同粒径的原生、次生矿物质和有机物质、土壤动物、微生物组成，是土壤的基础物质。土壤液相物质包括土壤水分和各类可溶性电解质。土壤气相物质是存在于土壤孔隙中的空气。一般来说，土壤中的固相占土壤质量的70%～90%，占土壤总容积的50%；液相占土壤质量的10%～30%，占土壤总容积的20%～30%；气相占土壤质量的1%以下，占土壤总容积的20%～30%。

土壤液相是溶解了固相和气相成分的溶液，其成分又反过来影响着固相和气相成分的溶解和分解作用。虽然固相、液相和气相三相物质化学成分之间相互转化，但固相的化学成分在整个土壤成分中具有决定性的作用，因此土壤化学组成受土壤土质、大气、温度、湿度、土壤生物的影响，体现了不同土壤类型成土物质与成土条件的特性；同时在人为因素的影响下，土壤化学组成也会发生一定的改变。

①土壤矿物质的化学组成。土壤矿物质构成了土壤的骨架，支撑着植物的生长。多数耕作土壤中矿物质占土壤总质量的90%以上。土壤矿物质是岩石经过风化作用形成的不同大小的矿物颗粒（砂粒、土粒和胶粒）。土壤矿物质种类很多，化学组成复杂，它直接影响到土壤的物理、化学性状和化学组成，是植物生长所需的矿物养分来源。土壤矿物质可划分为原生矿物质和次生矿物质。

原生矿物质是原始成岩矿物在风化过程中仅遭到机械破碎而没有改变成分和结构的一类矿物，基本上保持了岩石中的原始化学成分，主要有硅酸盐类、氧化物类、硫化物类、磷酸盐类（表1-1）；次生矿物质是原生矿物在风化过程中形成的新矿物，包括各种简单盐类、铁铝氧化物和次生硅酸盐黏土矿物类（如高岭土、蒙脱土），它们是土壤矿物质中最活跃的重要物质成分。土壤矿质营养元素主要来源于土壤矿物质，土壤矿物质含有的主要元素有氧、硅、铝、铁、铅、镁、钾、钠、磷、锰等10多种常量元素和20多种微量元素。土壤矿物质各种元素的相对含量与地球表面岩石圈元素的平均含量及其化学组成相似。

②土壤液相的化学组成。土壤液相指土壤水分及其所含的溶质，即土壤溶液。土壤溶液存在于土壤结构体内毛管孔隙中。土壤溶液中主要含有无机盐类、无机胶体（铁、铝氧化物）、有机化合物、有机胶体（有机酸、糖类、蛋白质及其衍生物含腐殖酸）、络合物（如铁铝有机络合物）、溶解性气体O2、CO2等；离子态物质，包括各种重金属离子、负离子化合物、H+、OH-等。

土壤溶液的化学组成及其浓度随时间、空间、位置、种类的变化而变化很大，不同土壤、不同土层、不同时间，甚至同一土壤、同一土层之间存在很大差异。土壤溶液中的化学成分受土壤固相物质、土壤空气及外界进入土壤的物质及水分物质的组成的影响，是它们之间物质和能量交换、迁移及转化的结果，如土壤各种固相物质也是经过分解转化成可被作物吸收的可溶性物质，存在于土壤溶液中才能最终被输入作物体内。因此土壤溶液中可溶性物质化学成分及其浓度决定着植物的生长状态，植物直接从土壤溶液中吸收水、养分及有害物质。

③土壤气相的化学组成。土壤气相指存在于土壤孔隙中的空气，土壤空气来源于大气和土壤中有机活体的呼吸和有机质的分解，主要有O2、CO2、N2及少量其他气体。土壤空气中O2占10.35%～20.03%、CO2占0.15%～0.65%、N2占78.8%～80.2%，土壤空气中的CO2浓度始终高于近地大气中CO2的浓度（0.03%），O2浓度低于近地大气中O2浓度（20.94%）。土壤空气化学组成受大气、土壤湿度、土壤温度和季节等因素的影响而变化，土壤空气对植物生长、微生物活动有直接影响，能为植物根系提供必需的O2。有资料报道，当空气中O2浓度<9%时，根系发育受影响；O2浓度<5%，根系就会停止发育。

土壤中O2浓度反映土壤的氧化还原状况，CO2的浓度反映土壤的酸碱性，如淹水条件下土壤中O2浓度会下降，CO2浓度会上升，Eh值降低，通气不良，而土壤氧化还原状况又直接影响土壤养分的形态和状态。

（2）土壤有机质　土壤有机质主要累积于土壤表层，它与矿物质是土壤固相部分的主要构成物质，土壤有机质主要来源于土壤动植物残体和施入土壤中的有机肥料。这些有机物质经过物理、化学、生物的反应和作用，形成了新的性质相当稳定而复杂的有机化合物，被称为土壤有机质。

土壤有机质包括酶、腐殖质、分解和半分解状土壤动植物残体、含N及不含N有机化合物、部分有机质分解产物及新合成的简单有机化合物。土壤有机物质的成分主要以有机质和氮素来表示，土壤中有机质含量的多少能直接反映土壤肥力水平的高低，因此有机质是土壤中最重要的物质。不同土壤类型有机质含量差别很大，有机质主要集中于土壤耕层（0～20cm），通常在耕地土壤耕层中仅占土壤干重的0.5%～2.5%，我国大多数土壤中有机质含量在1%～5%之间。土壤有机质以腐殖质为主，腐殖质是有机物经微生物分解后合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶物质，与土壤矿物质土粒紧密结合在一起，是土壤有机质存在的主要形态特征。在一定条件下腐殖质缓慢分解，释放出来以氮素为主的养分供给植物生长吸收，将植物从土壤中吸收的元素又返回到土壤表层。

首先土壤有机质的化学组成决定于进入土壤中的有机物质的组成。土壤有机质的主要元素有C、O、H、N，有机化合物主要有碳水化合物，是土壤有机质中最主要的有机化合物，约占有机质总量的15%，包括糖类、纤维素、半纤维素、果胶质、甲壳质等，含氮化合物主要来源于动植物残体中的蛋白质，蛋白质是由氨基酸组成的，除含有C、H、O外，还含有N。一般含氮化合物需要经过微生物分解后被利用，因此含氮化合物是植物能够吸收的营养来源，是土壤肥力水平的决定性物质。除此之外，土壤有机质还含有少量的树脂、蜡质、脂肪等较复杂的有机化合物，不溶于水。灰分是植物残体燃烧后留下的灰，主要化学元素为Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、Mn等，还有少量的I、Zn、B、F等元素。

（3）土壤生物　土壤生物包括土壤动物、土壤微生物和高等植物根系。土壤生物是土壤具有生命力的表现，在土壤形成和发育过程中起主导作用。同时，土壤中生物是净化有机污染物的主力军。因此，生物群体是评价土壤质量和健康状况的重要指标之一［2］。土壤动物包括脊椎动物、节肢动物、软体动物、环节动物、线形动物和原生动物等。土壤微生物种类繁多、分布广、数量大，是土壤生物中最活跃的部分。其中，细菌是土壤微生物中分布最广、数量最多的一类，占土壤微生物总数的70%～90%；特点是个小、代谢强、繁殖快、与土壤接触表面积大，是土壤最活跃的因素，具有富集土壤重金属及降解农药等有机污染物的作用。此外，放线菌的数量和种类之多仅次于细菌，其作用主要是分解有机质，对新鲜的纤维素、淀粉、脂肪、木质素和蛋白质等均有分解能力，并可产生抗生素，对其他有害菌起拮抗作用。此外，土壤生物还包括具有固氮作用的蓝细菌、黏细菌、真菌、藻类等。

（4）土壤水　土壤水是土壤的重要组成部分之一。土壤水是作物吸水的最主要来源，它也是自然界水循环的一个重要环节，处于不断地变化和运动中，势必影响到作物的生长和土壤中许多化学、物理和生物学过程。

从作物对水分吸收的角度来讲，土壤含水量及其有效性是土壤对作物提供水分的重要影响因素。

①土壤含水量。土壤含水量有多种表达方式，数学式表达也不同，常用的有质量含水量、容积含水量、相对含水量和土壤储水量等［2］。这里只介绍质量含水量和相对含水量的计算方法。

质量含水量的计算，由式（1-1）表示：

　　 （1-1） 　　

式中，干土一般是指在105℃条件下烘干的土壤。

相对含水量的计算，由式（1-2）表示：

　　 （1-2） 　　

②土壤水的有效性。土壤水的有效性指土壤中的水能否被植物吸收利用及其难易程度。不能被植物吸收利用的水为无效水，能被植物吸收利用的水为有效水。

当植物因根无法吸收水而发生永久萎蔫时，此时的土壤含水量为萎蔫系数或萎蔫点。它因土壤质地、作物和气候不同而不同。一般土壤质地越黏重，萎蔫系数越大。

土壤毛细管悬着水达到最多时的含水量称为田间持水量。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛细管悬着水。当一定深度的土体储水量达到田间持水量时，若继续供水，就不能使该土体的持水量增加，而只能湿润下层土壤。所以田间持水量是确定灌溉水量的依据。田间持水量主要受土壤质地、有机质含量、结构和松紧状况等影响。

一般将田间持水量视为土壤有效水的上限，田间持水量与萎蔫系数之间的差值即为土壤有效水的最大含量。土壤有效水最大含量因不同土壤类型和不同作物而异，表1-2给出了土壤质地与有效水最大含量的关系。

（5）土壤空气　土壤空气是土壤的重要组成之一。它对土壤微生物活动、营养物质、土壤污染物质的转移以及植物的生长发育都有重要作用。

土壤空气的含量取决于土壤的孔隙状况和土壤的水分含量，因为土壤空气和土壤水分存在于土壤的孔隙系统中，在一定容积的土壤中，如果孔隙度不变，水和空气在土壤中是相互消长的关系。轻质土壤的大孔隙比黏质土壤的大孔隙多，因此具有较大的容气能力，即空气含量较高，通气性能也较好，而黏性土壤中空气量少，通气性也会降低。土壤质地与水分-空气的关系可见表1-3。

由于土壤中植物根系、土壤动物和土壤微生物的呼吸作用均是吸收O2呼出CO2，土壤中有机物的分解也是如此，所以土壤空气中CO2含量一般高于大气，约为大气CO2含量的5～20倍，O2含量则明显低于大气。显然，土壤空气成分与近地表的大气成分有一定的区别，见表1-4。

土壤空气主要来源于大气；土壤内部进行的生物化学过程也产生一些气体。

土壤中空气是运动的，其方式有两种：一是土壤空气与大气的对流；二是土壤空气向大气扩散。人们把土壤从大气吸收O2，同时排出CO2的作用，称为土壤呼吸。

2.土壤性质对作物生长的影响

（1）土壤质地　土壤质地主要继承了成土质来源及成土过程的某些特征，是土壤十分稳定的自然属性。土壤质地一般分为砂土、壤土和黏土三组，不同质地反映不同的土壤性质。而根据此三组质地中机械组成的组内变化范围，又可细分出若干种质地名称。中国土壤质地分类见表1-5。

（2）土壤结构　土壤是由土壤固体颗粒，即土粒（分单粒和复粒），在内外综合作用下相互团聚成一定形状和大小且性质不同的团聚体（土壤结构体）而形成的。土壤结构可分为块状结构和核状结构、棱柱状结构和柱状结构、片状结构、团粒结构等。其中团粒结构多在土壤表土中出现，特点是：土壤泡水后结构不易分散；不易被机械力破坏；具有多孔性等。具有团粒结构的土壤是农业的最佳结构形态，有利于作物根系生长发育，有利于空气的流动和对流，有利于水分的输送和吸收。

（3）土壤通气性　土壤通气性对于保证土壤空气更新有重大意义。如果土壤没有通气性，土壤空气中的氧在很短时间内就会被全部消耗，而CO2则会增加，以致危害作物生长。实际测量表明［3］，在20～30℃、0～30cm的表层土壤，每平方米每小时的耗氧量高达0.5～1.7L。设土壤中的平均空气容量为33.3%，其中O2含量为20%，如果土壤不能通气，土壤中O2将会在12～40h内被耗尽。所以，土壤的通气性可以保障土壤中空气与大气交流，不断更新土壤空气组成，保持土体各部分气体组成趋向均一。总之，土壤的通气性能良好，就有充足的O2供给作物根系、土壤动物、微生物，保障作物的生长发育。

