智能农业系统——土壤养分运移转化
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土壤养分运移转化不仅与养分的性质及所发生的物理、化学和生物过程密切相关，而且与土壤水分、微生物、温度和土壤特征密切相关。养分运移转化特征直接决定着土壤养分有效性，同时涉及土壤和地下水环境污染问题，受到人们的广泛关注。
土壤养分是指由土壤提供的植物生长所必需的营养元素，能被植物直接或者转化后吸收。目前已被确定的植物生长发育必需的元素有碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、硼、铁、锰、铜、锌、钼、氯，其中碳、氢、氧主要来自大气和水，其余元素则主要由土壤提供。由此可见，土壤是植物养分元素的主要来源，土壤养分的丰缺程度直接关系到农作物的生长状况和产量水平。
土壤养分主要来源于土壤矿物质和土壤有机质，此外大气降水及灌溉、施肥、生物固氮亦能增添土壤养分。土壤矿物质特别是原生矿物能为土壤提供除C、N外的植物所需的各种元素。由于组成岩石的矿物种类、数量和风化程度不同，所以风化产物中释放的养分种类和数量也不同。例如正长石、云母风化后产物含钾较为丰富，是土壤中钾的主要来源；磷灰石、橄榄石等风化会为土壤提供磷、硫、镁、钙的物质来源。石灰岩富含钙，硫主要来源于各种硫化物，如黄铁矿、闪锌矿；此外许多原生矿物中含有多种微量元素，如正长石中含有铷、钡、铜等，角闪石中含有镍、钴、锌，黑云母中含有钡、钴、锌、铜等。
根据在土壤中存在的化学形态，土壤养分的形态分为以下几种：（1）水溶态养分：土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物。（2）代换态养分：是水溶态养分的来源之一。（3）矿物态养分：大多数是难溶性养分，有少量是弱酸溶性的（对植物有效）。（4）有机态养分：矿质化过程的难易强度不同。根据植物对营养元素吸收利用的难易程度，土壤养分又分为速效性养分和迟效性养分。一般来说，速效养分仅占很少部分，不足全量的1%，应该注意的是速效养分和迟效养分的划分是相对的，两者总处于动态平衡之中。
作物要高产，土壤养分必须充足，但养分含量高未必就一定能达到高产，作物高产是综合因素所决定的。综合全国耕地土壤养分和施肥状况，一般地说，一、二级土壤养分水平为高产田养分的参考指标，三、四级土壤养分水平为中产田养分的参考指标，五、六级土壤养分为低产田养分的参考指标。不同地区、不同作物有所差别。我国土壤养分 因土壤类型的差异而不同，同时农田土壤不同的耕作方式和经营方式都对土壤养分的高低有一定影响。农田土壤养分的管理主要是土壤有机质、土壤氮素、磷素施入与消耗平衡的管理，同时也要注意对土壤钾素和微量元素的平衡管理。
土壤养分循环的动态平衡过程
土壤养分循环是土壤圈物质循环的重要组成部分，也是陆地生态系统中维持生物生命周期的必要条件。土壤中的养分元素可以反复地再循环和利用，典型的再循环过程包括：生物从土壤中吸收养分；生物的残体归还土壤；在土壤微生物的作用下，分解生物残体，释放养分；养分再次被生物吸收。可见土壤养分循环是指在生物参与下，营养元素从土壤到生物，再从生物回到土壤的循环过程，是一个复杂的生物地球化学过程。由于不同养分元素的化学、生物化学性质不同，故其循环过程各有特点。
土壤是植物获取营养元素的主要介质。土壤矿物经风化、分解、释放的养分进入土壤溶液，如果与某种矿物有关的某种养分浓度达到过饱和时，就会发生沉淀，直至保持平衡。如果溶液中的养分被植物吸收而不断消耗，则矿物就会逐渐被溶解，直至达到平衡状态。由此可以看出，土壤固相所吸附的养分元素与溶液中的养分元素始终保持着一个动态平衡的过程。这种固液养分平衡，实际上是养分供给的土壤植物系统动态平衡的关系。
