第七章 土壤养分的生物有效性

3、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。
4、根系密度与养分空间有效性
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。
舂小麦不同生育期从各土层的相对吸磷率（%）
（二）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。
不同浸提剂提取15种土壤 所测得有效磷的平均含量
测定方法 1.Olsen 法 2.Machiqin 法 3.Al-Abbas-法 4. 双酸法 浸提液种类 NaHCO 3 (NH4)2CO3 NaOH+Na2C2 O4 HCl+H2SO4 HAc+NH4NO3 +NH4F+HNO3 +EDTA NH4HCO3 +DTPA 有效磷 （Pmg/kg） 24.9 23.9 30.4 29.4 70.1 14.8 46.9
土层深度 根系密度 （cm） （cm/cm3）
0~10 >10
养分供应的相对有效体积（%）
磷
钾
>72 > 2
20 5
50 12
（二）、影响根系生长的环境因素
1、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。
化学有效养分是指土壤中存在的矿质态养分，
主要包括可溶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 学有效养分通常可以采用不同的化学方法从土壤 中提取出来。
一.化学浸提的有效养分的方法及评价
（一）化学有效养分的提取 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）。
1.生物有效养分
2.化学有效养分
1 2
土壤有效养分示意图
二、养分向根表的迁移
地上部
土壤
3
2
根
1
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。
土壤养分向根表的迁移有三种方式：即截获、质 流和扩散。 （1）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
*根据Baeber（1974）估计，根容积等于土壤容积的1%
土壤饱和水溶液中几种养分的浓度*
养分种类 NO3NH 4 + 养分浓度(mmol/L) 0.1-2.0 0.1-2.0
H2PO4-+HPO42K+ Ca 2+ SO42Mg2+
0.001-0.02
0.1-1.0 0.1-5.0 0.1-10.0 0.1-5.0
不同容重土壤上大麦幼苗根系生长情况
1.35g/cm3
1.55g/cm3
10oC 15oC
20oC
25oC
30oC 35oC
根区温度对马铃薯幼苗根形态和地上部生长的影响
2、土壤养分状况
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。
“土壤养分生物有效性”的含义有三方面：
（1）土壤中矿质态养分的浓度、容量与动态变化； （2）根对养分的获取与养分向根表迁移的方式与 速度； （3）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。
第一节
土壤养分的化学有效性
土壤测试
标准方法 速测方法
233
指标和分级
*土壤是美国北部中性淋溶土
H2O
H2O
H2O
截获
质流
扩散
三、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。
（一）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（K+mg/cm2天）的影响
土壤交换性钾含量 （K+cmol/kg）
0.41
土壤含水量
4% 2 10% 4 20% 8 30% 10
4.10
40
55
78
75
（二）施肥
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。
12 交换性钾 (mmol/kg 土) 10 施肥土壤 D =27×10-7
不同迁移方式对小麦根系养分的相对贡献*
耕层有效养 养分 分含量 (kg/ha) 钙 镁 钾 磷 氮 4000 800 300 100 500 植物吸收 总量 (kg/ha) 45 35 110 30 190 养分供应量(kg/ha) 截获 质流 扩散 40 8 3 1 2 90 75 12 0.12 150 _ _ 95 28.9 38
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
罗汉松 根形态 直径（cm） 根毛 >1 0.2~0.3 0.1~0.2 0.1~0.2 施磷量（mg/kg） 0 10 30 90 9 9 11 29 无 3 3 5 71 无 少 量 10 16 38 61 多而长 2 9 60 243
离子在不同介质中的扩散系数与移动距离的估算值*
扩散系数 离子 NO3 K+ 水 1.9×10-9 2.0×10-9 土 5×10-11 5×10-12 土壤中移动距离/mm • d-1 3.0 0.9
H2PO4-
0.9×10-9
1×10-13
0.13
引自Jungk.1991.
（三）不同迁移方式对植物养分供应的贡献
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
磷肥种类 磷总吸收量
（P mg/盆）
来自肥料中的磷
吸收量（P mg/盆） 占总百分率
Ca(H2PO4)2 BAPA*
12.1 16.5
2.3 6.4
19 39
*BAPA系有机态含磷化合物
第三节
植物根系生长特性与 根际养分的有效性
1
3、扩散）
2、质流
(3)扩散
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。
部分养分离子在不同介质中的扩散系数
（四）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。
建议施磷量(kg/ha)
75
50
25
80
160 240 土壤含磷量(mg/kg P)
不同地区土壤有效磷含量与建议施磷量的关系
二 、养分的强度因素与容量因素
1、养分的强度因素（I） 是指土壤溶液中养分的浓度。强度因素是土壤 养分内供应的主要因子。
龙
葵
钾吸收速率 (pmolcm-1s-1)
0.6
0.5 0.4
0.3 0.2 玉米 洋葱 0
番茄
油菜
黑麦草属
0.1
0
20 40 60 80 根毛园柱体的容积 (mm3 /cm)
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 根毛数 根毛长度 根毛直径 根毛表面/根表面 （条/cm根） （um） （um） （mm ） 290 5.7 0.7 小 麦 0.108 560 300 4.8 1.6 莴 苣 0.124 1270 600 3.9 3.8 荞 麦 0.056 890 430 4.3 2.5 蕃 茄 0.107 1650 40 11.0 0.2 洋 葱 0.225 1180 40 4.0 0.3 胡萝卜 0.107 1810
K+的吸附数量（Q)
土壤A
土壤B Q
I 土壤A
I 土壤B
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
第二节
一、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。
第七章 土壤养分的生物有效性
Plant Nutrition
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：以矿质养分为主； 二：位置接近植物根表或短期内可以迁移到 根表的有效养分。
2、养分的容量因素（Q） 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。 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。
土壤养分供应强度与容量的示意图
强度
土壤溶液中养分浓度 快 活性养分库 慢
离子种类 K+ H2PO4NO3Ca2+ Mg2+ K+ H2PO4NO3介 质
250C水 250C水 250C水 250C水 250C水 土 壤 土 壤 土 壤
扩散系数D（cm2/s） 1.98×10-5 0.89×10-5 1.90×10-5 0.78×10-5 0.70×10-5 10-7~10-8 10-8~10-11 10-6~10-7
容量
在生长期内 释放的养分 很慢
土壤矿物和 有机残留物 田间根系体积
3.缓冲因素(缓冲容量) 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。
和土壤中有效养分的浓度。
（2）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。
植物根获取土壤养分的模式图
地上部
土壤
3
2
根
（1、截获
一、根系生长特性与环境因素的影响
（一）根系特征 1、形态 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。
2、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。
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。
8
6 4 2 0
未施肥土壤 D = 5.3× 10-7 耗竭土壤 D = 1.2×10-7
0 2 4 6 8 10 12
距根表距离 (mm)
施钾对提高土壤钾有效性的影响 （D为扩散系数 单位：cm2/s）
（三）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
5.MehlichIII法
6.Soltanpour 法
7.MeugepqkoB 法 (NH4)2 C2 O4 +NH4HCO3
（三）化学有效养分与植物吸收的相关性
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。
生育期 舂小麦吸磷总量
（Kg/ha天）
土层深度（cm）
0~30 31~50
83.3 58.8 67.4 8.1 17.8 15.5
51~75
5.9 16.3 12Hale Waihona Puke Baidu0
76~90
2.7 7.1 5.1
孕穗期 开花期 灌浆期
0.345 0.265 0.145
不同根系密度情况下，土体向根 供应磷、钾养分的相对有效体积