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第五节 合理施肥的生理基础
作者:植物生理…    文章来源:扬州大学农学院    点击数:2055    更新时间:2007/7/4
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  施肥的目的是为了满足作物对矿质元素的需要,肥料要施得及时而合理,首先应了解作物需肥规律,方能达到预期效果。

一、作物需肥特点
  (一)不同作物或同一作物的不同品种需肥情况不同
  禾谷类作物如小麦、水稻、玉米等需要氮肥较多,同时又要供给足够的P、K,以使后期籽粒饱满;豆科作物如大豆、豌豆、花生等能固定空气中的氮素,故需K、P较多,但在根瘤尚未形成的幼苗期也可施少量N肥;叶菜类则要多施N肥,使叶片肥大,质地柔嫩;薯类作物和甜菜需要更多的P、K和一定量的N;棉花、油菜等油料作物对N、P、K的需要量都很大,要充分供给。另外油料作物对Mg有特殊需要;而甜菜、苜蓿、亚麻则对硼有特殊要求。同一作物因栽培目的不同,施肥的情况也有所不同。如食用大麦,应在灌浆前后多施N肥,使种子中的蛋白质含量增高;酿造啤酒的大麦则应减少后期施N,否则,蛋白质含量高会影响啤酒品质。
  (二)作物不同,需肥形态不同
  烟草和马铃薯用草木灰做K肥比氯化钾好,因为氯可降低烟草的燃烧性和马铃薯的淀粉含量(氯有阻碍糖运输的作用);水稻宜施铵态氮而不宜施硝态氮,因水稻体内缺乏硝酸还原酶,所以难以利用硝态氮;而烟草则既需要铵态氮,又需要硝态氮,因为烟草需要有机酸来加强叶的燃烧性,又需要有香味。硝酸能使细胞内的氧化能力占优势,故有利于有机酸的形成,铵态N则有利于芳香油的形成,因此烟草施用NH4NO3效果最好;另外,黄花苜蓿及紫云英吸收磷的能力弱,以施用水溶性的过磷酸钙为宜;毛苕、荞麦吸收磷的能力强,施用难溶解的磷矿粉和钙镁磷肥也能被利用。
  (三)同一作物在不同生育期需肥不同
  一般情况下,植物对矿质营养的需要量与它们的生长量有密切关系。萌发期间,因种子内贮藏有丰富的养料,所以一般不吸收矿质元素;幼苗可吸收一部分矿质元素,但需要量少,且随着幼苗的长大,吸收矿质元素的量会逐渐增加;开花结实期,对矿质元素吸收达高峰;以后,随着生长的减弱,吸收量逐渐下降,至成熟期则停止吸收。但是不同作物对各种元素的吸收情况又有一定差异(表3-8)。因此,在不同生育期,施肥对生长的影响不同,对增产效果有很大的差别,其中有一个时期施用肥料的营养效果最好,这个时期被称为植物营养最大效率期。一般作物的营养最大效率期是生殖生长时期。
  综上所述,不同作物、不同品种、不同生育期对肥料要求不同,因此,要针对作物的具体特点,进行合理施肥。

二、施肥指标
  要合理施肥,就要全面掌握土壤肥力和植物营养状况。有了这两方面的资料,方能根据土壤肥力,配施适量基肥;依据作物各生长阶段的营养状况,及时追肥。
  (一)土壤营养丰缺指标
  土壤肥力是个综合指标,根据中国农业科学院调查,每公顷产6~7.5t的小麦田,除了具有良好的物理性状外,还要求有机质含量达1%,总氮含量在0.06%以上,速效氮30~40mg·L-1 ,速效磷在20mg·L-1 以上,速效钾30~40mg·L-1 。由于各地的土壤、气候、耕作管理水平不同,所以对作物产量和土壤营养的要求也各异。因此,施肥指标也要因地因作物而异,不能盲目搬用外地经验,只有通过本地的大量试验和调查,才能确定当地土壤的营养丰缺指标。
  (二)作物营养丰缺指标
  土壤营养指标并不能完全反映作物对肥料的要求,而植物自身的表征,应该是最可靠最直接的指示。

