第一章 绪论内容

第一章 绪论

1土壤肥力的研究历史

土壤肥力按成因可分为自然肥力和人为肥力。前者指在五大成土因素(气候、生物、母质、地形和年龄)影响下形成的肥力，主要存在于未开垦的自然土壤；后者指长期在人为的耕作、施肥、灌溉和其他各种农事活动影响下表现出的肥力，主要存在于耕作（农田）土壤。 肥力概念的发展 土壤肥力概念是随土壤科学的发展而逐步充实与完善的。17世纪时海耳蒙特根据他著名的柳枝土培试验，认为植物从土壤中得到的除水分以外，没有其他任何物质。其后，德国的A.D.泰伊尔提出，除了水分以外，土壤中的腐殖质是唯一能作为植物养料的物质，是植物碳素营养和其他营养物质的源泉，错误地认为腐殖质可以被植物所直接利用。直至1840年，德国的李比希提出了植物矿质营养学说以后，土壤肥力概念才得到较为科学的解释。李比希认为，矿物质是植物的营养基础，土壤则是植物获得矿质营养物质的源泉。这个学说首次明确地指出了土壤矿物质是土壤肥力的核心，从而修正了泰伊尔的错误。它不仅在土壤科学和农业化学发展史中具有划时代的意义，而且促进了化肥工业的发展。但是，由于他忽视了土壤中除土壤矿质营养物质以外的其他因素对植物生长的影响，以致有将土壤肥力的概念与土壤矿质营养物质完全等同起来的倾向。至今，仍有人将土壤肥力仅仅理解为土壤中植物生长所必需的元素的数量与有效性的一种状况。20世纪初，苏联土壤学家威廉斯在总结前人和自己研究成果的基础上，认为土壤肥力是土壤具有同时地、不断地供给植物矿质养分和水分的能力，对土壤肥力概念作了较全面的表述。

中国的一些土壤工作者根据中国农业生产的经验和研究成果，将土壤肥力归结为土壤中养分、水分、通气状况和温度状况（简称水、肥、气、热）等 4个因素的综合。 影响土壤肥力的因素 土壤中的许多因素直接或间接地影响土壤肥力的某一方面或所有方面，这些因素可以归纳如下。

养分因素 指土壤中的养分贮量、强度因素和容量因素，主要取决于土壤矿物质及有机质的数量和组成。就世界范围而言，多数矿质土壤中的氮、磷、钾三要素的大致含量分别是0.02～ 0.5％、0.01～0.2％和0.2～3.3％。中国一般农田的养分含量是：氮0.03～0.35％；磷0.01～0.15％;钾0.25～2.7％。但土壤向植物提供养分的能力并不直接决定于土壤中养分的贮量，而是决定于养分有效性的高低；而某种营养元素在土壤中的化学位又是决定该元素有效性的主要因素。化学位是一个强度因素，从一定意义说，它可以用该营养元素在土壤溶液中的浓度或活度表示。由于土壤溶液中各营养元素的浓度均较低，它们被植物吸收以后，必须迅速地得到补充，方能使其在土壤溶液中的浓度即强度因素维持在一个必要的水平上。所以，土壤养分的有效性还取决于能进入土壤溶液中的固相养分元素的数量，通常称为容量因素。在实用中，养分容量因素常指呈代换态的养分的数量（代换性钾、同位素代换态磷等）。土壤养分的实际有效性，即实际被植物吸收的养分数量，还受土壤养分到达植物根系表面的状况，包括植物根系对养分的截获、养分的质流和扩散三方面状况的影响。

物理因素 指土壤的质地、结构状况、孔隙度、水分和温度状况等。它们影响土壤的含氧量、氧化还原性和通气状况，从而影响土壤中养分的转化速率和存在状态、土壤水分的性质和运行规 律以及植物根系的生长力和生理活动。物理因素对土壤中水、肥、气、热各个方面的变化有明显的制约作用。

化学因素 指土壤的酸碱度、阳离子吸附及交换性能、土壤还原性物质、土壤含盐量，以及其他有毒物质的含量等。它们直接影响植物的生长和土壤养分的转化、释放及有效性。一般而言，在极端酸、碱环境、有大量可溶性盐类存在或有大量还原性物质及其他有毒物质存在的情况下，大多数作物都难以正常生长和获得高产。土壤阳离子吸附和交换性能的强弱，