（4）土壤酸碱性　土壤酸碱性常用土壤溶液的pH值来表示。pH<7，土壤溶液显酸性；pH=7，显中性；pH>7，显碱性。我国南方土壤的pH值大部分小于7，介于5.5～6.5之间，土壤溶液显酸性。北方地区土壤pH大部分为中性或碱性，pH值在7～8之间。

土壤的酸碱性对土壤的许多化学反应和化学平衡都有很大影响，对氧化还原反应、沉淀和溶解、吸附和解吸及配位反应起支配作用。酸性土壤中，H+浓度高且活跃，重金属的盐类，如碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硫化物及氢氧化物溶解度加大，溶液中重金属离子浓度增高，对许多作物毒害程度增加。碱性土壤中，OH-浓度高且活跃，易与许多重金属阳离子形成氢氧化物沉淀，相应盐类的溶解度则随之降低，如Zn2+、Fe3+、Ca2+、Cd2+、Ni2+、Al3+、Cr3+、Pb2+等在土壤溶液中浓度降低。沉淀和溶解反应始终存在平衡，酸性介质利于平衡向溶解方向移动，碱性介质则有利于平衡向沉淀方向移动。对于吸附-解吸和配位-解离平衡也是如此。同时，土壤的酸碱性对土壤微生物的活性、矿物质和有机质分解也起重要作用。

（5）土壤的氧化还原性　土壤中始终进行着氧化还原反应，因为土壤中有氧化剂存在，如氧气和高价态的金属离子；有还原剂存在，如土壤有机物及在厌氧条件下形成的分解产物和低价态的金属离子。通常用氧化还原电位（Eh）值来衡量土壤氧化还原的能力。土壤是氧化环境还是还原环境与许多因素有关，主要取决于土壤中氧气的含量。在通气性能好、水分含量低的旱地土壤，其氧化还原电位（Eh）值较高，为+400～+700mV，而水田的Eh值为+300～200mV；前者为氧化环境，后者为还原环境。此外，微生物活动、易分解有机质的含量、植物根系的代谢作用和土壤的pH值也是影响土壤氧化还原电位的因素。

当水田土壤中实测的氧化还原电位（Eh）值低于-150mV时，土壤的还原性强，具有较高浓度的还原态阳离子和阴离子。如S2-，它是一种较强的还原剂，主要来源于有机物的分解和高价硫（如硫酸盐）的还原反应，当土壤被重金属污染后，重金属离子均是亲硫元素，极易生成难溶的硫化物，如CdS、PbS、CuS、NiS、HgS等。所以，土壤溶液中重金属离子浓度大大降低，从而降低了对作物的毒害。土壤排水后的氧化还原电位升高，在氧化环境下，重金属离子会再度溶解被作物吸收。

水稻土壤的氧化还原性如前所讲可以降低大部分重金属的有害性，但对砷来说是As（Ⅴ）还原为强毒性的As（Ⅲ），使砷得以活化，导致水稻根际砷的积累［6］。

由于氧气是水稻叶片向根部输送的，因此升高了根际的氧化还原电位。刘志光等［7］测得未受根系影响的水稻土的Eh值约为-100mV，而根系密集处的土壤Eh值可达150～250mV。此外，水稻根际Eh值提高后形成的氧化微环境对激发微生物分解有机污染物也特别有效，也直接制约微生物种群分布，进而影响有机物的降解，例如当硫、磷在水稻根际中降解22.6%时，在非根际中仅降解5.5%，前者是后者的4倍［2］。

（6）土壤酶活性　土壤酶来源于微生物、植物根系、土壤动物和动植物残体。酶主要吸附在有机质和矿物质胶原体上，并以复合物的状态存在。至今，在土壤中已发现的酶有50～60种，包括氧化还原酶、转化酶和水解酶等。酶在土壤中的作用是参与各种生化反应，对土壤圈中养分循环和污染物质的净化具有重要作用，土壤酶活性可以综合反映土壤理化性质和重金属浓度，特别是脲酶的活性可用于监测重金属污染。到目前为止，用于监测重金属污染的还有脱氢酶、转化酶和磷酸酶等。

土壤酶活性受到多种环境因素的影响，如土壤质地、结构、水分、温度、pH值、阳离子交换量、腐殖质、黏粒矿物及土壤中氮、磷、钾含量等。

pH值对酶活性的影响表现为：转化酶适宜pH值在4.5～5.0之间的酸性土壤；磷酸酶适宜pH值在4.0～6.7之间和8.0～10之间的土壤；脲酶最适宜pH值为7的中性土壤；脱氢酶最适宜pH>7的碱性土壤。

酶活性在根际土壤中比在非根际土壤中大。不同植物的根际土壤中酶活性也有较大差异。例如，脲酶在豆科作物的根际土壤中的活性比在其他作物根际土壤中要高；蛋白酶、转化酶、磷酸酶及接触酶的活性在三叶草根际土壤中比在小麦根际土壤中高。此外，土壤酶活性还与植物生长过程和季节性的变化有一定的相关性，在作物生长最旺盛期酶的活性也最大。酶活性还受土壤污染物的影响，重金属、杀虫剂、杀菌剂等对酶活性有抑制作用。

（二）土壤的肥力质量是保证农业生产的前提

土壤肥力质量指作物生长、发育和成熟所需要的养分供应能力和环境条件，也就是土壤的生产能力。

土壤肥力质量主要包括氮、磷、钾三要素和有机质。

作物生长需要大量的氮、磷、钾营养元素，其中一部分来源于土壤本身；另一部分是人为施肥引入的。土壤中氮、磷、钾含量的多少是土壤养分高低的重要标志之一。

1.氮

作物根系主要吸收无机态氮，即铵态氮和硝态氮，也吸收一部分有机态氮，如尿素。氮是蛋白质、核酸、磷脂的主要成分，这三者又是原生质、细胞核和生物膜的重要组成部分，它们在生命活动中具有特殊作用。因此，氮被称为生命元素。氮还是某些植物激素，如生长素、细胞分裂素和维生素等成分，它们对生命活动起重要调节作用。此外，氮是叶绿素成分，与光合作用有密切关系。由于氮具有上述功能，所以土壤中的含氮量会直接影响植物细胞的分裂和生长。

当氮肥供应充足时，植株枝叶繁茂，躯体高大，分蘖能力强，籽粒饱满，蛋白质含量高。植物必需元素中，除碳、氢、氧外，氮的需求量最大。土壤中氮元素主要的来源是土壤中的有机质，而有机质主要来源于土壤的动植物残体和施入土壤中的有机肥料。土壤中有机质含量的多少能直接反映土壤肥力水平的高低，因此有机质是土壤中最重要的物质。土壤有机质主要以腐殖质为主，腐殖质是有机物经微生物分解后合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶物质，与土壤矿物质土粒紧密结合在一起，是土壤有机质存在的主要形态。其在一定条件下缓慢分解，释放出来以氮素为主的养分供给植物生长吸收。除此之外，在农业生产中也要特别注意氮肥的供应，常用人的粪尿、尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵等肥料，以补充土壤中原有氮素营养的不足。

缺氮时，蛋白质、核酸、磷脂等物质合成受阻，植物生长矮小，分枝、分蘖少，叶片小而薄，花果少且易脱落；缺氮还会影响叶绿素的合成，使枝叶变黄、叶片早衰甚至干枯，从而导致产量降低。

氮过多时，叶片大而深绿，柔软披散，植株徒长。另外，氮素过多时植株体内含糖量相对不足，茎秆中的机械组织不发达，易造成倒伏和被病虫害侵害。过多氮素经水体流失进入地下、地表水水源，使水源富营养化形成次级污染。

2.磷

磷主要以或的形态被植物吸收。吸收这两种形态的量取决于土壤的pH值：当pH<7时，居多；当pH>7时，较多。当磷进入根系或经木质部运输到枝叶后，大部分转变为有机物质，如糖磷脂、核苷酸、核酸、磷脂等，有一部分仍以无机磷形态存在。磷是核酸、核蛋白和磷脂的主要成分，它与蛋白质合成、细胞分裂、细胞生长有密切关系；磷间接参与光合作用、呼吸过程并参与碳水化合物的代谢和运输。由于磷促进碳水化合物的合成、转化和运输，对种子、块根、块茎的生长有利，所以，磷对如马铃薯、甘薯和谷类作物有明显的增产效果。磷对植物生长发育有很大作用，是仅次于氮的第二重要营养元素。

缺磷影响细胞分裂，使植物分蘖、分枝减少，幼芽、幼叶生长停滞，茎、根纤细，植株矮小，花果脱落，成熟延迟；缺磷时，蛋白质合成下降，糖的运输受阻，从而使营养器官中糖的含量相对提高，这有利于花青素的形成，植物叶片呈现不正常的暗绿色或紫红色，这是缺磷的病征。

磷肥过多时，叶片上会出现小焦斑，系磷酸钙沉淀所致；磷过多还会阻碍植物对硅的吸收，易导致水稻患缺硅病。水溶性磷盐还可以与土壤中的锌结合，降低锌的有效性，故磷过多易引起植物的缺锌病。过量磷肥流失进入地下水、地表水水源，引起水体富营养化，形成次级污染。

3.钾

钾在土壤中以KCl、K2SO4等盐的形态存在，在水中离解成K+而被根系吸收。在植物体内钾呈离子态，主要集中在生命活动最旺盛的部位，如生长点、形成层、幼叶等。

钾在细胞中可作60多种酶的活化剂，因此钾在碳水化合物代谢、呼吸作用及蛋白质代谢中起重要作用；钾能促进蛋白质合成，钾充足时形成的蛋白质较多，从而使可溶性氮减少；钾与糖类合成有关，大麦和豌豆幼苗缺钾时淀粉和蔗糖合成缓慢，而钾肥充足时，蔗糖、淀粉、纤维素和木质素含量较高，葡萄糖积累则较少。

缺钾时，植株茎秆柔弱，易倒伏，抗旱性、抗寒性降低，叶片失水，蛋白质、叶绿素被破坏，叶色变黄而逐渐坏死；缺钾有时也会出现叶绿焦枯、生长缓慢的现象，由于叶中部生长仍较快，所以整个叶子会形成杯状弯曲，或发生皱缩。

4.有机质

有机质是土壤肥力质量的一个重要指标。土壤中有机质含量的多少能直接反映土壤肥力水平的高低，因此有机质是土壤中最重要的物质。土壤有机质主要来源于土壤中动植物残体和人为施入的有机肥料。有机质是土壤中的有机化合物经过物理、化学、生物的反应和作用，形成的新的并且性质相当稳定而复杂的有机化合物。有机质主要以腐殖质为主，腐殖质是有机物及微生物分解后合成的大分子胶体物质。有机质的化学组成主要包括C、O、H、N等元素，含氮化合物主要来源于动植物残体中的蛋白质，经微生物分解后被植物利用，因此含氮化合物是植物能够吸收的营养来源，是土壤肥力水平的决定性物质。

土壤有机质主要累积于土壤表面，不同土壤类型有机质含量差别很大，主要集中于土壤耕层（0～20cm），通常耕地土壤耕层中有机质仅占土壤干重的0.5%～2.5%，我国大多数土壤中有机质含量在1%～5%之间。

（三）土壤提供的植物必需营养元素是作物生长发育的重要因素

1.植物的必需营养元素种类和含量

土壤中除含有植物生长发育必需的营养三要素氮、磷、钾之外，还含有13种必需的营养元素。经过许多科学家的研究与实践［8］现已确定，碳、氢、氧、钙、镁、硫、铁、硼、锰、铜、锌、钼和氯13种元素是高等植物生长发育所必需的营养元素，缺少任何一种植物都难以正常生长。所以，这13种元素被称为植物的必需营养元素，与氮、磷、钾合起来共计16种营养元素。