  1.形态指标 根据作物的长势长相和叶色变化判断作物的营养状况,从而补充作物所缺肥料。
  (1)长相 一般来说,氮肥多,生长快,叶片大,叶色浓,株形松散;氮不足,生长慢,叶短而直,叶色变淡,株形紧凑。广东农民总结出水稻高产的长相是:分蘖期间,叶成“公鸡尾”,叶尾距离大,稻丛似兰花(或水仙花);拔节期间,叶成平头,叶尾距离小,稻丛似“洗锅刷”;孕穗期间,包胎叶挺直,短硬,叶成竹枪头,稻丛似“扫帚”。河南农民总结出小麦苗期的叶片长相为:瘦弱苗象马耳朵,壮苗象骡耳朵,旺苗象猪耳朵。这些经验对合理施肥很有参考价值。
  (2)叶色 叶色也是一个很好的形态追肥指标。功能叶的叶绿素含量与含氮量相关,叶色深,则表示氮和叶绿素含量都高。叶色对施肥的反应快,施无机肥料3~5日,叶色即可反应出来,比生长反应快。江苏省农民应用陈永康在单季晚粳稻高产栽培中总结出的“三黑三黄”(在分蘖、拔节和孕穗期叶色加深,而在分蘖末期、幼穗分化和临抽穗期叶色褪淡)经验进行看苗追肥,使水稻生长表现为“前期发得起,发而不过头;中期稳得住,稳而不落瘦;后期壮而健,壮而不早衰”。广东省潮汕老农总结出丰产水稻叶色变化的规律为,早稻“乌、赤、青”,晚稻“青、赤、青”,并用这些规律进行看叶色追肥。
  2.生理指标 根据作物生理状况来判断作物营养水平的指标,称为生理指标。
  (1)体内养分状况 在营养诊断中通常对“叶分析”比较重视,即测定叶片或叶鞘等组织中矿质元素含量,来判断营养的丰缺情况。
  西北农业大学对拔节期冬小麦的测定(表3-9)表明,营养速测能够较客观地反映小麦生长状况。土壤肥沃的田块,小麦生长健壮,体内含N、P也高。另外,从可溶性糖含量看,旺苗和壮苗因将较多的糖用于生长,故含糖量反而下降。

  中国农业科学院江苏分院分析每公顷产皮棉1 125~1 275kg的棉株叶柄(顶端向下4~5片叶柄),认为适宜的硝态氮含量应为:苗期100~250mg·L-1 ,初蕾期300~450mg·L-1 ,花期140~250mg·L-1 。低于这个幅度就表示肥力不足,应及时施肥;而高于这个幅度,棉株就可能徒长。南京土壤研究所以水稻心叶下第三叶鞘为测定部位,认为铵态氮含量150~200mg·L-1 为正常,低于150mg·L-1为低量,100mg·L-1左右为缺乏,高于200mg·L-1为充足,达到250mg·L-1为过剩。
  (2)叶绿素含量 研究指出,南京地区的小麦返青期功能叶的叶绿素含量以占干重的1.7%~2.0%为宜,如果低于1.7%就是缺肥;拔节期以1.2%~1.5%为正常,低于1.1%表示缺肥,高于1.7%则表示太多,要控制拔节肥;孕穗期以2.1%~2.5%为正常。
  (3)酰胺和淀粉含量 日本学者的研究指出,水稻叶片中的天冬酰胺,可作为施肥的生理指标:这是因为当植株吸收氮素过多时,就以酰胺的形式贮藏在叶片中,故酰胺积累情况,可作为判断氮素含量的指标。一般可在水稻幼穗分化期测定未展叶或半展叶中的天冬酰胺,若测到天冬酰胺,则可不施穗肥;若测不到,则表示缺氮,必须立即追施穗肥。水稻叶鞘中淀粉含量,也可作为氮素的丰缺指标:氮肥不足,可使淀粉在叶鞘中累积,所以叶鞘内淀粉愈多,表示氮肥愈缺乏。其测定方法是将叶鞘劈开,浸入碘液,如被碘液染成的蓝黑色颜色深且占叶鞘面积的比例大,则表明土壤缺N,需要追施N肥。
  (4)酶活性 某些酶的活性与其特有的元素多寡有密切关系,因为这些元素是酶的辅基或活化剂,当这些元素缺乏时,酶活性会下降。如缺铜时,抗坏血酸氧化酶和多酚氧化酶活性下降;缺钼时硝酸还原酶活性下降;缺锌时碳酸酐酶和核糖核酸酶活性降低;缺铁可引起过氧化物酶和过氧化氢酶活性下降。因而,可根据某种酶活性的变化,来判断某一元素的丰缺情况。总的说来,生理指标可靠、准确,是诊断作物营养状况最有前途的方法。但目前工作尚少,未能形成完整而严密的诊断系统,还有待于进一步完善。

