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  土壤肥料学 (肥料部分) 资源与环境学院 刘春生第一章 肥料学基础知识 肥料是植物的粮食,是农业生产的基础资料之一,要实现农业生产的优质高效及农业的可持续性发展,需要合理施肥,培肥土壤,也就需要了解作物的营养特性及肥料方面的专门知识,因而需要学习肥料学。 一、肥料学的基本概念及研究内容 (一)基本概念: ★ 肥料学是研究植物营养与肥料施用的科学。 ★ 直接或间接供给作物所需养分,改善土壤 性状,以提高作物产量和改善作物品质的 物质,都可称为肥料。 (二)肥料学的内容 1、植物营养与施肥原理 植物体的组成成分; 植物正常生长发育需要的营养元素种类; 植物对养分的吸收及影响吸收的环境条件; 介绍矿质营养学说,最小养分律等施肥原理。 2、肥料部分 ★ 各种肥料的成分、性质; ★ 肥料施入土壤中的变化、被吸收的形态; ★ 肥效的维持时间。 ? 按作用把肥料分为直接肥料和间接肥料: ?直接肥料为直接营养作物的肥料,如氮、磷、 钾化肥。 ?间接肥料为通过改善土壤的水、肥、气、热状 况达到营养作物目的的肥料,如石灰、石膏。 ?有机肥为二者作用都有的肥料。 按组成可把肥料分为三大类: 铵态氮肥:NH3.H2O NH4HCO3 (NH4)2SO4 氮肥 硝态氮肥:NaNO3 Ca(NO3)2 NH4NO3 酰胺态氮肥:CO(NH2)2 水溶性磷肥:过磷酸钙 重过磷酸钙 磷肥 弱酸溶性磷肥:钙镁磷肥 沉淀磷肥 化学肥料 难溶性磷肥:磷矿粉 骨粉 钾肥:硫酸钾 氯化钾 微肥:ZnSO4 Na2B4O7. H2O CuSO4 FeSO4.7H2O 肥料 化成: 磷酸二氢钾 磷酸氢二铵 复合(混)肥: 混成: 各种作物专用肥 生物肥料:磷细菌肥 生物钾肥 固氮菌肥 有机肥料:人畜粪尿 厩肥 绿肥 杂肥 3、计量施肥与施肥技术 根据作物的养分平衡原理,土壤的肥力水平或其肥料的效应函数,计算预计产量的施肥量。 肥料的施用方法及有效施用技术。 二、肥料学的研究方法 1、调查研究:总结科学施肥、积肥的经验,科学解决存在的问题而进行生产指导。 2、试验研究 生物试验:田间试验:小区进行 培养试验:网室、温室的砂培、水培 化学试验:常规分析:土壤、肥料的N P K … 化学速测:营养诊断 生物物理试验:利用15N 、32P …等示踪肥料 ,研究肥料的吸收利用规律 # 第二章 植物营养 第一节 作物生长发育必需的营养元素 第二节 作物矿质营养的基本特点 第三节 作物对养分的吸收 第四节 影响作物吸收养分的环境条件 第二章 作物营养 作物生长发育从环境中吸收营养物质,施肥是满足作物营养的手段。要合理施肥,就要研究作物需要什么营养元素,作物怎样吸收这些元素以及受哪些环境条件的影响? 第一节 作物生长发育必需的营养元素 一、作物体内元素组成及含量 水分 75%-95% 新鲜作物 C(1)H(3) O(2)N(4) 95%-99% 干物质 ( 5%-25%) 灰分元素Ca K Si P S Cl Al Na Fe… (1%-5%) ★灰分元素:将作物干物质进行煅烧后,C H O N以气体形态挥发(气态元素)残留下的不挥发的物质称灰分,灰分中的元素称灰分元素。 ★ 植物体中元素有七十多种,含量相差很大,这与: 植物的种类有关,如:盐生植物含钠多、豆科植物含氮多、水稻含硅多,马铃薯、甜菜含钾多; 环境有关,如:红壤土上的植物含铝多;施肥可以增加植物体内该元素的含量。 