这16种植物体必需的营养元素，根据其在植物体干重含量又分为大量营养元素、中量营养元素和微量营养元素。

（1）大量营养元素　平均含量在植物干重0.5%以上的为大量营养元素，它们是碳、氢、氧、氮、磷、钾。

（2）中量营养元素　平均含量在植物干重0.1%～0.5%的为中量营养元素，它们是硫、镁、钙。

（3）微量营养元素　平均含量在植物干重0.1%以下的为微量营养元素，它们是铁、硼、锰、铜、锌、钼和氯。

（4）植物体内16种营养元素的含量　植物体内营养元素的含量差异很大（表1-6）。

（5）植物必需营养元素的来源　植物必需营养元素的来源主要是空气、水、土壤及施肥。碳主要来自空气中的二氧化碳，氢来自水和空气，氧来自二氧化碳和氧气，其他的营养元素则主要来自土壤，只有豆科作物能从空气中获得一部分氮素。土壤既是陆生植物扎根的场所，也是养分的供给者，担负着提供各种养分的重任。施肥是为了补充植物对氮、磷、钾“肥料三要素”的需求。

2.必需营养元素的主要营养作用

16种营养元素的营养作用各有特点，但按其生理功能和代谢作用，可分成作用相似、性质相近的几组［8］。

（1）碳、氢、氧　该三元素是植物有机体的主要组成成分。三者的总量占植物干重的96%，这足以说明它们是植物有机体的基础。碳、氢、氧三者以不同的方式组合起来可形成多种多样的碳水化合物，如纤维素、半纤维素和果胶质等，它们是细胞壁的组成物质，而细胞壁是支撑植物体的骨架。碳、氢、氧也可构成植物体内多种生物活性物质，如某些维生素和植物激素等，它们直接参与体内代谢活动，是植物体正常生长所必需的。此外，它们可构成糖、脂肪、酚类等化合物，其中以糖最为重要。糖类是合成植物体内许多重要化合物的基本原料，如蛋白质和核酸等。碳水化合物在代谢过程中还可释放出能量，供植物利用，这是不可忽视的重要功能之一。

从植物代谢角度来看，这三种元素各自都有许多特殊的作用。例如，CO2是光合作用的原料，绿色植物必不可少。O2为植物有氧呼吸所必需；在呼吸链的末端，O2是电子（e-）和质子（H+）的受体。H+在氧化还原反应中作为还原剂，参与NADP的还原过程。H+在光合作用和呼吸作用中是维持膜内外酸度梯度所必需的物质，它在能量代谢中有重要作用。此外，在保持细胞内离子平衡和稳定pH值方面H+也有重要贡献。

（2）氮、磷、钾

①氮。氮是作物体内许多重要有机化合物的组成部分，例如蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素、生物碱和激素等都含有氮素。氮在植物体内的平均含量约占干重的1.5%，含量在0.28%～6.5%之间。一些主要农作物体内的含氮量见表1-7。

氮素营养对作物生长发育有至关重要的作用，蛋白态氮通常占植株全氮的80%～85%，而蛋白质中平均含氮16%左右。在作物生长发育过程中，细胞的增长和分裂以及新细胞的形成都必须有蛋白质。植物缺氮会使蛋白质合成减少、新细胞形成受阻，从而导致植物生长发育缓慢，甚至出现生长停滞现象。如果没有氮素，就没有蛋白质，也就没有生命。所以氮被称为“生命元素”。

此外，核酸也是植物生长发育和生命活动的基础物质。核酸中含氮15%～16%，无论是核糖核酸（RNA）还是脱氧核糖核酸（DNA）都含有氮素。核酸在细胞内通常与蛋白质结合，以核蛋白形式存在。核酸和核蛋白在植物生长和遗传变异过程中有特殊作用。除以上提到的蛋白质和核酸中含有氮素之外，在叶绿素、酶、维生素、生物碱和细胞色素的组分中也都含有氮。显然，氮素也是直接或间接影响作物的光合作用、体内的代谢作用、生理过程等的重要因素之一。

农作物生长发育的某些阶段，是氮素需要多、氮营养特别重要的阶段，例如禾本科作物的分蘖期、穗分化期，棉花的蕾铃期，作物的大量生长和产品的形成期等。在这个阶段保证正常的氮营养，就能促进生长发育，增加产量。但若氮营养不足，则一般表现为植株矮小，细弱；叶呈黄绿、黄橙色等非正常颜色；基部叶片逐渐干燥枯萎；根系分枝少；禾谷类作物的分蘖显著减少，甚至不分蘖；幼穗分化差，分枝少，穗形小；作物显著早衰并早熟，产量降低。但是，若氮素过量，作物表现为生长过于繁茂；腋芽不断出生，分蘖往往过多，妨碍生殖器官的发育，以至推迟成熟；叶片呈浓绿色；茎叶柔嫩多汁，体内可溶性非蛋白态氮含量增加，易遭病虫害，容易倒伏；禾谷类作物的谷粒不饱满，秕粒多；棉花烂铃增多，铃壳厚，棉纤维品质降低；甘蔗含糖率降低；薯类薯块变小；豆科作物枝叶繁茂，结荚少，作物产量降低。

②磷。在作物的植株中磷的含量占干重的0.2%～1.1%。在作物的种子中，磷的含量仅次于氮，油料作物的种子中磷的含量可达1%以上，大豆和花生中含磷量接近1%，禾谷类作物的种子含磷在0.6%～0.7%之间。

磷是作物体内很多重要有机化合物的组成元素，如核酸、核蛋白、磷脂、植素和三磷酸腺苷等都含有磷。即使有些有机化合物不含磷，但在其形成和转化过程中也必须有磷参加，如淀粉、蛋白质、油脂和糖的形成和其他生命活动。

核酸是核蛋白的主要成分，而核蛋白又组成了细胞核、原生质和染色体。核酸等在作物最富有生命力的幼叶、新芽、根尖中担负着细胞增殖和遗传变异的功能。

磷脂是生物膜的重要组成部分，几乎所有生命现象都与生物膜有关，因为生物膜是保证和调整物质流、能量流和信息流出入细胞的通道，并对这三种流具有选择性，从而调节生命过程。磷脂具有亲水性，同时又具有疏水性，这就增强了细胞的渗透性。磷脂既含有酸性基又含有碱性基，因而可以调节原生质的酸碱度。

植素中含有磷，在种子萌芽时或幼苗生长初期，植素在植素酶的作用下被水解为无机磷供作物吸收利用。植素还有利于淀粉的生物合成。含有磷的三磷酸腺苷水解时，末端的磷酸根很快脱出，形成三磷酸腺苷并释放出能量。磷还存在于各种脱氢酶中，是作物体内许多代谢过程的重要催化剂。

此外，磷在加强碳水化合物的合成和运转；氮化物的合成；豆科作物提高固氮活性，增加固氮量；作物体内油脂代谢；提高作物的抗逆性及对外界环境的适应性等方面具有重要作用。

总之，磷对作物生长、发育的影响是多方面的。及时供给磷素养分，能促使各种代谢过程顺利进行，使体内物质合成和分解、移动和积累得以协调一致，达到根深、秆壮、发育完善，使作物提早成熟，提高产量，改善作物品质。

作物缺磷时，表现为植株矮小，生长迟缓，延迟成熟。缺磷使禾谷类作物分蘖延迟或不分蘖；延迟抽穗、开花和成熟；穗粒少而不饱满；玉米果穗秃顶；油菜脱荚；果树花果脱落；甘薯、马铃薯块变小，耐储性差等。

③钾。钾是排在氮、磷之后居第三位的作物生长发育必需的大量营养元素。在作物体内，钾的含量占干物重的1%～5%，一般在1.5%～2.5%之间。钾是以离子的形态存在于作物体中的含量最高的阳离子，移动性很强，集中分布在作物的幼嫩组织中，在生长快和新陈代谢旺盛的部位如根尖、幼叶、幼芽中含量均很高，新生叶含钾一般比老叶高。作物缺钾时，钾离子能较快地从老组织转移到新生组织中去。

钾最重要的生理功能是对酶的活化作用。钾对酶的活化作用机理是钾离子能够打开酶分子的活化部位，现在证明有60多种酶需要钾离子活化，这60多种酶分别属于合成酶类、氧化还原酶类和转移酶类三大类。在作物体内各种新陈代谢过程，如有机化合物的合成、转移、运输、氧化还原等都需要这些酶的参加。钾对酶的活化作用直接影响作物的产量和品质。

钾离子具有高速通过细胞膜的能力，气孔的开闭主要依靠钾的进入和渗出，钾离子可以调节气孔的开闭，从而控制叶的蒸腾作用，在不良气候条件下气孔关闭就能保持作物体内的水分不受损失，增强了作物的保水能力。钾还可以提高细胞的渗透势，增强作物吸收土壤中水分的能力。当根部细胞中钾的浓度高时，会产生渗透压的梯度，增加根压，有助于将土壤水分吸入根部。

此外，钾还具有提高作物的光合作用和光合产物运转的能力；提高作物的抗旱、抗寒、抗病、抗盐、抗倒伏的能力，因此，钾有“抗逆元素”之称。

（3）硫、钙、镁

1）硫。硫是组成植物生命的基础物质——蛋白质、核酸不可缺少的元素。作物需硫量大致与磷相当，某些作物的需硫量甚至超过磷，因此，硫被认为是植物的第四大营养元素。

一般来说植物含硫平均在0.2%左右，一些作物含硫量见表1-8［10～12］。

硫是蛋白质的重要氨基酸如半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸等含硫氨基酸的组分，缺硫时蛋白质形成受阻，非蛋白氮积累而导致发育障碍。硫还参与硫胺素、生物素、辅酶A及铁氧化还原蛋白等的组成与代谢活动。此外，硫还是一些酶的组成成分，在磷酸甘油醛脱氢酶、脂肪酶、氨基转移酶、脲酶及木瓜蛋白酶等酶中都含有硫。

当硫营养不足时，碳水化合物含量增加，还原糖减少，植物体内柠檬酸代谢受阻，蛋白质减少；同时可溶性氮、酰铵态氮、硝态氮增加，游离氨基酸中精氨酸增加；蛋白质中甲硫氨酸降低；豆科植物根瘤着生数减少。

作物缺硫症状类似缺氮，主要特征表现为失绿和黄化。但失绿出现部位与缺氮不同，缺硫首先出现在顶部的新叶上，而缺氮是新老叶同时褪绿。不过，烟草、棉花和柑橘缺硫时症状首先表现在老叶上，从而易与缺氮混淆。双子叶植物缺硫一般表现为植株矮小、叶细小，叶片向上卷曲、变硬、易碎，提早脱落，茎生长受阻滞、僵直，开花迟，结果结荚少；而禾谷类作物缺硫表现为生长直立，植株失绿黄化，脉纹不清晰，但一般很少出现棕色斑点。刘芷宇等［13］描述了一些作物硫营养缺乏时的特征表现，如下所列。

①水稻：返青慢，不分蘖或少分蘖，植株矮瘦，叶片薄，幼叶呈淡绿色或黄绿色，叶尖有水渍状圆形褐色斑点，叶尖枯焦，根系暗褐色，白根少，生育期延迟。

②大麦：植株色淡绿，幼叶失绿，较老叶片更明显，严重缺硫时叶片出现褐色斑点。

③棉花：植株瘦小，整个植株变为淡绿或黄绿色，生育期推迟。

④油菜：初始表现为植株呈淡绿色，幼叶色泽较老叶浅，以后叶片逐渐出现紫红色斑块，叶缘向上卷曲，开花结荚延迟，花荚少而小，色淡，根系短而稀。

⑤大豆：新叶呈淡绿到黄色，叶脉叶肉失绿，但老叶仍呈均匀浅绿色，后期老叶也失绿发黄，并出现棕色斑点，植株细弱，根系瘦长，根瘤发育不良。

⑥甘蔗：幼叶先失绿呈浅黄绿色，后变为淡柠檬黄色，并略带淡紫色，老叶深紫色，根系发育不良。

⑦烟草：整个植株呈淡绿色，下部老叶易枯焦，叶尖常卷曲，叶面也发生一些突起的泡点。

⑧马铃薯：叶片和叶脉普遍黄化，症状与缺氮相似，但叶片并不提前干枯脱落，极度缺硫时叶片上出现褐色斑点。

⑨柑橘：新叶失绿，严重时出现枯梢，果小、畸形、色淡、皮厚、汁少。有时囊汁胶质化形成微粒状。

油菜、苜蓿、三叶草、豌豆、芥菜、葱、蒜等都是需硫多、对硫反应敏感的作物，土壤缺硫，首先就会在硫反应敏感的作物上表现出症状。我国北方土壤硫的自然供应量较高，缺硫现象较少见，南方地区硫不足现象相对较普遍。所以，南方要重视作物缺硫问题，但缺硫症状往往与缺氮症状很难区分。硫过量现象除了在工矿和工业城市郊区因亚硫酸气的烟害和过量施硫情况下会出现外，一般于旱作物很少见因硫过量中毒等现象，但在南方冷浸田和其他低湿、还原过程强烈的土壤经常发生H2S毒害水稻使其根系变黑、根毛腐烂、叶片有胡麻斑病的棕褐色斑点。

