土壤与肥料发展探讨

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① 高岭(石)组 ( Kaolinite )--包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。
单位晶胞(层)理论化学式: Al4Si4O10 (OH)8 特点: • 1:1型,硅片和铝片之间存在氢键,膨胀性小,晶层间距约0.72nm; • 同晶替代极少,电荷数量少; • 颗粒较粗,可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱。
土壤与肥料发展探讨
土壤肥料学的研究内容?
根据植物营养原理,结合肥料特性,综合考虑合理施肥 的原则与技术。通过协调土壤水、肥、气、热条件,提 高肥料利用率,减少对环境的负面效应,提高作物产量 和改善产品品质,达到高产优质和高效的目的。
为何施肥? 施什么肥? 施多少肥? 怎么施肥?

一、肥料的分类特性及发展趋势 二、植物营养的基本原理 三、土壤的水肥气热 四、施肥与环境 五、土壤肥料学的几个热点问题
植物营养 最大效率期

养分吸收

植物营养 临界期
生长
生长期(营养期)
(1)植物营养临界期
该时期植物需要的养分数量并不多,但最迫切,一旦发生养分 短缺或比例失调会对作物生长产生难以弥补的严重影响。
是施用种肥的重要依据。
(2)植物营养最大效率期
该时期植物对养分的吸收速率及需求数量均为一生中最大,养 分在该时期发挥的营养效率最高。
主要存在于我国北方干旱地区土壤中。四川盆地紫色土 和河流冲积土一般以伊利石为主。
土壤胶体表面类型
内 表
外 表


(1)按表面位置可分为两类:
① 内表面 膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分 子内的表面,其表面反应为缓慢渗入过程。
② 外表面 粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化 物等包被的表面,表面反应迅速。
特点:极性的亲水表面。电荷来源为表面--OH基质子的缔合或解离: --OH + H+ →--OH2+ ; --OH + OH- →--O- + H2O 电荷为可变电荷。
③ 有机物表面
腐殖质类物质为主的表面,表面羧基、酚羟基、氨基等活性
2、平衡吸收: 同种植物体内各种营养元素的含量是相对稳定的。换
言之,植物是按一定比例吸收各种营养元素的。植物按比 例吸收各种营养元素的现象称为平衡吸收。
Justus van Liebig
(1803-1873,Germany)
Giessen's university was founded 1607. The official name "Justus-Liebig-University" stems from the famous German "Justus von Liebig", who became professor in Giessen at the age of 21 and who taught in the agricultural chemistry department for 28 years.
直接提供的养分量十分有限,通过 微生物生命活动的产物改善植物营养; 辅助性肥料,不能代替有机肥及化 肥的作用。
3、施肥的目的
(1)战略层面:施肥是国家粮食安全的重要保障。
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战略层面:施肥是国家粮食安全的重要保障。
How to….?
增加耕地面积
中国耕地变化: 1998: 19.45 亿亩
2010: 18.26 亿亩
有效肥力:在当季作物生产中所表现出来的可产生经济效益的那部分 土壤肥力。 潜在肥力:在生产上没有发挥出来产生经济效益的那部分土壤肥力。
矿物质 38%,(95%)
有机质 12%,(5%)
溶液
(15%-35%)
空气
(15%-35%)
土壤的保肥能力如何?
3、土壤胶体
土壤胶体:
指土壤中存在的一类颗粒直径处于1-100nm的细微固体 颗粒(长、宽、高三个方向上,至少有一个方向在此范围内),它 们对土壤的化学性质和养分供应特点起着极其重要的作用。
(3)合理施肥:通过施肥调节植物的自然营养过程,以获得理
想的产量或经济效益,即施肥并非简单地满足 植物对养分的自然需求。
4、植物营养的阶段性
种子萌发
营养生长
成熟
生殖生长


子 营
营养期
系 老


生长期(完整的生命周期)
植物营养的阶段性:如果将整个营养期划分成若干个阶段(营 养阶段),植物在各个营养阶段对养分的需求状况并不相同。
2、肥料的分类与特性
肥料的分类
有机肥料
Organic fertilizer
化学肥料