二、作物必需的营养元素 自然界的元素在植物体内几乎都能找到,但并非全部必需。可以用除去某一元素的营养液进行培养试验,通过作物生长和发育的情况判断。D.I.Arnon和P.R.Stout 1939年提出了判断植物必需营养元素的三条标准: 1.缺少这种元素,作物生长发育受阻,不能完成生活周期。 2.缺少这种元素,作物出现某些特定症状,只有补充该元素才能恢复正常或预防。 3.该元素在植物营养生理上表现出直接的效果,而不是改善了植物生长的环境条件而 产生的间接效果。 目前认为植物必需营养元素有16种 (大量元素9种,微量元素7种): 大量营养元素 主要吸收形态 主要来源 在干物质中的含量(%) C CO2 大气 45 H H2O 土壤水 45 O CO2 O2 大气和土壤空气 6 N NH4+ NO3- 土壤 1.5 P H2PO4- HPO42- 土壤 0.2 K K+ 土壤 1.0 S SO42+ 土壤 0.1 Ca Ca2+ 土壤 0.5 Mg Mg2+ 土壤 0.2 微量营养元素 种类 吸收形态 含量 主要来源 Cl Cl- 0.01 土壤 Fe Fe3+ Fe2+ 0.01 土壤 Mn Mn2+ 0.005 土壤 B BO33- B4O72- 0.002 土壤 Zn Zn2+ 0.002 土壤 Cu Cu+ Cu2+ 0.0006 土壤 Mo MoO42- 0.00001 土壤 十六种必需的营养元素不能缺少,但不一定都需要通过施肥补充。 C H O: 过去认为大气中取之不尽,用之不竭。 现在保护地施CO2肥 : 2NH4HCO3+H2SO4 (NH4)2SO4+2CO2+2H2O N P K: 土壤中含量少(相对),作物需要多,需施肥补充 , 称肥料三要素。 S Ca Mg: 北方土壤一般够用,施磷肥时有所补充 Fe Mo Cu Zn B Mn Cl: 一般土壤够用,但随产量提高需补充Zn B Fe等。 三、必需元素的作用 1、构成作物活体的结构物质及生活物质: C H O N S Ca Mg 如纤维素、半纤维素、木质素、果胶等 蛋白质、氨基酸、核酸、脂类、叶绿素等 2、加速作物体内代谢 : Zn Cu Mn Cl Mo B Fe Ca Mg K…. 是酶的辅基或活化基 3、对作物具特殊功能的元素: K Ca Mg …. 调节渗透势,增强抗逆性 四、营养元素的同等重要性和不可替代律 作物必需的营养元素有十六种,它们含量相差几十到几十万倍,但它们对作物所起的作用是同等重要和不可替代的。氮不能代替磷,磷不能代替钾。 各种营养元素既具有各自的生理功能、不可替代,又需要相互协调,有适当的配比,生产上可见到单施氮肥或单施磷肥的增产效果不如二者配合的好。即:两种元素配合施用的增产效果大于这两种养分分施的增产之和,这叫交互作用(连应效应) 。 第二节 作物矿质营养的基本特点 一、不同作物的营养特点 1、数量:作物需16种必需元素是通性; 但作物不同所要求的数量不同: 块根、块茎类作物如:马铃薯、甘蔗需钾多; 以收获叶子为主的蔬菜、茶、桑需氮多; 豆类作物能固氮,需氮少,需磷、钾多; 油菜、甜菜需硼多; 大豆、马铃薯需钙多; 水稻需硅多。 2、比例:各种作物对不同营养的要 求有一定适宜比值,如: Ca/B : 甜菜100 大豆500 烟草1200 Fe/Mn : 大豆1.5-3.5 小麦2.5 K/Mg