植物吸收态硫，在植物体内很快合成有机硫，但植物硫素营养化学诊断通常还是测定植株的含量，因为土壤供硫状况与植株体含量有相关性［14］，一些作物硫素丰缺临界指标见表1-9。南方水稻土耕层硫平均含量见表1-10。

2）钙。植物含钙量在0.2%～1.0%之间，不同植物含量高低差异很大，高桥英曾对生长在同一种土壤上129种植物进行了元素含量分析，并将最高的与最低的各10种进行平均，高的含钙4.15%（占干重，下同），低的仅含0.32%，相差13倍。通常双子叶植物含钙量高于单子叶植物，而双子叶植物中又以豆科植物含钙量高，作物含钙量高的有三叶草、豌豆、花生，还有蔬菜中的甘蓝、番茄、黄瓜、甜椒、胡萝卜、洋葱、马铃薯和烟草等。一些作物含钙量见表1-11。

钙有其不可代替的生理作用功能，主要表现为：钙与作物中的果胶酸生成的果胶酸钙构成植物细胞壁的中胶层，将细胞联结起来形成组织，并具有一定的机械强度。这是钙的特殊功能。钙可以中和作物体内代谢过程产生的过多且有毒的有机酸，尤其是钙与草酸可以形成不溶性的草酸钙沉淀而消除草酸毒害作用。钙是植物体内一些酶的组成成分与活化剂，如钙是α-淀粉酶的组成成分，ATP酶（三磷酸腺苷酶）中也含有钙。此外，钙还是植物体内某些酶的活化剂，如磷脂酶、脂酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、精氨酸激酶、卵磷脂酶、果胶多聚丰乳糖醛酸酶等。钙还有助于增强细胞膜的稳定性、促进K+的吸收、延缓细胞衰老。

作物缺钙时首先在新根、顶芽、果实等生长旺盛而幼嫩的部位表现出症状，轻则凋萎，重则坏死。

最典型的作物缺钙症状莫过于白菜心腐病和番茄蒂腐病。包心大白菜缺钙时，里面包心叶片边缘开始由水浸状逐渐变为果酱色，心叶萎缩直至腐烂，类似的还有芹菜、洋葱、甘蓝的心腐病都由缺钙造成。番茄缺钙时在花蒂附近果皮内侧出现水浸状病变，继而黑化、果腐，与此同时，生长点、子房表现凋枯或萎缩、叶扭曲、茎软弱、枝下垂。

根据刘芷宇等［13］、仝月澳等［15］及其他一些作者的资料，对一些大田作物及果树缺钙的形态症状与钙素营养诊断指标摘编如下。

①水稻：植株矮化，组织老化，心叶干枯，定型的心叶前端及叶缘枯黄，老叶仍保持绿色，但叶形弯卷，结实少、秕谷多，根少而短，新根尖端变褐坏死。

②小麦：植株矮或呈簇生状，根系短，分枝根多，根尖分泌黏液，似球状黏附在根尖。叶片常出现缺绿，幼叶往往不能展开。

③大麦：前期生长正常，拔节期出现心叶凋萎枯死，根极少分枝，老根短，新根不能生长。

④玉米：植株矮，新叶生长受阻，新叶尖端几乎完全失绿，分泌透明胶汁，使相近幼叶尖端胶黏在一起不能伸长。心叶不能伸长，萎缩黄化，老叶的叶缘呈白色透明锯齿状不规则破裂，根少而短，老根多呈棕褐色。

⑤棉花：顶芽生长受阻，生长点呈弯钩状。节间缩短，叶片向下弯卷，老叶提前脱落，植株矮，果枝少，结铃少。根少色褐，主根基部出现胼胝状组织。

⑥油菜：老叶枯黄，新叶凋萎。

⑦花生：第一片真叶就出现畸形，老叶边缘和叶面有不规则白色小斑点，叶柄变弱，植株生长缓慢，根细弱，荚果空秕。

⑧甘蔗：生长缓慢，幼叶柔弱不能伸长，生长点很快死亡，老叶褪绿并有红棕色斑点，继而斑点间出现枯腐，逐渐扩展至整叶枯腐。

⑨豌豆：叶片中脉周围发生红色斑点，后扩展至支脉周围和叶边缘，全叶干燥卷缩，叶片基部最早褪色，叶片色由淡绿转为黄白色。根尖死亡，幼叶及花梗枯萎、卷须萎缩。

⑩苹果：根尖停止生长，附近又长出许多幼根，枯死后又在上边长出，使根系变短但又似有膨大状。幼苗长不到30cm高就形成封顶芽，叶片减少。成龄树新生小枝的嫩叶先褪色并出现坏死斑，叶缘、叶尖有时向下卷曲，老的叶组织枯死，果实有苦痘病。

葡萄：叶呈淡绿色，幼叶脉间和边缘褪绿，脉间有灰褐色斑点，边缘接着出现针头大的坏死斑，茎蔓先端枯死。

桃：新根生长1.5～7.5cm从根尖向后枯死，上部又长出新根，使根系短而密、有些膨大、弯曲。嫩叶沿中脉及叶尖产生红棕色或深褐色坏死区，坏死区扩大后枝条基部及顶端开始落叶，更严重时枝条尖端及嫩叶呈似火烧状，小枝死亡。

此外，苜蓿缺钙生长缓慢，新根生长受抑制；西瓜、黄瓜缺钙时顶部生长点腐烂或坏死。

一些作物钙素营养指标见表1-12。

3）镁。作物体内镁的分布一般以种子含量最高，茎叶次之，根最少。有人测定，小麦茎秆含镁0.08%，全株含镁0.1%，子粒含镁却高达0.15%；水稻根部含镁0.07%，茎叶含镁0.12%，穗部含镁0.13%。对一般作物，镁含量在1～6g/kg之间，一些作物含镁量情况见表1-13。

镁的生理功能：镁是叶绿素的组成成分，也是叶绿素分子中唯一的金属元素。叶绿素是植物光合作用的核心，植物缺镁，叶绿素就减少，光合作用减弱，碳水化合物、蛋白质、脂肪的合成受到影响。由此可见镁在光合作用中的重要性。镁是多种酶的活化剂，并且镁还参与了一些酶的构成。植物的光合作用、呼吸作用、脂肪代谢过程中有许多酶参与，而镁对这些酶均起到了活化作用。

作物缺镁时形态表现为叶片失绿，起初叶尖和叶缘的脉间色泽褪绿，再到淡绿变黄进而变紫，随后向基部和中央扩展，但叶脉仍保持绿色。对于叶脉平行的作物，失绿呈条状，而对于网状脉的作物，失绿则呈斑点状，至严重时则整片叶片干枯，这是缺镁的典型特征。刘芷宇等［13］描述了一些作物缺镁时的形态特征，表现如下。

①水稻：植株高度不减，但叶片脉间失绿，先变为蓝黑色，进而变为铁锈色，中下部叶片从叶舌部分开始略向下倾斜，老叶枯焦；易感染稻瘟病、胡麻叶斑病。

②小麦：叶片脉间出现黄色条纹，心叶挺直，下部叶片下垂，叶缘出现不规则的褐色焦枯，仍能分蘖抽穗，但穗小。

③大麦：叶片淡绿，叶脉有念珠状绿色斑点，老叶脉间失绿，边缘间隙坏死变褐，尖端焦枯。严重时不分蘖也不会抽穗。

④黑麦：老叶发黄，其他叶片脉间失绿，带棕色斑点，边缘及尖端变为红棕色，进而叶缘向内卷曲，后枯死。

⑤玉米：下部叶片脉间出现淡黄色条纹，后变为白色条纹，极度缺乏时脉间组织干枯死亡，呈紫红色的花斑叶，而新叶变淡。

⑥棉花：老叶脉间失绿，叶片主脉与支脉仍保持绿色，老叶上有紫红色斑块，新定型叶片随后失绿变淡，棉桃亦变为浅绿色，苞叶最后红黄色枯焦。

⑦油菜：苗期子叶边缘首先呈现紫红色，中后期下部老叶叶缘失绿黄化，逐渐向内扩展，但叶脉仍呈绿色，以后失绿部分由淡绿变黄绿，最后紫红色和黄紫色、绿紫色相间的花斑叶，后期不抽薹、不开花。

⑧大豆：前期叶片脉间叶肉失绿并凸起呈皱缩状，而叶脉附近、叶片基部仍保持绿色，进而整叶变为黄绿色，并带有一些棕色小斑点，后期叶缘向下卷曲，从边缘逐渐向内变黄，最后整叶变为橘黄色，叶缘枯焦，似有早熟的假象。

⑨花生：老叶边缘先失绿，后逐渐向叶脉间扩展，而后叶缘部分变成橙红色。

⑩甘蔗：老叶先在脉间出现些缺绿斑点，后变为棕褐色，斑点合并后变成大块锈斑，以致整叶呈现锈棕色，茎细小。

烟草：下部叶片尖端边缘和脉间失绿，叶脉及周围保持绿色，极度缺乏时下部叶片几乎变为白色，少数干枯或产生坏死斑点。

马铃薯：老叶尖端及边缘褪绿，沿脉间向中心部分扩展，下部叶片发脆，严重时植株矮小，根及块茎生长受抑制，下部叶片向叶面卷曲，叶片增厚，最后失绿的叶片变成棕色而后死亡脱落。

番茄：新叶发脆并向上卷曲，老叶脉间黄色而后变褐、枯萎，黄化症进而向幼叶发展，结实期叶片缺镁失绿症加重，果实由红色褪变为淡橙色。

茶树：老叶色暗绿且发脆，新叶叶脉呈绿色，脉间叶肉呈褐黄色。

三叶草：老叶脉间失绿，叶缘带绿色，随后叶缘变为褐色或褐带红色。

柑橘：老叶呈青铜色，随后周围组织绿色减退，叶基部形成绿色的楔形。

香蕉：叶片失绿，叶柄上有紫褐色斑点。

一些作物镁素营养临界指标见表1-14。

（4）微量营养元素

①铁。铁是合成叶绿素的必需元素。虽然铁不是叶绿素的组成成分，但是叶绿素的合成必须有铁存在。在叶绿素合成时，铁可能是一种或多种酶所需的活化剂，缺铁时叶绿体结构被破坏，叶绿素不能合成。严重缺铁时，叶绿体变小，甚至被解体或液泡化。这也是叶绿素合成时需要铁的主要原因。

植物缺铁常出现失绿症，且表现在幼叶上。因为铁在植物体内流动性很小，老叶中的铁很难再转移到新生组织中去，所以一旦缺铁新生的幼叶上就会出现失绿症。

铁参与植物体内的氧化还原反应和电子传递。在植物体内经常发生化学代谢过程中的氧化还原反应，而三价铁离子（Fe3+）和二价铁离子（Fe2+）分别是氧化剂和还原剂，在两种离子之间极易发生电子转移。尤其是当不同价态的铁离子与有机物结合形成不同种类的蛋白质时，其氧化还原能力将得到极大提高，电子传递更容易发生，这对植物体内多种代谢活动具有重要作用。

铁是固氮酶所必需的元素。固氮酶是豆科作物固氮所必需，而固氮酶由两种蛋白质组成，一个是钼铁蛋白，另一个是铁硫蛋白，钼铁蛋白是固氮酶的活性中心。当两种蛋白单独存在时，固氮酶没有活性，豆科作物也不能固氮，只有两者复合时才有活性，才能固氮。

铁参与植物呼吸作用。因为铁是一些与呼吸作用有关酶的成分，例如，细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等都含有铁，并且铁常处于酶结构的活性部位上，所以铁参与了植物细胞的呼吸作用。