对于土壤保肥性能有很大影响。土壤酸度通常与土壤养分的有效性之间有一定相关。如土壤磷素在pH为6时有效性最高，当介质pH值低于或高于6时，其有效性明显下降；土壤中锌、铜、锰、铁、硼等营养元素的有效性一般随土壤pH值的降低而增高，但钼则相反。

土壤中某些离子过多和不足，对土壤肥力也会产生不利的影响。如钙离子不足会降低土壤团聚体的稳定性，使其结构被破坏，土壤的透水性因而降低；铝、氢离子过多，会使土壤呈酸性反应和产生铝离子毒害；钠离子过多，会使土壤呈碱性反应和产生钠离子毒害，都不利于植物生长。

生物因素 指土壤中的微生物及其生理活性。它们对土壤氮、磷、硫等营养元素的转化和有效性具有明显影响，主要表现在：①促进土壤有机质的矿化作用，增加土壤中有效氮、磷、硫的含量；②进行腐殖质的合成作用，增加土壤有机质的含量，提高土壤的保水保肥性能；③进行生物固氮，增加土壤中有效氮的来源。

土壤肥力的保持与提高 用地与养地相结合、防止肥力衰退与土壤治理相结合，是保持和提高土壤肥力水平的基本原则。具体措施包括：增施有机肥料、种植绿肥和合理施用化肥，以便不仅有利于当季作物的高产，而且有利于土壤肥力的恢复与提高。对于某些低产土壤(酸性土壤、碱土和盐土）要借助化学改良剂和灌溉等手段进行改良，消除障碍因素，以提高肥力水平。此外还要进行合理的耕作和轮作，以调节土壤中的养分和水分，防止某些养分亏缺和水气失调；防止土壤受重金属、农药以及其他污染物的污染；因地制宜合理安排农、林、牧布局，促进生物物质的循环和再利用;防止水土流失、风蚀、次生盐渍化、沙漠化和沼泽化等各种退化现象的发生，保护森林、草原，维护生态平衡等。

1.1 国外土壤肥力研究历史及现状

1.1.1研究历史

1.1.1.1古代的有关记载

约两千年之后，希腊历史学家Herodotus（希罗多德，公元前5世纪-译者注）报道了他在美索不达米亚的旅行，提到这里居民所获得的惊人产量。如此高的产量可能是发展完善的灌溉系统和高土壤肥力的结果，这部分归功于每年的河水泛滥。Theophrastua（狄奥弗拉斯塔，公元前372~前287，希腊哲学家和科学家-译者注）在大约公元前300年时提到底格里斯肥沃的冲积层，并提出把水尽可能长久地留在田间以沉淀更多的淤泥。

后来人们逐渐认识到，在某些土壤上连续种植一种作物不能获得好收成。给土壤施用动物和植物性粪肥以恢复地力的措施可能源于这些经验。

Theophrastus建议为瘦地施足肥，肥地只施少量肥料。他还赞成一项迄今都是良好的措施，在厩中垫草。他指出这会在垫草中保存尿液使粪肥中腐殖质增多。有意思的是，Theophrastus还指出需要养分多的植物所需要的水分也多。

雅典城周围的菜园和橄榄林因使用城市污水而变肥。当时曾利用了灌水渠道，至今还有调节水流设施的遗迹。据说污水是向农民出售的。古人也用溶有粪肥的水为葡萄园和园林施肥。

粪肥按其养分富集程度（即浓度）分类。比如，Theophrastus按肥料应用价值递减的顺序排列如下：人粪、猪粪、山羊粪、绵羊粪、母牛粪、公牛粪和马粪。之后，早期罗马农业作家Varro（瓦罗，公元前27年，罗马学者-译者注）也列出一个相近的顺序，只是将鸟粪和禽粪划为比人粪更高的等级。

古人不仅知道粪肥的优点，也观察到动物尸体有促进作物生长的效果。

古人对利用我们今天所谓的矿质肥料或土壤改良剂并非全然不知。Thoephrastus曾提出混合不同的土壤作为“加入精华，纠正缺陷”的办法。这一措施在几个方面有益。将肥沃土