Chemical fertilizer

Inorganic fertilizer
Mineral fertilizer
微生物肥料
Microbe fertilizer
有机肥料
Organic fertilizer
养分种类多、全面,但含量低; 养分释放速度慢,但肥效稳长; 改善土壤的有机营养; 改善作物的碳素营养。
这一规律应用于除养分以外的其它生 活因子时也成立,称为限制因子律。
5、 报酬递减律
报酬递减律认为,作物产量随施肥量的增加而增加,但随 施肥量的增加,单位肥料的增产量下降,即存在报酬递减现象。
报酬递减现象是在其它技术不变的条件下产生的,因而克服 该现象的积极途径为:全面改善生产技术条件。
由于在特定的生产阶段同时改善技术条件是很困难的,因而 该现象的出现是不可避免的。
(2)次生矿物 (Secondary mineral)
由原生矿物分解转化形成的矿物。 以粘土矿物为主,又以结晶层状硅酸盐矿物为主;此外 有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物 。
层状硅酸盐矿物结构与性质
(1)基本结构单位
① 硅氧四面体与硅氧四面体层 硅氧四面体由4个氧原子和1个硅原子所组成。 硅氧四面体在平面两个方面上相互连接延伸而形成硅氧四面体层, 也叫硅氧片(层)。 ② 铝氧八面体与铝氧八面体层
不利。
③ 水化云母(伊利石)组 (Hydromica)
单位晶胞理论化学式: K2(Al·Fe·Mg)4(Si·Al)8O20(OH)4 ·nH2O 特点: ·2:1型,晶层之间强力吸附K+,非膨胀性,层间距1.0nm; ·同晶替代现象普遍,主要发生在硅氧片,电荷数量大,但部分被层间 K+中和,有效电荷量少于蒙脱石; ·可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。
5、施肥的基本环节
(3)追肥(top dressing)
是植物生长过程中施用的肥料。 必有一次着眼于作物营养最大效率期,主要用 化学肥料 。
6、肥料与施肥技术的发展趋势
(1)肥料产业发展:
农家肥 氮肥 磷肥 钾肥 复合肥 微量元素肥料 商品有机肥 微生物肥料 未来:有机-无机复合肥
(2) 化学肥料发展趋势:
是施用追肥的重要依据。
5、施肥的基本环节
(1)基肥(basal fertilizer)
是植物播种前结合土壤耕作而施用的肥料。 其着眼点为植物生长的全程,以 有机肥料 为主。
5、施肥的基本环节
(2)种肥(seed fertilizer)
在作物播种或移栽时,施于种(苗)附近的肥料。 着眼点为作物营养临界期,以 化学肥料 为主。
(2)按表面的化学结构特点,可分为三类:
① 硅氧烷型表面(Si-O-Si)
主要存在于2∶1型粘粒的上、下两面和1∶1型粘粒1/2面。
特点:非极性的疏水表面。主要电荷来源为同晶置换(Al3+→Si4+), 少部分是边角断键。
② 羟基化表面 (R-OH)
主要存在于水铝(镁)片,铁、铝氧化物表面及硅片边角断键上: 金属离子(M--OH)、铝醇(Al--OH)、铁醇(Fe--OH)、 硅醇( Si--OH)。
(7)同晶替代
指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其 它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。
发生同晶替代后,硅酸盐矿物产生负电荷。 同晶替代可发生在四面体层,也可发生在八面体层, 这将强烈影响晶层对部分阳离子的固定和释放能力。
d00 1(Å)
层 间 距 离 C 轴
b轴
电荷平衡
(+) (-)
② 蒙脱石组 ( Montmorillonite )-- 包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。
单位晶胞的理论化学式:Al4Si8O20(OH)4·nH2O 特点:
·2:1型,晶层之间以分子引力联结,膨胀性大,蒙脱石晶层间距
0.96~2.14nm, 蛭石晶层间距0.96~1.45nm;
·同晶替代现象普遍,电荷数量大; ·颗粒较细,呈片状,可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著,对耕作
铝氧八面体由六个氧原子和1个铝原子组成。 由铝氧八面体在平面两个方面上相互连接延伸而形成铝氧八面体层 ,也叫铝氧片(层)。
(2)硅氧片的形成(SiO44-→Si2O52-→Si4O104- ) 硅氧四面体:
硅氧四面体结构示意图 硅氧片结构示意图
(3)铝氧片的形成 (AlO69-→Al4O1212-→Al4(OH)8O44- ) 铝氧八面体:
复合化:提高复合肥料在化肥中的比例 高效化:不断提高肥料中养分的浓度 缓效化:延缓肥料施用后养分释放的速度 液体化:发展液体肥料
(3)施肥技术的多样性:
土壤施肥
随水灌溉施肥
蓄水池
注射施肥
二、植物营养的基本原理
1、同等重要性: 各种必需元素不论其含量高低,在植物营养中的地
位是同等重要的;且因各自的生理功能不同,相互间不 能替代。
土壤胶体的种类
(1)无机胶体: ① 含水氧化硅胶体
② 含水氧化铁、氧化铝胶体 ③ 层状硅酸盐矿物 (2)有机胶体:主要成分为腐殖质 (3)有机无机复合体:有机物与无机矿物或氧化物结合
在一起共同组成的微粒。
土壤胶体中的层状硅酸盐矿物
(1)原生矿物(Primary mineral)
以硅酸盐和铝硅酸盐为主, 如长石、云母、辉石、角闪 石等。原生矿物是植物养分(Ca、Mg、K、P、S等)的重要来 源。
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一、肥料的分类特性及发展趋势
1、肥料定义:凡能向植物提供其生长发育所必需的营 养元素的物料,称为肥料(Fertilizer)。
土壤 (养分供应者)
植物 (养分需求者)
养分供求关系
养分供求关系
供>求 供=求 供<求
无需施肥 需用肥料补充
在实际应用中,肥料的定义应理解为:
凡能直接或间接地补充土壤养分供应不足的任何物料。
棉花在不同肥料投入下的报酬递减趋势
报酬递减率
三、土壤的水肥气热
1、土壤肥力:在植物生活全过程中,土壤供应和协调 植物生长所需水、肥、气、热的能力。
(1)自然肥力和人为肥力
自然肥力:指土壤在自然因子(气候、生物、地形等)综合作用下所具 有的肥力。
人为肥力:土壤在人为条件熟化(耕作、施肥、灌溉等)作用下所表现 出来的肥力。 (2)有效(经济)肥力与潜在肥力
3、养分归还学说:植物以不同方式从土壤 中吸收矿质养分,使土壤养分逐渐减少。 为保持土壤肥力,必须把植物带走的矿质 养分和氮素以施肥的方式归还给土壤。使 得土壤的养分损耗和营养物质的归还之间 保持着一定的平衡。
4、最小养分律(李比希)
植物的生长量或产量受环境中最 缺少的养分的限制,并随之增减而 增减。环境中最缺少的养分称为最 小养分。
肥 化学肥料
养分含量高,但种类单纯; 养分释放速度快,但后效短;