当植物缺铁时这些酶的活性就受到影响，并使植物体内一系列氧化还原作用减弱，电子不能正常传递，呼吸作用也受到阻碍，ATP合成减少。

铁还是磷酸蔗糖合成酶的活化剂。植物缺铁会导致体内蔗糖形成减少。

②硼。硼对作物具有某些特殊的营养作用。硼促进植物体内碳水化合物的运输和代谢，它的重要功能之一是参与糖的运输。研究表明，硼不是酶的组成成分，没有变价，没有氧化还原能力，不发生电子转移，不与酶和其他有机物发生反应，但是，硼有利于蔗糖的合成和运输：硼含量充足，糖运输就顺利；硼含量不足，则会有大量糖类化合物在叶片中积累，使叶片变厚、变脆，甚至畸形。糖运输不顺，使新生组织形成受阻，往往表现为植株顶部生长停滞，甚至生长点死亡。

硼酸与顺式二元醇可以形成稳定的酯类，许多糖及其衍生物均属于这类化合物。它们是细胞壁半纤维的组分，显然，元素硼就被牢固地结合在细胞壁中。然而不同种类的植物对硼的需求量是有差异的，例如，单子叶植物（小麦）的细胞壁中硼的含量只有3～5μg/g，而在双子叶植物（向日葵）中则多达30μg/g。这说明了硼具有调节和稳定细胞壁结构的作用。

此外，硼可以促进植物花粉的发育、授粉，种子的形成和成熟；调节酚的代谢，可以防止如甜菜的腐心病、萝卜的褐腐病等病症；保护生物膜；提高根瘤的固氮能力；促进细胞伸长和分裂；提高作物的抗旱性能等。

③锰。锰对植物的作用主要表现在：直接参与光合作用，在光合作用中，水被分解并释放出氧气和电子。水的光解反应可简单表示如下：

资料表明，在叶绿体中锰的含量较高，缺锰时，膜结构遭破坏而导致叶绿体解体、叶绿素含量下降。在所有细胞中，叶绿体对锰最为敏感，是维持叶绿体结构所必需的元素。

其次，锰还是植物体内某些酶的组成成分，直接参加代谢过程。锰在植物体内是许多酶的活化剂。锰对酶活性的影响可以促进氮素代谢；调节氧化还原状况；提高植物的呼吸强度；增加二氧化碳的同化量；促进碳水化合物的水解；有利于蛋白质合成等。

此外，锰还具有促进种子萌发和幼苗生长、促进根系的生长、促进维生素C的形成、增强植物茎的机械组织等功能。

④铜。铜多以络合物形态存在于多种氧化酶和各种蛋白质中，其主要作用是参与植物体内的氧化还原反应，原因是铜可以改变化合价，具有传递电子的作用，主要的氧化还原反应如下：

铜以酶的方式参与植物体内氧化还原反应，并对植物的呼吸作用有明显影响。其次，铜蛋白参与光合作用，叶片中的铜大部分结合在细胞中，尤其在叶绿体中有较高的含量，缺铜虽不破坏叶绿体结构，但淀粉减少。铜与色素可形成络合物，对叶绿素和其他色素有稳定作用。近年来，又发现铜与锌类同存在于超氧歧化酶中，这种酶是所有好氧有机体所必需的。超氧歧化酶对毒性较大的超氧自由基具有歧化作用，从而起到了保护叶绿体免遭超氧自由基的伤害、不使生物体代谢发生紊乱而导致有机体死亡的作用。此外，铜还具有参与氮素代谢、影响固氮的作用，在复杂的蛋白质形成过程中，铜对氨基酸活化及蛋白质合成有促进作用。缺铜时蛋白质合成受阻，导致植物体内DNA的含量降低，同时根瘤内氧化酶活性降低，使固氮能力降低；缺铜时，影响植物花器官的发育，影响禾本科作物的生殖生长。以麦类作物为例，缺铜时分蘖明显增加，导致秸秆产量较高，但不结实，子粒产量降低。铜供给充分时，秸秆产量增加不多，但子粒产量明显提高。显然，铜营养元素关系到粮食生产的产量问题，应给予足够的重视。

⑤锌。锌在植物体内是许多酶的组成成分，例如乙醇脱氢酶、铜-锌超氧化物歧化酶、碳酸酐酶、RNA聚合酶、谷氨酸脱氢酶等都含有结合态锌，锌还是核糖核蛋白体的组成成分。锌不仅是许多酶的组分，而且也是许多酶的活化剂。显而易见，从锌在植物体内存在的状态就不难得出它所有的功能和作用。锌在促进植物生长素合成、促进光合作用、参与蛋白质合成中均起到重要作用，尤其在影响蛋白质合成中的几种微量元素里是最突出的元素。

缺锌时，作物生长发育即出现停滞，其典型表现是叶片变小、节间缩短等症状，通常称之为小叶病和簇叶病。

缺锌时，作物的光合作用强度大大降低，这不仅与叶绿素含量减少有关，而且也与二氧化碳的水合反应受阻有关。因为含锌的碳酸酐酶可催化光合作用过程中二氧化碳的水合作用。其反应如下：

锌是醛缩酶的激活剂，而醛缩酶是光合作用中的关键酶之一，所以缺锌使光合作用强度大大降低。

锌除以上作用外，它还影响作物生殖器官的建成和发育，如在缺锌介质中的豌豆不能产生种子。给三叶草增施锌肥，营养体产量可提高1倍，而种子和花的产量可增加近100倍。

锌既能提高植物的抗旱力，又能提高植物的抗热性。此外，锌还能提高植物抗低湿或霜冻的能力，有助于冬小麦抵御霜冻侵害，安全越冬。

⑥钼。钼在植物体中是硝酸还原酶和固氮酶的成分。硝酸还原酶的作用是将硝酸还原为亚硝酸，然后进一步还原为氨，而氨能用于合成氨基酸和蛋白质。这一系列的还原过程是通过钼的价态变化、转移电子完成的。

钼是固氮酶的成分，而固氮酶是植物体氮素代谢过程中所不可缺少的酶。对于豆科作物，钼有固氮的特殊作用。固氮酶是由钼铁氧还蛋白和铁氧还蛋白两种蛋白组成的。这两种蛋白单独存在时都不能固氮，只有两种蛋白结合才具有固氮的功能。钼处于固氮酶的活性中心部位，游离的氮分子与活性中心结合，而铁氧还蛋白则与Mg-ATP结合，向活性中心提供能量和传递电子，使氮分子还原成氨。

除了以上两种重要的功能之外，钼还具有促进有机磷与维生素C的合成、繁殖器官的建成以及抗病毒的能力。

⑦氯。氯是植物体需要量最多的微量元素，许多植物体内氯的含量都很高，含氯量在10%以上的植物并不少见。氯在植物体内的作用表现在参与光合作用上。氯对水的光解反应不起直接作用，而是辅助锰参与反应，把锰离子稳定在较高的氧化状态。氯不仅是希尔反应放氧气所必需的，还具有促进光合磷酸化的作用。其次，氯在维持细胞膨压、调节气孔运动方面的作用很明显。氯对叶片气孔的张开和关闭有调节作用，当某些植物叶片张开时，钾离子由氯离子伴随流入叶片内保护细胞。氯离子调节气孔运动的功能可减少叶片水分的过多损失，从而能增强植物的抗旱能力。

此外，氯还具有激活膜结合的H+-泵ATP酶，而后可以把原生质的H+转运到液泡内，而使液泡膜内外产生pH梯度；含氯肥料对抑制病害的发生具有明显作用，例如冬小麦的全蚀病、条锈病，大麦的根腐病，玉米的茎枯病，马铃薯的褐心病等大约10种作物的15个品种，其叶、根可通过增施含氯肥料，明显减轻病害的严重程度；氯离子在维持离子平衡方面的作用可能有特殊意义，因为氯离子化学性质稳定，与阳离子保持电荷平衡，氯离子流动性强，能迅速进入细胞内，提高细胞的渗透压和膨压，减少植物水分的丢失；氯可以激活某些酶，促进天冬酰胺和谷氨酸的合成，因而氯对氮素代谢有重要作用。

（四）土壤的营养环境是作物生长发育的保障

1.我国主要类型土壤的养分状况

（1）母岩的养分含量

①氮。地壳平均含氮量约为0.04%（质量分数），这一数字比土壤低，因为在绝大多数岩石中都不含氮素。由于生成上的原因，火成岩完全不含氮素，而沉积岩中有微量氮素存在，这是因为在沉积过程中混入少量有机物质的缘故。这一氮素虽然很少，但地球上沉积岩中氮的总含量却高达400万亿吨（4×1014t），而且每年地球上生物的固氮量可达1×108t以上，这些都是土壤氮素的潜在的或直接的来源。

②磷。地壳平均含磷量为0.08%，比一般土壤的含磷量高。母岩中以火成岩平均含磷量最高，达1300mg/kg，其次是页岩（含磷870mg/kg），石灰岩、砂岩中含磷很少。

③钾。地壳平均含钾量比氮、磷高得多，达到2.6%。母岩中主要的含钾矿物是正长石、微斜长石（含钾14%）、白云母（含钾10%）、黑云母（含钾7.5%），所以土壤的含钾量受母岩中这些矿物的影响很大。

④微量元素。母岩中铁的含量很高，火成岩平均含铁4%，所以从母岩含量和土壤含量看，铁不属于微量元素范围，之所以称铁为微量元素只是从植物营养角度来说的。因此，土壤缺铁并不是含量低，而是指有效性低。

岩石锰含量虽低于铁，但仍相当高，火成岩、石灰岩含锰量均可达1000mg/kg以上。所以土壤缺锰，也是指有效性低，不是绝对含量低。

富含锌、铜的母岩石主要是火成岩和页岩。火成岩平均含锌量为80mg/kg，含铜量为70mg/kg，页岩含锌量在50～300mg/kg间变动，而含铜量在30～150mg/kg间变动。石灰岩和砂岩中锌、铜含量一般较低。

岩石中砂岩、页岩含硼量较高，砂岩平均含硼155mg/kg，页岩含硼130mg/kg。

钼在岩石中的含量很低，火成岩平均含钼1.7mg/kg，而沉积岩含钼量平均在1mg/kg以下［8］。

（2）我国土壤的养分概况　土壤养分含量主要决定于母质和耕作施肥措施，但土壤养分的全量一般不能直接表示当季作物养分的丰缺。因为，土壤养分的供应能力主要取决于养分的有效性，土壤养分状况必须结合土壤的物理和化学环境考虑。下面简要介绍一下我国主要土壤养分的基本状况［8］。

①氮。 虽然空气中含有高达80%的氮气，但除豆科植物外，绝大多数植物都不能利用这些分子态的氮，而只能利用取自土壤的氮。

土壤中的氮有95%以上是以有机态存在的。这些形态的氮也需要先经矿化作用变成无机状态才能被植物利用。有机态氮的矿化作用受一系列土壤、气候条件的制约，其中最重要的是温度。因此，我国土壤氮素矿化的量和速度一般是南方高于北方。据测定，我国南方土壤每年氮素的矿化量为土壤全氮量的2%～4%。

我国土壤耕层中的全氮含量在0.05%～0.25%之间变动。其中东北地区的黑土是我国土壤平均含氮量最高的土壤，一般为0.15%～0.35%。而西北黄土高原和华北平原的土壤含氮量较低，一般为0.05%～0.10%。华中、华南地区由于受不同因素的影响，土壤全氮含量有较大的变幅，一般为0.04%～0.18%。在条件基本相近的情况下，水田的含氮量往往高于旱地土壤。

根据现有资料，我国绝大部分土壤施用氮肥都有一定的增产效果。

②磷。磷是农业上仅次于氮的一个重要土壤养分。和氮不同，土壤中大部分磷都是无机形态（50%～70%），只有30%～50%是以有机磷形态存在的。

我国北方土壤中的无机磷主要是磷酸钙盐，而在南方则主要是磷酸铁、铝盐类。其中有相当大部分是被氧化铁胶膜包裹起来的磷酸铁铝，称为闭蓄态磷。

我国土壤的全磷含量在0.02%～0.11%之间变动。其中北方土壤的全磷含量一般比南方土壤高，故我国土壤的全磷含量大体上从南向北有增加的趋势。如我国东北地区的黑土、白浆土全磷含量一般为0.06%～0.15%，而我国南方的红壤和砖红壤全磷含量一般为0.01%～0.03%。当然，由于受母岩以及耕作施肥等人为因素的影响，土壤磷素含量可以在不大的距离内和不长的时间中有明显变异。