壤加在贫瘠的土壤上会提高后者肥力，混合土壤可为一些田块豆科植物的种子提供更好的接种条件。另外，将细质地土壤混入粗质地土壤中可改善被处理土壤的水-气关系。

对泥灰的价值也有认识。早年埃琴纳岛（Aegina）的居民挖出泥灰施于土壤。罗马人从希腊人和高卢人那里学得这种技术，将各种石灰物质分类，指明某种适于施用在粮食作物上，而另一种可能适用于草地。Pliny（普林尼，公元62~113年，罗马作家-译者注）指出，石灰应在地面上薄薄撒一层，一次施用“即使管不了50年也足以维持多年”。Columella也推荐在砾质土上施用泥灰并将厚厚的石灰性土壤掺在其中。

圣经上提到犹太人烧刺木丛和灌木丛时记载了草木灰的价值，Xenophon（赞诺芬，公元4世纪希腊历史学家和随笔作家-译者注）和 Virgil都报道过烧秸秆可以去除杂草。Cato（加图，罗马政治家-译者注）劝告葡萄种植者就地烧掉修剪的枝条后把灰翻入土壤用来肥田。Pliny描述了施用石灰窑的石灰对橄榄林特别有益。一些农民焚烧粪肥后将灰施于土壤。Columella也提到在低地土壤上撒草木灰或石灰用来中和酸性。

Theophrastus和Pliny都提到了硝石（即硝酸钾）对植物是一种有用的肥料，圣经中《路加福音》也曾将提到这一点。Theophrastus还提到过卤水。很明显，由于认识到棕榈大量需要这种盐，所以早期的农民把卤水浇在树根周围。

Virgil曾描述了关于今天被称为容重的土壤性质。关于测定这种性质的方法，他建议如下：首先应该用眼选出一块地方，然后挖个深坑直到硬底，再将这些土填回坑里，用脚踩平土面。如果挖出的土填不满这个坑，该土壤就是疏松土壤，适合放牧和种植高产葡萄；如果填满后土仍有剩余，就是紧实土壤，可能有粘实土块和僵硬田埂，第一次犁地要用壮实的公牛。

但是，含盐的土壤尝上去很苦，玉米从来长不好，这就证明了这种影响。从烟熏的屋顶上取一些编织紧密的枝条和压酒滤网，其上放些有问题的土壤和一些甘甜的泉水，向下压直到水满到边上，保证水都压出来使每滴水都通过枝条。味道会清楚地揭示结果，其苦味的感觉会扭曲品尝者的脸庞。

许多早期的作者相信（现在许多人也这样认为），土壤颜色是其肥力的一个指标。普遍认为，黑色土壤肥沃，而浅色或灰色的土壤不肥沃。Columella不同意这一观点，他指出，黑色沼泽土不肥沃而利比亚的浅色土壤肥力甚高。他认为，诸如结构、质地和酸度是评价土壤肥力更好的指标。

1.1.1.2 19世纪以前对土壤肥力的认识

进入17世纪前后，Francis Bacon（培根，1561~1624）提出主要植物营养是水。他认为，土壤的主要作用是使作物直立、保护其不受冻热危害，而且每种植物从土壤中吸收其本身特殊需要的物质。他还坚持认为，在土壤连续生产同一类植物会因这种植物的特殊需要使土壤贫瘠。

同一时期，佛兰芒的医生和化学家Jan Baptist van Helmont（赫尔蒙特，1577~1644）报道了一项试验结果。他认为，这项试验证明水是惟一的植物养分。虽然。van Helmont的研究其结论是错误的，但对我们的知识实际上有很大贡献。它促进了后来的研究，而这些研究的结果使我们对植物营养有了更好的了解。

数年后，van Helmont的工作被著名的英格兰科学家Robert Boyle（波义耳，1672~1691）所重复。他根据所做的植株样本化学分析结果，指出植物中含有盐类、酒精、土和油，这些都是由水生成的。

大约在1700年进行了一项杰出的研究，使农业科学研究前进了一大步。一位名叫John Woodward且熟知Boyle和van Helmont工作的英国人在收集的雨水、河水、污水和污水加花园土等许多来源的水中种植的留兰香。他自始至终仔细测量试验中植物蒸腾的水量并记录试验前后植株的质量。他发现留兰香的生长与水中杂质量成正比，所以认为土壤物质或土而