植物根系主要从土壤溶液中吸取养分，也可吸取土壤胶体上吸附的代换性养分。但因土壤胶体表面吸附的养分的吸附机理即吸附释放的影响因素很复杂，吸附态养分的有效性差别很大。如由静电引力吸附的交换性离子的有效性较高；由共价键结合的表面络合物（内圈）属于专性吸附，有效性则较低。在作物生产中，植物从土壤溶液吸取矿质营养，养分元素随着农产品收获，不断从土壤中输出，就需对土壤溶液补充“缺乏”的元素，以维持其平衡。养分补给的途径，一是靠固液间相互转化、移动，即靠土壤自身调节；二是靠人为施肥补给，补给多少要依据作物对养分的需要量、需肥规律和土壤有效养分的供应能力来确定。
由于成土原因，不同类型的土壤pH值范围也有不同；此外，人为施加的化肥、有机肥、酸雨、植物残体等均会影响土壤的酸碱度。我国土壤pH值大多在4.5～8.5范围内，由南向北pH值递增，长江（北纬33°）以南的土壤多为酸性和强酸性，如华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤，pH值大多在4.5～5.5之间；华中华东地区的红壤，pH值在5.5～6.5之间；长江以北的土壤多为中性或碱性，如华北、西北的土壤大多含CaCO3，pH值一般在7.5～8.5之间，少数强碱性土壤的pH值高达10.5。
氮素在作物生育期的迁移转化
作物全氮（N）含量约为干物重的0.3%～5%，其含量与分布因作物种类、器官部位和生长发育期的不同而有明显差异。就作物的种类来讲，如大豆植株含量高达2.0%左右，而禾本科作物的植株含氮量仅0.5%～1.0%。同一品种各器官中叶片的叶绿素和生长后期的种子含氮量均较高，茎秆氮量则较低，同一器官幼嫩期器官比老熟器官含氮量高。其主要由于氮在植物体极易转移，随生育期推移含氮量呈抛物线变化。随着作物植株生长，全株茎叶含氮量急剧上升，至营养生长旺盛期和开花期达到最高，一旦进入生殖生长后期，植物体内的氮逐渐转移到生殖器官及其他器官，且作物中氮的含量和分布受施氮水平和施氮时期影响显著。
作物对氮吸收利用因生长发育阶段而不同，进而氮素在作物各个生育期的运移亦不同。随着营养生长的推进，作物光合作用的能力和蛋白质的合成量随之增大，水稻根吸收氮的能力在幼稳形成期时达到高峰，其后急速下降。这种氮吸收力的变动，也包含[插图]和[插图]吸收力平衡的变动，随植物种类变化而变化。
随作物进入成熟期，植株体内的氮发生再分配，大部分氮将集中到籽实，而茎、叶、根中仅仅留少量氮，其分配比则随作物种类、品种以及作物生长状况而有一定的差别。收获时氮素在作物体内的分配比决定了农产品中氮可转入不同循环利用通道的资源量。例如籽实将通过喂饲通道经由动物排泄进入农家肥，而秸秆和根茬可直接回田或通过生产沼气、堆腐而转为农家肥。不同循环通道中氮的循环率可以有很大的不同。作物收获时氮在植株不同部位的分配比也决定了每形成单位籽实（或纤维和其他）产量时的作物收获氮量，后者则是根据作物产量估算农田土壤氮移出量的一项重要参数。
作物对磷素的吸收及利用
植物体内磷（P2O5）含量约占干物质重的0.2%～1.11%，约为氮的1/5～1/2。其中有机磷约占全磷量的85%，无机磷为15%左右。有机磷主要包括核酸、磷脂、植素等，它们在磷营养中起到重要作用；而无机磷主要以钙、镁、钾的磷酸盐形态存在，其含量多少与介质中磷素供应水平有关。磷分布因作物种类和品种、作物器官、生育期等不同而不同，其中从作物种类对比，油料作物＞豆科作物＞禾谷类作物；从作物器官对比，种子＞叶片＞根系＞茎秆；同一植株幼嫩器官高于老熟器官；从不同生育期对比，生长前期高于生长后期。