土壤全磷含量的高低通常不能直接表明土壤磷素供应水平的高低，它是一个土壤潜在肥力的指标。但是，当土壤全磷低至0.03%以下时，土壤往往缺磷。

在土壤的全磷中，只有很少一部分是对当季作物有效的，称为土壤有效性磷。通常所说的土壤有效性磷并不具有特定的化学意义，它只是指用某种化学提取剂（或生物提取剂）所能提出来的那一部分磷。这一部分磷量只是一个经验性的、相对的数值，只有在这些数值经过必要的生物试验校正处理之后才具有指导施肥的作用。

近年来，随着产量提高，我国土壤缺磷面积不断扩大，原来那些对磷肥效果不大的地区表现出了严重缺磷的现象，如广大的黄淮海平原、西北黄土高原以及新疆等地都大面积缺磷。而原来缺磷的地区，由于长期施磷，磷肥效果下降，这主要是指华中、华南某些缺磷水稻土。华中、华南地区的中、高产水稻土，在一般情况下，随有机肥的施入，磷已可满足作物需要，而大面积的酸性旱地土壤以及部分低产水田，缺磷仍然是相当严重的。

③钾。和氮、磷不同，土壤中的钾全部以无机形态存在，而且其数量远高于氮、磷。对于大部分的土壤，钾存在于长石、白云母、黑云母等原生矿物中，少量存在于伊利石到蛭石之间不同分解程度的黏粒矿物中。长石和白云母中的钾一般很难被植物利用，而黑云母的钾在一定条件下可被植物利用，伊利石所含的钾则对植物有较好的有效性。一般把存在于黏粒矿物表面可以进行交换的钾和土壤水溶液中的钾之和称为速效性钾。

我国土壤的全钾含量也大体上是南方较低，北方较高。例如我国最南方的砖红壤区，土壤全钾含量平均只有0.4%左右，华中、华东的红壤则平均为0.9%左右，而我国北方包括华北平原、西北黄土高原以至东北黑土地区，土壤全钾含量一般都在1.7%左右，每100g土含交换性钾10～30mg。因此，我国缺钾土壤主要在南方，北方缺钾已有一些报道，应值得重视。

除去上述通常被称为“三要素”的氮、磷、钾以外，近年来土壤微量元素在农业上的作用日益显露。

所谓微量元素是指植物在生理上对这类元素需要量甚微，但它们仍然是植物生长发育所必需的养分。这些微量元素大多在土壤中的含量很少，但其中锰、铁等含量则较高。通常所说的微量元素是指硼、锌、钼、铜、锰、铁等。氯近来也被认为是一种植物必需的微量元素。

土壤中的微量元素大部分以硅酸盐、氧化物、硫化物、碳酸盐等无机盐的形态存在。在土壤溶液中有一部分微量元素以有机络合态存在。通常把水溶液或交换态的微量元素看作是对植物有效的。

土壤中微量元素供应不足，通常是由两种原因造成的：一种原因是土壤本身微量元素含量过低；另一种原因是虽然土壤中微量元素含量并不低，甚至相当高，但是由于土壤条件（主要是土壤酸碱度和土壤氧化还原条件等），使土壤微量元素的有效性降低而造成供应不足。在前一种情况下，必须补施微量元素肥料，而在后一种情况下，有时只需改变土壤条件，增加土壤微量元素的有效性，即可增加供应水平而纠正缺乏。这方面突出的例子有钼，其他如铁、锰也能有条件地增加其有效性。

我国土壤的含钼量为0.1～6mg/kg，平均为1.7mg/kg，一般我国北方土壤含钼量低于南方，但南方土壤大多呈酸性，使土壤钼的有效性降低。因此，我国南、北方都有缺钼的报道。

我国土壤的含硼量在0～500mg/kg之间，变化幅度很大，平均为64mg/kg。粗略地说，我国土壤的含硼量北方高于南方，滨海高于内陆。

我国土壤的含锌量在3～790mg/kg之间，平均为100mg/kg。土壤锌的供应水平除取决于锌的含量以外，还取决于土壤条件（主要是土壤酸碱度），这是因为在碱性条件下，土壤锌常呈难溶性盐类存在，大大限制了它对植物的有效性。所以缺锌土壤大多是石灰性土壤或施用石灰过量的土壤。

近年来，我国施用微量元素肥料的数量迅速增长，施用面积也高达数亿亩，最常用的微量元素肥料是锌、硼、钼、锰。

土壤中还有一些微量元素，虽然它们并不是植物生长发育所必需的，但有时可对植物和动物产生有利的或不利的影响。

硅：硅对禾本科植物，特别是水稻的生长在某种条件下可产生有利的影响，它可增加水稻的细胞硅化，从而增加水稻抗病虫害、抗倒伏的能力。因此，日本等一些水稻生产国家常在水稻上施用含硅物质（炉渣等），我国也有这方面的研究报道。

碘、钴、钠等元素：在畜牧业上比较重要，因为牧草中含有这些元素有益于动物健康。如土壤中缺乏这些元素会导致人和动物的某种疾病。还有报道表明，某些元素如在土壤中含量过高，则导致牧草中含量也高，如硒、铝、砷、氟等，导致对动物和人的危害。

也有报道说，土壤中的锂、锶、锡、钒等对作物生长有一些刺激作用。

2.作物的土壤营养环境

作物生长状况是土壤环境和作物生理特点的综合反映。作物的土壤营养环境包括物理环境、化学环境和养分环境。当然，生物在作物的土壤环境中也有重大作用。

作物的这三大营养环境相互影响、相互作用，有着极为复杂的相互关系，这些复杂的关系构成了土壤-植物生态系统的基本内容。以下简述这三大营养环境与作物生长的关系［8］。

（1）物理环境　土壤物理环境影响作物的水分和空气供应，也直接影响养分的供应和保蓄。

土壤由大小不同的颗粒组成，这些颗粒可以是无机的，也可以是有机的，也有相当数量是有机-无机结合的。这些颗粒的组合构成了土体的三相，即固相、液相和气相。一般肥沃的土壤，它的固相大体占整个土壤体积的50%以上。另外，不到1/2的体积是大大小小的空隙，这些空隙充满着水分（土壤溶液）和空气。

土壤固相部分有巨大的表面积。例如，每1m2耕层中，其中黏粒的表面积可以高达2.6×107m2。这样巨大的表面积，使得土壤具有一系列活泼的胶体化学性质。所以固相部分不仅是作物养分的潜在来源，而且决定着土壤对养分的吸附和释放等一系列反应。

土壤孔隙不仅承担着作物水分、空气的供应，孔隙本身也对作物生长有重要作用。例如，一个肥沃的土壤，必须含有相当数量的直径≥250μm的大孔隙，有了这些大孔隙作物根系才能顺利伸展。土壤中还应有不低于10%的直径≥50μm的中等孔隙，这些孔隙相互连通就保证了土壤良好的排水功能。此外，为了使土壤具有良好的水分保蓄性能，土壤中必须有不低于10%的直径为0.5～50μm的小孔隙。所以，土壤中孔隙的大小和数量决定着作物营养物理环境的一系列因素。

土壤孔隙的大小和数量也直接影响养分在土壤中的扩散。另外，空隙中的土壤溶液不仅是作物营养元素的直接来源，而且由于液体巨大的比热特性，还起着调节和稳定土壤温度的重大作用。所以，土壤物理环境也同时影响土壤的化学和营养环境。

（2）化学环境

①电荷特性。土壤黏粒的负电荷主要来源于黏粒四面体和八面体晶片中阳离子的同晶置换作用。在黏粒矿物中，凡离子大小相近，并且具有相同配位数的离子可以相互取代。例如，硅氧四面体中的四价硅（Si4+）被三价的铝离子（Al3+）取代，就产生一个多余的负电荷。而八面体中的Mg2+、Fe2+、Zn2+和Li+也可以取代晶格中的Al3+，从而产生多余的负电荷，这些负电荷与晶体外的阳离子相互吸引而达到电荷的平衡，这就是土壤的阳离子交换性能。因同晶置换作用形成的负电荷不因环境改变而增减，故称永久电荷。表1-15是我国主要土壤的负电荷和黏土矿物类型。

同晶置换作用主要发生在2∶1型的黏土矿物中，而土壤中1∶1型的黏土矿物如高岭土等，同晶置换作用很小，所以它的交换量很小。它们的少量负电荷主要来源于晶体边缘的断裂部分。这部分电荷可随环境（主要是pH环境）改变而变化，所以称为可变电荷。这部分电荷可以是负电荷，也可以是正电荷，主要依pH值条件而定，在特定条件下也可以不带电荷，这时的pH值称为电荷零点。

土壤中主要的可变电荷来源于土壤中的无定型矿物，包括大量的铁、铝氧化物。这些氧化物在土壤溶液中吸收水分子，水分子可解离为H+和OH-，当环境pH值高于电荷零点时，H+解离大（因H+被环境中的OH-中和为水），而氧化物上出现多余的OH-而带负电荷；当pH值低于电荷零点时，OH-解离多，而形成多余正电荷。

不同来源的电荷对阳离子的吸持强度不同，粗略地说，四面体的负电荷最强，八面体的次之，可变电荷的吸持能力最弱。

土壤阳离子交换性能决定着一系列与土壤肥力有关的性状，以至联合国粮农组织在土壤分类中把盐基饱和度作为土壤肥瘦的指标之一，如把饱和度大于50%的土壤列为较肥土壤（eutric soil），而饱和度低于50%的称为较瘦土壤（dystric soil）。

交换性阳离子的组成和饱和度在很大程度上影响养分的有效性，如交换性阳离子钙镁比一般应为3～5，如果小于3植物就可能缺钙，而磷的吸收也会被抑制。交换性钾的饱和度（EPP）如低于2%，就可能出现缺钾现象。而铝的饱和度大于30%时，就会使一些敏感作物中毒。而交换性钠如超过15%，土壤一系列性质受到破坏，土壤就变成碱土，等等。

土壤不仅带有负电荷（这是主要的），而且也带有正电荷，这就决定了土壤除阳离子交换性能外，还有阴离子交换性能，土壤阴离子交换性能在某种意义上比阳离子交换性能要复杂一些，因为它包括了专性吸附和非专性吸附。简单说来，专性吸附是一种配位交换的化学吸附，而非专性吸附则是由静电力引起的物理吸附，所以前者比后者强得多。如磷酸离子主要是专性吸附，而硝酸离子主要是非专性吸附。它们被土壤吸附的强度是很不相同的。硝酸离子在土壤中极易被淋失，是由它只能被土壤物理吸附造成的。这些因素都是在施肥中必须考虑的。

②土壤有机质。土壤有机质包括腐殖质和非腐殖质两大部分，后者主要由碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及低分子量的有机酸等成分组成，这些部分能比较容易地被微生物分解。腐殖质部分是土壤有机质的主体，但较难分解。它是由分子量从数百到数千的复杂有机化合物组成的，包括胡敏酸、富里酸和胡敏素。

土壤有机质一般含碳约50%、氮5%、磷0.5%，不同土壤有较大的变幅。由于腐殖质含有各种功能团，所以它有相当大的阳离子交换量，可为100～400cmol/kg，但通常为150cmol/kg。此外，它可以和多价阳离子（如锰、铜、锌等）形成配位络合物。所以土壤溶液中的大部分Cu和Zn是以可溶性有机络合物形式存在的。

土壤中95%以上的土壤氮素、20%～50%的土壤磷素都是以有机形态存在的，所以它在养分供应上也有重大作用。

③土壤酸度。土壤酸度除对养分有效性有巨大的影响外，其作为一个化学环境因素也对作物生长有较大影响。

例如从土壤化学角度说，土壤酸度过高，如pH值达到5～5.5，会使土壤中的铝、锰活性增加，活性铝、锰的增加将对作物生长产生一系列不良影响：a.过量的铝将影响根系的细胞分裂，严重影响根系正常发育；b.影响根的呼吸作用；c.影响某些酶的功能，这些酶能控制多糖在细胞壁上的沉积；d.增加细胞壁的硬度；e.影响作物对钙、镁、磷的吸收、运转和利用。