  8 烟草缺镁症 P/Zn

  400 马铃薯缺锌 作物每生产100斤籽粒需N:P2O5:K2O约为3:1:3斤。 3、形态:作物营养特性不同,对营 养元素的形态有特殊要求 ?马铃薯:以NH4+_N为好,马铃薯喜S,施氮肥应优 选 (NH4)2SO4,不宜用NH4Cl。 ?忌Cl作物:茶、烟草、柑桔、甜菜、甘薯、甘 蔗、 葡萄等。 ?甜菜: 以NO3-_N为好,因喜Na+,施用氮肥优选 硝酸钠。 ?烟草: 硝酸根有利燃烧,NH4+促进芳香族挥发油 形成 (香味),优选NH4NO3。 ?水稻: 优选NH4Cl,因S形成H2S毒害根系,Cl- 抑制亚硝化细菌的活性。 反硝化 NH4+ NO2- HNO3 HNO2 N2 N2O 挥发 亚消化细菌 硝化细菌 流失 氯离子抑制反硝化作用示意图 ?油菜、萝卜、大豆、田菁:对难溶性磷 肥利用力强,小麦、谷子差。 二、作物体内矿质养分的运转与分配 少部分根利用 根吸收养分 多数以离子、氨基酸、酰胺、己糖磷酸脂形式进入茎中柱导管 叶肉细胞利用 地上各部分 少量随光合产物通过叶脉 筛管 叶柄 茎 根 ?在上述养分循环中,优先分配于代谢旺盛,合成能力和长势强的生长中心。 如:分蘖期增加分蘖数,拔节期增 加有效分蘖。 ? 营养元素不足时,新形成的生长中心会摄取前一个生长中心的养分。 如:开花期氮不足,会摄取茎叶养分,使茎叶早衰。 ★ N P K Mg:易运转,可再利 用力强,缺素症易表现在老 叶上。 ★ Ca Fe Mn B:难运转,再利 用力差,缺素症易表现在新 叶上。 三、作物营养的阶段性和连续性 作物营养的阶段性:作物的生育期不同,所要求养分的数量和比例不完全相同。各生育期有不同的营养特点,就是作物营养的阶段性。 两个关键时期:作物的一生中苗期吸收养分少,随生育进展,对养分吸收增加,结实期达高峰,以后吸收减少甚至外渗。有两个施肥的关键时期: 作物营养的临界期: 作物生长发育过程中的某一时期对某种养分要求的绝对数量虽不多,但很迫切,这时养分过多或过少,对作物的生长发育起显著的不良作用,这个时期称作物营养的临界期。 NPK营养的临界期: 磷:冬小麦: 分蘖始期 玉米: 三叶期 棉花: 2-3叶期 氮: 冬小麦: 分蘖期 玉米: 幼穗分化期 棉花: 现蕾初期 钾:水稻 : 分蘖期 植物营养的最大效率期: 作物生长快,吸收养分多,施用肥料能产生最大效能的时期。 氮: 玉米 :大喇叭口-抽穗期 棉花:盛花期 油菜、大豆 : 开花期 作物营养有各自的阶段性,但各生育期又是连续的,前阶段的营养状况直接影响后一阶段的施肥数量和时期,所以应相互联系,灵活运用。 第三节 植物对养分的吸收 一、根部对养分的吸收 根是作物吸收养分的主要器官,吸收最集中的部位在根毛区。 吸收形态: 离子态:NO3- NH4+ HPO42-… 分子态:尿素 AA 生长素 CO2… (一)土壤养分向根表的迁移 1、截获:植物根系与土壤中各养分直接接触时获取养分的方式。 影响元素:根系体积、养分浓度 因根系与土壤所占体积相比,一般只有1%-4%,该方式获取养分较少。 2、扩散:土壤中的养分离子从高浓度向低浓度的运动叫扩散。 