作物苗期的磷营养对作物生产与产量至关重要，而苗期的磷肥施用方法则同时关系到幼苗磷营养与磷肥利用率两个重要方面。磷素被作物根系所吸收利用，其中大部分磷素以有机磷酸酯的形态存在，但向地上部分输送的则是以正磷酸酯形态进行。运送到地上部的磷素被分配到各个器官，但对生长发育时期代谢活性最高的器官分配最多，如成熟期，种子、果实分配得最多。同时，磷同样亦为典型的向代谢活动性高的部分再移动的元素，代谢活动接近于种植的老叶中的磷，向上位的嫩叶及种子、果实再移动。
作物对钾素的吸收及利用
一般而言，植物体内的全钾（K2O）含量约占干物质的0.3%～5.0%，其含量同样因植物种类及器官不同而有很大差异。含淀粉、糖等碳水分化合物较多的作物含钾量高的水稻、小麦、玉米等谷类作物含钾量较低。对于植物器官，谷类作物种子中钾含量低，而茎秆中含量高，薯类作物（如甜菜等）块茎、块根钾含量也较高。与氮、磷相比，钾在植物体内极易以离子形态吸附在原生质胶体表面或以可溶性钾盐存在于细胞内，钾不能形成有机化合物。所以植物体内的钾十分活跃跃，极易流动，再分配的速度很快，再利用的能力也很强，不断向代谢作用最旺盛的部位，如幼芽、幼叶、根尖中转移。
大多数一年生作物的吸钾量可在抽穗、开花时达到顶峰，之后随着植物体内钾被淋失或通过根系外排，作物体内钾的累积量便不断减少。Chambers（1953）研究发现，冬小麦在6月中旬的开花期体内积累最多的钾，之后在夏季的6周中小麦体内积累的钾可失去1/3。Kemmler（1983，引自Beaton等，1985）在墨西哥观测到小麦一生中的钾的积累过程，磷素在作物生育后期迅速降低。陈宝兴（1989）报道了一北方单季稻养分积累过程的研究结果，并未观察到生长后期水稻体内氮、磷有减少的现象：但钾有明显损失，损失量约可占水稻一生中钾最大积累量的8%～16%，与水稻产量并无明显相关。Munson（1985）主编的《农业中的钾》（科学出版社，1995）中提到其他作物如玉米、棉花、油菜等生长后期其体内积累的钾也有所减少。
由于钾在植物体内呈离子态存在，极易随雨水淋失，因此树林内竟林冠降落的雨水中便含有较多的钾。学者在新西兰一山毛榉林内观察到的结果是：林冠雨中的钾浓度可比林外雨水中的钾的浓度高8倍以上（Shorrocks，1965；引自Cooke，1969）。周晓华等（1993）、张玉华等（1995）也观察到林内降水中的含钾量可明显高于林外降水。这一现象说明，淋失可能是秋季杨树落叶时体内积累的钾较夏季为低的原因之一（沈善敏等1992）。鉴于上述现象的存在，作物收获时根据作物体内钾的累积量计算作物“需钾量”便必定获得偏低的结果。同时从农田养分收支的角度分析，作物淋失的钾回归土壤之中，因此把作物收获物中的钾看成是农田作物钾移出量或作物中的钾量则并无不妥。
由于钾在植物体内呈离子态存在，极易随雨水淋失，因此树林内竟林冠降落的雨水中便含有较多的钾。学者在新西兰一山毛榉林内观察到的结果是：林冠雨中的钾浓度可比林外雨水中的钾的浓度高8倍以上（Shorrocks，1965；引自Cooke，1969）。周晓华等（1993）、张玉华等（1995）也观察到林内降水中的含钾量可明显高于林外降水。这一现象说明，淋失可能是秋季杨树落叶时体内积累的钾较夏季为低的原因之一（沈善敏等1992）。鉴于上述现象的存在，作物收获时根据作物体内钾的累积量计算作物“需钾量”便必定获得偏低的结果。同时从农田养分收支的角度分析，作物淋失的钾回归土壤之中，因此把作物收获物中的钾看成是农田作物钾移出量或作物中的钾量则并无不妥。
综合来看，在作物生长的不同阶段，氮、磷、钾的作用各不相同。例如，在幼苗阶段施用氮磷钾肥能显著提高氮素吸收率，这对早期生长期至关重要；而在后续生长阶段施肥对生物量产量的影响并不明显，但施肥量越大，产量越高。此外，适当的养分供给可以提高养分利用率，促进水稻生长。因此，在实际农业生产中，应根据作物的具体需求合理配比施用氮、磷、钾肥料，以确保作物健康生长并获得高产优质的农产品。