不是水，才是植物生长的要素。虽然他的结论从整体上讲是错误的，但这代表了知识的进步，其试验技术比先前使用的技术先进得多

Arthur Young（1741~1820）是18世纪英国最著名的农学家之一。他做了许多盆栽试验来寻找提高作物产量的物质，他在砂土上种大麦，施用的物质有木炭、鲸油、禽粪、葡萄酒、硝石、火药、沥青、牡蛎壳和许多其他物质。其中一些物质促进植物生长，其余的则不然。Young是一位多产作家，他出版了一部《农业年刊》（Annuals of Agriculture），有46卷，很受重视，并对英国农业影响相当大。

17世纪和18世纪许多农业著作反映了植物由一种物质组成的思想，此时的大多数研究人员寻找这种植物要素。大约1775年，Francis Home指出，这种要素可能不只一种，而是多种，其中有空气、水、盐类、油和固定态的火。Home认为农业问题的实质是植物营养。他做盆栽试验并测量不同物质对植物生长的影响，还做植株材料的化学分析。他的研究被认为是科学农业进程中宝贵的阶石。

Priesley（普利斯特里）对氧的发现是提示植物生命之迷中许多其他发现的关键。Jan Ingenhousz（1730~1799）指出，有光线时空气变得纯净，黑暗时不纯净。与这一发现的同时，瑞士自然哲学家和历史学家Jean Denebier（1742~1809）指出，van Helmont的柳枝增加的质量来自空气。

1.1.1.3 19世纪后土壤肥力研究

这些发现激发了Theodore de Saussure思考，他父亲熟知Senebier的研究，而他攻克了Senebier研究过的两个难题，即空气对植物的影响和植物中盐分的来源。结果de Saussure可以演示植物吸收氧气和放出二氧化碳这一呼吸作用的中心问题。而且，他还发现在光照条件下植物会吸收二氧化碳放出氧气。然而，若置植物于无二氧化碳的环境中必然会死亡。 De Saussure总结出土壤只提供植物所需养分的一小部分，但他指出土壤确实既供应灰分也供应氮。他有效地消除了植物自发制造钾碱的观念，还进一步指出植物根系不是仅起个过滤器的作用。反之，膜有渗透选择性，使水分比盐类更快地进入植物体。他还指出，植物对盐分吸收量不同，不同植物的组成也不同，而是依土壤性质和植物发育阶段的不同而异。 De Saussure关于植物中的碳来自空气的结论没有很快得到同事们的承认。大约在1813年，Humphry Davy爵士出版了《农业化学元素》（The Elements of Agricultural Chemistry）一书，颇有影响。他认为，虽然一些植物可以从空气中接受碳，但主要部分还是通过根吸收进来。Davy执着地坚信于这一点，竟建议用油作肥料，因其中含碳和氢较多。

19世纪中叶到20世纪初是人类认识植物营养和作物施肥的大发展时期。当时做出突出贡献的是一位到过许多地方的法国化学家Jean Baptiste Boussingault（1802~1882），他在阿尔萨斯建立了一个农场做田间小区试验。Boussingault把de Saussure的精确称量和分析技术用于小区施肥措施和作物收获。他坚持做收支平衡表，从表中能看出各种植物养分元素有多少来自降雨、土壤和空气。在不同生育期分析作物组分，确信最好的轮作是除施用有机肥外能生产最多的有机质的轮作方式。Boussingault被一些人尊为田间小区试验法之父。

德国化学家李比希（Justus von Liebig，1830~1873）非常有效地揭示了腐殖质的奥秘。他在著名的科学会议上提交的论文极大地震撼了当时的保守思想。自此，只有少数科学家敢于提出植物中的碳来自二氧化碳以外的任何碳源。李比希做了如下陈述：

(a)植物中大多数碳来自大气中的二氧化碳；

(b)氢和氧来自水；

(c)植物需要碱金属以中和植物代谢活动中产生的酸；

(d)籽粒形成需要磷酸盐；

(e)植物从土壤中无选择地吸收一切物质，但从根部排出那些非必需物质。

他在1862年提出的最小因子律是一种预测作物对施肥反应的简单而合理的指南。这一

定律的内容如下：每块土地土壤中具有一种或数种养分的最大值和一种或数种养分的最小值。无论是石灰、钾、氮、磷酸盐、碳酸镁或其他任何养分，其最小值都与产量直接相关。这是支配和控制产量的因子。假定石灰养分值最小，即使把钾盐、二氧化硅、磷酸盐等的用量提高100倍，产量也不能进一步提高。