在这种情况下，即使养分的供应非常充足，作物仍然无法正常生长，所以调节土壤化学环境也是使施肥达到最大经济效益的重要因素。

通常消除铝、锰毒害最简易的方法是施用石灰，这是我国南方酸性旱地土壤施肥时必须考虑的措施。

土壤酸度也决定着土壤电荷的类型。

另外，土壤酸度也在很大程度上影响土壤中微生物的活动，从而影响到养分的一系列转化。例如，土壤过酸、过碱，都会严重影响微生物的活动，从而影响硝化作用的进行，而且在某些条件下会造成有毒的的积聚。

所以，土壤酸度是作物土壤营养中的主要化学因素，考虑到这些化学因素才能使施肥更为合理有效。

综上所述，对作物化学环境产生重大影响的3个因素是土壤黏粒、土壤有机质和土壤酸度。

（3）养分环境　土壤养分即使在施肥的情况下也起着重要作用。据粗略估计，在一般施肥情况下，中等产量水平时，植物吸收的氮中有30%～60%、磷中有50%～70%，钾中有40%～60%是来自土壤。当然不同作物、不同施肥量和不同土壤有很大变幅，但从上述粗略估计中已可看到土壤养分环境对作物营养的重要作用。长期试验证明，在有丰富储备的土壤与贫瘠土壤施用同量的肥料，前者更容易达到高产。

土壤的养分环境取决于养分的总量和其中有效部分，后者对当季作物的养分供应起重大作用，而前者则代表土壤养分的供应潜力。

土壤养分总量和一季作物的需要量相比要大得多，例如，我国中等肥力的土壤，其养分含量假定能被全部利用，每亩耕地的土壤氮可供年产500kg的作物利用15～30年、磷可供利用30～45年、钾可供利用140～300年。当然全部被利用是不可能的，但从以上数字可以看出土壤养分的巨大储备。但是，对当年作物来说，只有土壤中有效的部分才是有意义的。一般土壤中，这一部分所占比例很小，例如土壤中的有效氮只占全部氮的0.05%以下，有效磷、钾通常只占0.03%～0.05%，甚至更低。表1-16中列出了几种土壤养分总量、有效量和作物吸收量的大概范围。

注：本表部分数据引自《中国化肥区划》。1亩≈666.7m2，下同。

近代研究已经明确，作物主要是从土壤溶液中吸取养分。固相部分的养分一般需要先进入土壤溶液才能被作物利用。因此，土壤养分环境的基本标志之一是土壤溶液中的养分水平，它是土壤养分供应的强度因素。良好的养分环境要求土壤溶液中的养分浓度（活度）能达到最适水平，这一水平对于不同作物是不同的。

土壤养分环境第二个最佳条件是土壤养分的缓冲能力。由于土壤溶液中养分的浓度在一般情况下都是比较低的，尽管它可能已经达到最适水平，但在作物吸收而消耗了部分养分之后，为了避免养分浓度下降，土壤必须有能力迅速补给这一部分被吸收的养分，而使土壤继续保持在最佳的养分浓度水平，这一能力就是土壤的养分缓冲能力。

土壤的这种缓冲能力取决于固相中的与液相处于平衡的养分数量，这一养分称为养分供应的数量因素。

从作物的土壤营养观点看，养分的有效性还受其他离子存在的影响，即作物对某一养分的利用受其他养分离子的巨大影响，这些影响可以是相互促进的（协同作用），也可以是相互排斥的（拮抗作用）。这些作用随作物、土壤以及环境条件不同而不同。现将主要养分离子的交互作用列于表1-17。

注：A—拮抗作用；E—协同作用；——资料不足或相互作用较复杂。

（五）土壤养分的供应能力是农业生产可持续发展的条件

1.土壤养分供应的强度因素

土壤养分供应的强度因素可以简单理解为土壤溶液中养分的浓度（活度）。土壤溶液严格讲是不均匀的，它在不同的土壤空隙中的浓度可能有所不同。另外，根际土壤和整个土体的养分浓度也是不同的。

（1）土壤溶液中一般的养分浓度范围　土壤溶液的养分浓度和组成受土壤含水量影响，水分含量高时浓度低些，土壤变干时浓度增加。因此，土壤溶液养分浓度是以在饱和水的条件下为标准的。

土壤溶液的浓度受土壤性质的巨大影响，但在大多数土壤中不同养分的浓度有以下规律：一般土壤溶液中磷的浓度最低，钾、镁次之，而钙一般浓度较高。表1-18是美国土壤的例子。

欧洲土壤的大概浓度范围如下。

磷：0.015～0.03mmol/L。

钾：0.1～1mmol/L。

镁：0.5～1mmol/L。

钙：1～10mmol/L。

我国对土壤溶液养分离子浓度的研究几乎是空白，曾对太湖地区主要类型土壤做过一些初步测定，结果列于表1-19。

从表1-19中可以看到，在这些不同肥力土壤上养分浓度有以下范围。

钙：4.11～6.06mmol/L。

镁：1.79～7.39mmol/L。

磷：0.0012～0.0030mmol/L。

钾：0.09～0.25mmol/L。

虽然上述数字只是少数土壤，但也看到这些养分的浓度均在一般土壤范围之内，其中磷、钾含量和欧美土壤相比都偏低一些。

（2）植物生长的养分最佳浓度

①氮。由于大多数研究偏重于旱作土壤，所以土壤溶液中氮的浓度主要是指的浓度。在水培时，溶液中氮素浓度一般保持在10～15mmol/L之间，这相当于140～210mg/kg。这一浓度可以看作是作物营养的最佳氮素浓度。但在不同土壤条件下作物营养所需的最佳浓度有所不同。对大多数作物，最佳氮素浓度大体在5～15mmol/L范围内（按计则为70～210mg/kg）。浓度过高，可能对磷的吸收有一定抑制作用（NH3-N则对磷吸收有促进作用）。为了避免过高，一些研究者认为，对玉米和小麦，最佳的浓度应在100mg/kg左右，在含盐土壤上，可能会由于作物蒸腾作用或干旱使根际的盐分浓度成倍地增加。所以，土壤溶液中浓度也不应高于100mg/kg。

②磷。在这方面的研究较多，但是不同作者所得结果有较大差异。

英国的研究者认为，土壤溶液中磷的浓度可粗分为以下等级：磷浓度为3mg/kg时，可以充分满足作物需要；磷浓度为0.3mg/kg时，多数作物均能满足需要；磷浓度为0.03mg/kg时，多数作物会感到磷的供应不足；磷浓度为0.0003mg/kg时，作物将感到极度缺磷。

上述分级大体是正确的，当然在水稻土的情况下，这一分级就显得偏高。以下是不同作物最佳磷浓度的一些研究结果［24］：水稻，0.1mg/kg；小麦，0.3mg/kg；大麦，0.1mg/kg；甜玉米，0.13mg/kg；谷子，0.07mg/kg；牧草，0.2～0.3mg/kg；玉米，0.06mg/kg；甘薯，0.1mg/kg；莴苣，0.4mg/kg；花生，0.01mg/kg；大豆，0.2mg/kg；番茄，0.2mg/kg。

很明显，这一最佳养分浓度受一系列性质的影响，特别是土壤质地（土壤缓冲能力）的影响。如大麦在不同质地土壤上的最佳磷浓度是：黏土，0.10mg/kg；粉砂黏壤土，0.16mg/kg；细砂壤土，0.35mg/kg。

由此可知，在质地轻的土壤上，临界值要高得多，这是因为轻质土壤养分的缓冲能力小。这也是文献上不同作者所得结果有较大差异的原因之一。

由于磷位也是磷素供应的强度因素，它实际上也取决于土壤溶液中磷的浓度。磷位与作物生长关系见表1-20。

②括号外数字为磷活度，mol/L×10-6；括号内数字为。

从表1-20中结果可以看出，对于麦类作物，所得结果与前述数字相当接近，同时也证实了马铃薯对磷的要求特别高。

③钾。对大多数作物来说，土壤溶液中钾浓度保持在20mg/kg时，即可充分满足作物需要。当然不同作物有很大差异，但当土壤溶液钾浓度<20mg/kg（5×10-5mol）时，大多数作物将感到缺钾。

2.土壤养分供应的数量因素和缓冲能力

（1）数量因素在土壤养分供应上的意义　由于土壤溶液中养分的浓度和作物需要量相比是很少的，特别是对于磷、钾来说，在肥沃土壤中，土壤溶液中磷的浓度也只有0.03～0.3mg/kg。那么，每15亩土壤耕层中，土壤溶液中的磷量也只有0.003～0.03kg。而在一般中等产量时，作物约需要（按磷计）20kg/15亩，如果作物单纯依靠土壤溶液中的磷，磷的浓度不仅要剧烈下降，而且很快就会被消耗殆尽。但在上述情况下，作物一般都能得到磷的充分供应，这是因为一旦土壤溶液中磷被吸收，固相养分会很快补充进去而大体保持磷浓度的稳定。如果土壤溶液磷为0.02kg/15亩（这是磷素水平很高的土壤），作物一季每15亩需磷20kg，那么，这意味着土壤溶液磷在一季作物生长期中，要全部更新1000次。如果作物生长期为100d，那么，土壤溶液中磷每天要更新10次。从这里可以看到，土壤养分供应不仅取决于土壤溶液的养分浓度（强度因素），而且还取决于固相养分及其在固、液相间的平衡。这种与液相养分处于平衡状态的养分，可在液相养分被植物吸收或因其他原因减少时，很快进入溶液，这一养分的总量称为土壤养分供应的数量因素。因此，不同土壤，尽管它们具有同样的强度因素，如果固相养分的数量因素不同，它们的养分供应能力也是不同的。但是由于土壤性质极为复杂，至今还没有一个比较令人满意的办法来定量地测定这个数量因素。目前常用的方法有同位素测定法、生物提取法、化学提取法（包括树脂法），以及常用的有效磷、钾的测定法。但这些方法只能近似地测定土壤的数量因素。也有人用Langmuir方程中的最大吸附量作为数量因素，很显然，等温吸附对磷来说只是部分可逆的，所以这些方法都有一定缺点。

（2）土壤养分的缓冲能力（Q/I）　土壤养分供应的强度因素和数量因素已如前述，如果把两者作图（以钾为例）则可得到如图1-1的形状。

图1-1中横坐标为强度因素（I）（在本例中为钾位ARK），纵坐标为数量因素（Q）（本例中为土壤交换性钾的吸附或解吸量ΔK）。因此，直线的斜率为（ΔK为交换性钾，为ΔK=0时的ARK），即ΔQ/ΔI，这就是土壤养分供应的缓冲能力（简写为），在I以养分位表示时，简写为PBC。

土壤养分的缓冲能力就是土壤养分强度因素变动一个单位，数量因素变动的数量。也就是由于植物吸收而使土壤溶液中养分浓度（或养分位）减小时，土壤保持溶液中养分浓度的能力。例如有两个土壤，它们具有不同的缓冲能力：

当I减少同一数量时，即ΔI1=ΔI2时，ΔQ1>ΔQ2。也就是当植物从这两种土壤中吸走同样数量的养分后，缓冲能力大的土壤将有更多的养分转入溶液，从而具有更大的保持溶液养分浓度的能力。换句话说，当植物从土壤溶液中取走相同数量的养分后，缓冲能力大的土壤溶液中，养分浓度的降低要比缓冲能力小的土壤小得多。正是由于这一原因，不同缓冲能力土壤所需最佳浓度也会不同。图1-2说明，随着土壤钾缓冲能力的增加，最佳养分浓度临界值降低。但是当缓冲能力增大至某一数值后，临界值即不再下降。这一现象，在磷素供应研究中也得到证实。

另外，从Q/I关系中还可知道，具有不同缓冲能力的土壤，为了保持同一临界浓度，所需的土壤养分数量因素也是不同的（图1-3）。

图1-3是不同土壤对磷吸附的等温线。从图中可以看到，在灰壤中，要使土壤溶液的浓度达到最佳浓度A，所需加入的磷量（磷的吸附量）要比红壤小得多。也就是说，红壤对磷的缓冲能力要比灰壤大得多。因此，可以通过磷的等温吸附线来测定不同土壤的磷肥需要量，这一方法曾得到广泛的关注。据试验，这一方法所得结果通常远远高于用其他方法得到的数值。这一方法和其他方法比较起来，可能具有更多的理论意义，而其他大多数方法常常是经验性的。