Chemical fertilizer Inorganic fertilizer
部分化肥长期施用可影响土质;
Mineral fertilizer
长期大量施用化肥可引起环境问题
(地下水污染,表层水富营养化等)。
微生物肥料
Microbe fertilizer
增加粮食总产量
Bottom Line: 18 亿亩
提高单位面积产量
联合国粮农组织(FAO)的统计: 施肥的贡献占50%!! 品种占30%; 其它管理措施占20%。
(2)技术层面:补充土壤养分供应的不足,以满足植物生长
对养分的需求。
作物对养分的需求
施肥
自然需求 正常的植物体
特定需求 施肥 达到特定的经济目的
2M
2
6O
12
3 Si + 1 Al 15
4 O + 2 (OH)
10
3 Al + 1 Mg 11
4 O + 2 (OH)
10
4 Si 6O
16 12
44 44
2:1型矿物(二八面体)结构示意图
M2(Al3Mg)(Si7Al)O20(OH)4(M= 一价层间阳离子)
(8)1:1型和2:1硅酸盐矿物种类与特点
铝氧八面体结构示意图 铝氧片结构示意图
(4)1:1 型矿物 (一层硅氧层与一层铝氧层重叠而成)
1:1型层状硅酸盐结构示意图
1:1型矿物高岭石晶体结构图
(5)2:1型矿物 (两层硅氧层中间夹一层铝氧层)
2:1型层状硅酸盐结构示意图
2:1型矿物伊利石晶体结构图
2:1型矿物伊利石晶体双层结构图
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