李比希的最小因子律此后长期统治着农业工作者的思想，在土壤肥力管理上具有广泛的重要性。

李比希依据他的植物营养的观点，制造了一种肥料。混合物的配方很完善，但他却错将石灰与磷酸盐和钾盐熔融。结果这种肥料完全无效。尽管如此，李比希在农业发展上做出的贡献是不可磨灭的，被公正地尊为农业化学之父。

继李比希的著名论文发表之后，1843年建立了英国洛桑试验站。这一机构的创建人是http://wendang.chazidian.comwes和J.H.Gilbert。这里进行的工作是早年Boussingault在法国所做的那些工作的延续。 http://wendang.chazidian.comwes和J.H.Gilbert并不相信李比希提出的所有观点都正确。在试验站建立12年后，他们确认了以下几条：(a)作物需要磷和钾，但植物灰分组成与植物对这些组分的需求的量不相符。(b)非豆科作物需要供应氮。没有氮素供应时无论施用多少磷、钾肥也不能使植物生长。大气提供的氨态氮量不能满足作物需要。(c)土壤肥力可通过施用化学肥料维持若干年。(d)休闲的益处在于增加土壤中含氮化合物的有效性。

土壤和植物氮素的问题仍未解决。几位研究人员已观察到豆科植物的不寻常表现。在某些情况下豆科植物未施氮也长势良好，在另一些情况下却不能生长。另一方面，非豆科植物在土壤没有足够的氮时不能生长。

1878年，两位法国细菌学家Theodore Scholessing和Alfred Müntz的工作澄清了一些问题。他们通过砂子和石灰石过滤使污水净化，定期分析滤出液，28天内只检测出铵态氮。以后硝酸盐才开始出现于滤液中。Schloessing和Müntz发现硝酸盐的产生可由加入氯仿而终止，而加入少量新鲜污水后又重新开始。他们的结论是，硝化作用是一些细菌活动的结果。 英国的Robert Warrington将这些试验结果用于土壤。他指出硝化作用可被二硫化碳和氯仿终止，但是加入少量未灭菌的土壤后又可以重新开始。他还指出该反应分两步进行，铵盐先转化成亚硝酸盐，亚硝酸盐继而转为硝酸盐。

Warrington无法分离硝化细菌。这一任务留给了S.Winogradsky，他使用硅胶板而不是传统的琼脂培养基分离成功，因该细菌是自养细菌，可从大气获取二氧化碳。

关于豆科植物对氮素的反常现象，两位德国人（Hellriegel和Wilfarth）于1886年认定，豆科植物根部的结瘤中必定有细菌，进而认为，这些细菌可从大气同化气态氮并将其转化为高等植物可以利用的形态。这是有关豆科固氮的头一份专门资料。Hellriegel和Wilfarth的论点基于一些试验的观察。但他们未能分离出这种细菌。后来，这种细菌被M.W.Beijerinck分离出来，并定名为根瘤杆菌（Bacillus radicicola）。

1.1.2 国外土壤肥力研究现状

国外对土壤肥力的研究相对比较宽广，大量的研究主要集中在土壤质量变化对环境承载能力的影响和对土壤生产力的影响等方面，其中土壤生产能力是研究的主要方面，人们更加关注粮食作物产量的变化规律。近年来，一些国家相继出现了人口与资源环境矛盾逐渐加剧的现象，同时很多耕地不断退化，这已经引起了多国政府的重视。

Lemenih 详细研究了埃塞俄比亚土壤利用方式对土壤肥力的影响变化规律。从实验结果来看，当大量森林面积转变为耕地后，土壤中的有机质含量呈现出快速降低的变化趋势，其中部分土壤下降幅度差异显著；土壤有效磷含量却呈现出升高的趋势；随着部分地区栽培农作物年限的增加，土壤内全氮含量显著高于林地，这也表明人类耕作栽培对土壤养分具有较好的作用[19]。耕地转变为森林用地时，由于原来人工栽培中施入了大量的有机肥和化肥，