影响因素:浓度差、土壤湿度、扩散系数 扩散系数单位:cm2/s×10-5 不同养分离子的扩散系数: 养分离子 水中 湿润土壤 NO3-_N 1.92 0.5 Cl- 2.03 0.5 K+ 1.98 0.01-0.24 PO43- 0.89 0.00001-0.001 3、质流:土壤中养分离子随水流动到达根表的过程叫质流。 与植物蒸腾作用有关;与离子浓度有关,但不成正比。 质流、扩散和截获这三种方式是同时存在并相互作用的。 ? 磷以扩散为主,氮、钙、镁以质流为主;铜、锰、铁、锌主要是扩散; ? 硼以质流和扩散各占一半; ? 钼含量低时以扩散为主,含量高时以质流为主。 (二)根部对无机态养分的吸收 1、被动吸收 特点: 不需能量,无选择性,顺浓 度梯度进行。 (1)道南扩散 离子通过质流、扩散、或截获进入根细胞的自由空间(壁与膜之间,包括胞间连丝)。 自由空间离子不断扩散,紧靠细胞膜的离子以交换吸附方式吸附在细胞膜上,不易扩散出(道南空间) 。 道南空间的养分离子通过与细胞膜上的阳离子交换进入膜内,但必须是顺浓度差进入。 (2)离子交换 H+ K+ 根 H+ + K+ Ca2+ NH4+ 根 Ca2+ +4H+ H+ NH4+ H+ H+ H+ 根系与土壤溶液中的阳离子交换示意图 NH4+ 根 CO2+H2O H++HCO3- Ca2+ 粘土 K+ K+ 根系与土粒间阳离子交换示意图 2、根部的主动吸收 特点:消耗能量、选择吸收、逆浓度梯度 载体学说 磷酸激酶 (1)载体磷酸化:载体+ATP 磷酸化载体+ADP (2)结合并运转:磷酸化载体+离子 磷酸化载体-离子 (3)膜内释放:磷酸化载体-离子 磷酸酯酶 载体+离子+无机磷(Pi) (4)ATP的再生:ADP+Pi 线粒体或叶绿体 ATP 外界溶剂 质膜 ADP I Cr 细胞质 离子 ATP Cr Cr Cr I I 载体运输离子进入膜过程示意图 生理酸性和生理碱性肥料: 由于作物的选择性吸收造成外界溶液的酸碱变化称为生理酸性和生理碱性,相应的肥料称为生理酸性和生理碱性肥料。 (三) 根部对有机养分的吸收 ?植物根系不仅能吸收无机养分,也 能吸收有机养分: ?水稻幼苗直接吸收氨基酸和酰胺 ?大麦能吸收赖氨酸 ?玉米能吸收甘氨酸 ? 并不是所有的有机养分都能被根系 吸收,仅是小部分小分子有机物 根系吸收有机养分的特点: ? 脂溶性越强,越容易吸收(脂质 假说) ? 小分子有机物易透过膜,大分子 有机物难透过膜(分子筛假说) ? 有被动吸收,也有主动吸收现象 ? 胞饮作用 二、叶部对养分的吸收(根外营养) (一)根外营养的机制 ? 根外营养是作物吸收养分的另一种方式; ? 根外营养的部位是茎叶,主要是叶; ? 叶部吸收可通过植物叶片的角质层上的裂缝进入; ? 叶背面是比较疏松的海绵组织,细胞间隙大,孔道细胞多,吸收养分比上表皮快。 (二)根外营养特点: 1、提高肥料利用率(无土壤中的固定作用); 2、用量少:NPK1%-3%,是土壤施用的1/5- 1/10; 3、有利于作物后期和密植作物的追肥; 4、转化快:32P肥示踪表明5分钟后各器官有PO43-; 5、是施肥的辅助性方法,需和主要措施配合。 (三)叶部吸收的影响因素: 1、养分种类: 钾肥 KCl