上述关于土壤养分供应能力的理论，主要应用于磷、钾并在某种程度上应用于。对于的供应是不适用的。因为土壤中氮绝大多数是有机态的，而基本上不被土壤吸附，也不具备缓冲能力［8］。

二、土壤的环境质量

（一）土壤环境质量的定义和状况

1.土壤环境质量定义

土壤环境质量是土壤质量的重要组成部分，是描述土壤环境“优劣”的一个概念，它与土壤遭受外源物质的侵袭、累积或污染的程度密切相关，总之，土壤环境质量是土壤容纳、吸收和降解各种环境污染物质的能力。

2.土壤环境质量状况

（1）背景状况　背景状况是土壤在自然成土过程中所形成的固有的环境状况，其中一个重要的指标就是土壤元素背景值，它是在不受或少受人类活动影响和现代工业污染与破坏的情况下，土壤原来固有的化学组成和结构特征。事实上，由于人类对环境的干扰越来越大，目前要找到一个绝对没有遭受人类影响的土壤非常困难。所以，一般所指的背景值只是一个相对的概念，即表观背景浓度。表观背景浓度是指在某一特定时间点上，一个地区或区域范围内一类土壤物质的特征浓度。它是土壤环境质量的一个重要指标，代表土壤环境质量的背景状况。

（2）外来污染物的累积状况　外来污染物的来源大体上可分为天然来源和人为来源两类，天然来源是指自然界向环境排放有害物质或造成有害影响的状况，此种状况一般称为自然灾害，如正在活动的火山。人为来源是指人类活动所形成的污染源，其中化学物质对土壤的入侵是人们最为关注的研究对象。按有害物质侵入土壤的途径可分为污水灌溉、污水处理厂污泥的利用、农药和化肥的施用、大气沉降物等；按有害物质的种类可分为有机物、无机物、有害生物种群和放射性物质。

土壤中有害物质的含量已超过背景值称为累积，但是累积不等同于污染。累积只能表明与背景值的差异程度。土壤中有害物质的累积程度代表了土壤环境质量的“优劣”状况。

（3）污染状况　土壤污染定义目前尚不统一，陈怀满在1996年曾对土壤污染的定义做过归纳：一种认为，由人类的活动向土壤添加有害化合物，此时土壤即受到了污染，可视为“绝对性”定义；第二种定义是以背景值加2倍标准偏差为临界值，若超过这个数值，即认为该土壤为某元素所污染，这可视作“相对性”定义；第三种定义不但要看含量的增加，还要看后果，即加入土壤的物质给生态系统造成的危害，此时才能称为污染，这可视作“综合性”定义。作者认为土壤污染的定义应由土壤应用功能、保护目标和土壤主要性质决定，不能一概而论。例如对于农田土壤，土壤类型的复杂性、种植作物种类的多样性、有害物质的差异性等多种影响因素，均是定义一个地区或区域范围的农田土壤是否已受到污染的要素。只有在作物种类、土壤类型、有害物质均已确定的前提下，土壤中有害物质超过了安全“临界值”，同时农产品中有害物质超过食品安全“限量值”，或因污染而减产时，才称土壤被污染。所以土壤的“临界值”和食品安全“限量值”是定义土壤污染的重要参数。

（二）影响土壤环境质量的因素

1.污水灌溉

污水灌溉是指将城市生活污水、工业废水或混合污水直接用于农田灌溉，虽然近年来各地建立了许多污水处理厂，但污水处理的效率并不高，处理后的水质达到灌溉水质标准的比率也不理想，但是由于我国缺水严重，利用污水灌溉农田仍是普遍现象。污水灌溉的后果使一些灌区土壤中有毒有害物质明显累积，农作物生长受到严重影响，严重地区农田土壤已达污染程度，农产品有害物质已超过食品卫生规定的限量值，土壤已不适宜种植可食用的农作物，其环境质量处于污染状况。

2.污水处理厂污泥的利用

将城市污水处理厂的污泥作为肥料使用是固体废弃物利用的主要途径。由于污泥中含有一定的养分，因而可作为作物肥料使用，城市生活污水处理厂的污泥含有氮、磷、钾和有机质等养分，适宜作为肥料使用。但是，城市的工业废水处理厂的污泥，其成分较生活污泥要复杂得多，特别是重金属含量很高；此外，如石化、炼焦、医药、化工等企业的废水处理后的污泥中可能含有各种难降解的有机污染物质，如有机氯、多氯联苯、多环芳烃等。我国的现状是在大多数城市中，生活污水和工业废水未能分开处理，而是作为混合废水统一处理，这样得到的污泥含有多种有毒有害物质，不适宜作为肥料使用。然而，由于过去多年的使用已使农田土壤环境质量下降，污染物达到一定程度的累积，严重地区可能已达污染状况。

3.农药和化肥的施用

使用农药防治病虫害，保护作物生长，提高产量，这是毋庸置疑的事情，但是，由于农药的使用量极难严格控制，会有相当数量的农药残留在土壤中，尤其是那些难降解的长效农药，如有机氯，所以，使用农药的副作用就是增加了土壤中的有害物质数量。化肥的使用是必需的而且也是非常必要的，提高作物的产量和品质的正面效果是为人们所公认的，但是，过量地使用化肥所带来的负面效应却又是无法避免的，如使土壤养分失调，土壤中过量的氮有的直接挥发进入大气，有的经微生物作用转化为氮气和氮氧化物进入大气，可能破坏臭氧层；有的随地表径流和地下水排入水体，使地下水源受氮污染；河川、湖泊、海湾的富营养化使藻类等水生植物生长过多。磷肥的使用更应谨慎，因为磷矿的矿渣经常作为磷肥来使用，而磷矿中重金属镉的含量较高，所以镉在土壤中的累积应引起重视。此外，含有三氯乙醛的磷肥属于有毒磷肥。这是因为原料中的三氯乙醛进入土壤后转化为三氯乙酸，两者均可对植物造成毒害，关于由此而造成的作物大面积受害的情况屡有发生。综上所述，对农药和化肥的施用对土壤环境质量的影响必须给予高度重视，严格控制难降解农药的施用，逐渐推广高效低毒农药的应用；控制化肥的施用量，逐渐推广精准施肥、增加农家有机肥施用量，减少化肥的施用量。

4.大气沉降物

大气沉降物主要是指大气中的飘尘，而在飘尘中有害的主要是金属飘尘。金属飘尘是在交通繁忙的大城市，汽车尾气和工厂废气排放中含有金属的尘埃进入大气而形成的飘尘；土壤表层的微细颗粒随风力进入大气形成的飘尘中也含有各类微量重金属。我国京津冀地区大气污染严重，空气中的PM2.5严重超标，科学证明，微尘中主要的有害物质是重金属。大气飘尘自身降落或随雨水降落均有可能直接接触作物且部分停留在叶面上，被叶面吸收或进入土壤后被作物根部及动物吸收。显然，在大气污染严重的地区，金属飘尘的沉降对作物的危害和土壤环境质量的影响是不可忽视的，尤其是在我国南方地区，大部分土壤属于酸性土壤，又经常出现酸雨天气，酸沉降本身就是土壤的污染源，加上大气飘尘的降落，不仅使土壤进一步酸化，还加重了其他有毒物质的危害。在酸雨的作用下，土壤养分淋溶，肥力下降，作物受损，土壤结构也受到破坏，造成土壤环境质量恶化，破坏土壤生产力的严重后果更值得高度关注。

当前，我国大气污染严重，雾霾笼罩，PM2.5超标普遍，在京津冀地区尤为严重，环境质量的恶化对人体健康的危害程度日趋严重，所以，治理大气污染无论是对土壤环境还是对人类的生存环境来说都是刻不容缓的任务。

（三）农业生产对土壤环境质量的要求

1.农业安全生产的目标

农业安全生产的目标极为明确，就是生产出优质、高产的农产品，满足人类生存的需要。

（1）产量安全目标　产量安全就是数量安全，是指有足够的食品满足人类的需求。不同作物的产量不同，同一种作物因品种不同产量差异也很大，当然，这里的产量是在土壤的肥力质量和土壤环境质量一定的前提下进行比较的。所以，研究新品种、提高产量是人类永远的研究课题。

（2）质量安全目标　优质的食用农产品是农业生产的追求，质量安全是指营养质量和安全质量，安全质量是指有害物质的含量不影响人体健康而规定的界限，即食品卫生标准的限量值。

2.保障农业安全生产土壤环境质量指标

（1）产量指标　将农作物产量（主要指可食部分）减少10%时的土壤有害物质的浓度作为有害物质的最大允许浓度。

（2）安全质量指标　即当作物可食部分某有害元素的含量达到食品卫生指标的限量时，相应土壤中该元素的含量为最大允许浓度。

（3）微生物与酶学指标　当微生物数量减少10%～15%或土壤酶活性降低10%～15%时的土壤有害物质的浓度为最大允许浓度。

（4）环境效应指标　包括流行病学法和血液浓度指标，对地面水、地下水及其他环境要素的影响限量等。

上述各项指标均是保障农业安全生产所要求的土壤环境质量指标，重要的是产量和安全质量两项指标。产量指标的制定比较容易，因为方法比较成熟，仅考虑由于有害物质的存在导致产量减少而人为规定即可。但是安全质量指标是复杂的，它的确定需要一定的试验方法，如盆栽试验、小区试验、建立土壤中有害物质含量与农产品（可食部分）含量的剂量-效应关系、建立相关的数学模型，并以食品卫生标准的限量值计算出土壤中该有害物质含量的最大允许浓度。而这个最大允许浓度或称安全临界值是与作物种类、土壤类型和有害物质种类密切相关的。刘凤枝（2005年）利用盆栽、小区试验，分别在棕壤、潮土、黄泥土和红壤土上种植水稻，观察到重金属镉的剂量变化对糙米中镉含量的变化的剂量-效应关系的相关性非常好，计算得到重金属镉在不同类型土壤中对水稻的安全临界值是不同的，并且差异较大。这充分地说明了同一种类的作物对不同类型的土壤所要求的环境质量是不同的。所以，农业生产对土壤环境质量的要求应具体到在作物的种类、土壤的类型和有害物质的种类上作出明确的规定才能对农业安全生产具有实际的指导意义。

3.制定土壤环境质量标准

土壤环境质量的“优劣”是农业能否安全生产的关键，保持良好的土壤环境质量是农业生产可持续发展的前提，所以，必须制定一部《农田土壤环境质量标准》以达到农业的安全生产和可持续发展的目的。我国现有的《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）已不能适应当前的需要，国家环境保护部于2009年9月发布了公开征求对土壤环境质量标准修改意见的公告，决定对国家标准《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）进行修订。

作者认为应制定一部《农田土壤环境质量标准》，规范农业生产对土壤环境质量的要求，该标准应包括以下主要内容。

（1）依据种植作物的种类制定土壤环境质量标准　我国大田作物主要为水稻、小麦、玉米和高粱，应分别制定土壤环境质量标准。

（2）确定农田土壤中有害物质的种类　原有国家标准GB 15618—1995中有害物质只有8种重金属和2种有机氯农药（HCH和DDT），项目少，应增加难降解的有机化合物等。

（3）制定土壤中有害物质的最大允许浓度或安全临界值　由于各种有害物质的最大允许浓度或安全临界值与作物种类和土壤类型密切相关，所以应对不同作物种类和不同土壤型的各类有害物质分别制定。

（4）根据有害物质的累积程度划分土壤环境质量等级　因为土壤环境质量的状况分为三级，即背景状态、累积状况和污染状况，而累积状况又是土壤环境质量现状的主要状态，所以应根据有害物质的累积程度，将土壤划分为背景级、轻度累积、中度累积、重度累积4个等级。

（5）根据有害物质的最大允许浓度或安全临界值划分土壤环境质量等级　根据土壤中有害物质的含量小于、等于、大于最大允许浓度或安全临界值将土壤划分为安全、风险、污染3个等级。

4.制定土壤环境质量评价方法

（1）制定土壤环境质量累积性评价方法　用累积指数法（累积指数即有害物质的测定值与背景值之比）评价土壤有害物质的累积程度并划分土壤的累积等级。

（2）制定土壤环境质量适宜性评价方法　用适宜性指数法（适宜性指数即有害物质测定值与最大允许值或安全临界值之比）评价土壤环境质量对作物的适宜程度并划分土壤适宜性等级。