  KNO3

  KH2PO4 氮肥 尿素

  硝态氮肥

  铵态氮肥 硝酸钾进入体内时间 1小时 氯化钾进入体内时间 30分钟 硫酸镁进入体内时间 20分钟 氯化镁进入体内时间 15分钟 铵态氮进入体内时间 2小时 硝态氮进入体内时间 15分钟 2、溶液的pH值 溶液酸性,吸收负离子多,有利于H2PO4-、SO42-、BO33-、NO3-吸收。 溶液碱性,吸收阳离子多,有利于K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+吸收。 3、溶液与叶面接触时间 时间少,吸收不完全,无风傍晚好,遇雨重喷,营养液加湿润剂。 4、叶子部位 叶背面有气孔,易吸收;叶正面液体易存留,注意喷施。 5、作物种类 双子叶植物: 叶片大,角质层薄,有利吸收 单子叶植物: 稻、麦、谷子等作物叶片小、厚、加大喷施浓度 第四节 影响作物吸收养分的环境条件 一、温度 ?在一定范围内,养分吸收随温度增加而加快,温度过高,酶变性失活。 ?温度影响: ATP生成量; 养分移动速度; 根系酶活性。 ? 低温时,阴离子吸收的影响比阳离子明显,如:NO3-

  NH4+,这可能与阴离子主要是主动吸收有关,因ATP少。 越冬作物施水溶性磷,与温度低、磷扩散系数小、以阴离子吸收有关。 ? 影响顺序:PO33-

  NH4+

  K+

  SO42-

  Mg2+

  Cl-

  Ca2+ 二、通气 大气地面含氧量20.34%,土壤空气含氧量10-20%,正常情况下够用,但如果含水过多、通气不畅,造成氧气下降。 棉花在O2小于3%、玉米小于6%生长受影响。 通气影响吸收的原因: 1、根系的有氧呼吸; 2、土壤的Eh; 3、养分的形态及转化; 4、二氧化碳含量。 深翻整地、中耕松土、形成良好结构等都有利于通气,促进吸收。 三、酸碱反应 影响吸收形态: COOH COOH H+ R 利于吸收阴离子 R NH3+ NH2 OH- COO- -H2O R 利于吸收阳离子 NH2 ? 影响养分形态:各种养分在中性时有效性高 ? 影响养分外渗:玉米外根在pH5.5时,外渗钾达40 % ,因膜的稳定受了影响 O CH2 COO- Ca2+ O- P O CH2 O HC O COR2 CH2 O COR1 蛋白质与磷脂通过钙桥形式连接,pH值低时,H+代Ca2+,透性增加。 四、土壤水分 ★ 各种养分溶解在水中方可吸收,土 壤水分太多,造成通气不畅。 ★ 田间持水量的70%-80%有利于吸 收。 ★ 水分影响: 养分溶解; 养分扩散; 土壤通气。 五、养分状况 1、养分浓度:在一定浓度范围内,随浓度增加养分吸收增加,过多烧伤根系(生理干旱)。 2、离子间的关系 (1)对抗(拮抗、颉颃)作用: 一种离子的存在能降低另一种离子的吸收。 ? 对抗的原因: (1)载体:离子竞争载体同一 位置 (2)离子性质:电性平衡 (3)Ca使膜孔性变小,限制 Mg、促进K的吸收。 ? Mg抗Ca 、 Na+的吸收,NO3- 、 PO43- 、SO42-之间对抗,P Zn 对抗。 (2) 协助作用: ? 一种离子的存在能增加另一种离子 的吸收。 ? 阴离子促进阳离子吸收,N P K之 间相互促进。 ? 维茨效应: ? 溶液中Ca2+Mg2+Al3+等二价、三价离 子,特别是Ca2+能促进K+、Rb+以及 Br-的吸收。 ? 根内Ca2+并无此促进作用。 ? Ca2+是通过影响质膜,并非影响代谢而 起作用的。 ? 离子间的关系是复杂的,一种条件下对 抗,另一种条件下可能相助。 ? 大麦根试验: Ca:K=30:1时相互促进 Ca:K

  30:1时相互对抗 Cl * * * * * * * * 土壤肥料学 (肥料部分) 资源与环境学院 刘春生 .cn 根外追肥, 条施、穴施 拌种, 浸种, 沾秧根 , 穴施 结合深耕撒施,集中施、 条施、穴施 施用方法 化肥为主 , 腐熟的有机肥 充分腐熟的有机肥, 速效化肥 有机肥为主, 迟效及不易流失的化肥 肥料种类 促生长,不过劲 易吸收 , 无毒害 培肥土 , 供养分 施用原则 满足作物各生育期对养分要求 满足作物苗期对养分的要求 满足作物全生育期对养分的要求 目的 生长过程中施用的肥料 播时或定植时施用的肥料 播前或定植前施用的肥料 含义 追肥 种肥 基肥

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