三、发挥肥效的措施
  农业生产中除了适时适量地施入肥料外,还要采取某些措施使肥效得到充分发挥。常用的措施有:
  (一)肥水配合,充分发挥肥效
  水分是矿质的溶剂,缺水会直接影响植株对矿质的吸收和利用。水分通过影响植物的生长而间接影响其对矿质的利用。水分还能防止肥料过多的“烧苗”,从而改善植物利用矿质的环境条件。所以土壤干旱时施肥效果减小,若在施肥的同时适量灌水,就能大大提高肥料效益。水田施肥后保持水层,有利于土壤氨化细菌的生活繁殖,能使铵态氮显著增多, 而且不易流失。这就是以水调肥的道理。相反,也可用控制水分的办法来控制植物对肥料的利用;当肥料过多,特别是氮肥过多,常会造成作物疯长,在这种情况下,可用减少灌水的办法,限制植物对矿质的吸收,从而达到以水控肥的效果。
  (二)深耕改土,改良土壤环境
  适当深耕,增施有机肥料,可以促进土壤团粒结构的形成。这不但可增加土壤保水保肥的能力,而且可改善根系生长环境,使根系迅速生长,扩大对水肥的吸收面积,同时也有利于根系对矿质的主动吸收,增强对矿质的吸收速率。
  (三)改善光照条件,提高光合效率
  施肥增产的主要原因是肥料能改善光合性能。改善光照条件,提高作物光合效率,是充分发挥肥料效益的关键因素。合理密植,通风透光,使作物制造更多的有机物质,用于躯体的扩大生长,一则强大的根系有利于矿质的吸收,二则繁茂健壮的地上部分增强了矿质的用。反之,密度过大,株间光照不足,影响光合作用,此时虽有充足的肥水,不但起不到增产作用,还会造成徒长、倒伏,最后导致减产。
  (四)改革施肥方式,促进作物吸收
  改表层施肥为深层施肥。过去施肥多为表施,氧化剧烈,铵态氮的转化,氮、钾肥的流失,某些肥料的分解挥发,磷素的固定等都很严重,所以作物吸收利用的效率不高。据研究,对水稻施用的氮、磷、钾肥有一半以上被浪费掉。深层施肥将肥料施于作物根系附近5~10cm深的土层,由于肥料深施,挥发少,铵态氮的硝化作用也慢,流失也少,供肥稳而久,加上根系生长有趋肥性,根系深扎,活力强,植株健壮,增产显著。另外,根外施肥也是一种经济用肥的方法。

四、无土栽培
  无土栽培(soilless culture)是指用营养液(化学肥料溶液)代替土壤栽培植物的方法。古代缺乏土壤的地区已有利用水面栽培作物的记载。1860年萨克斯和诺普相继发表了应用十大化学元素的无机盐配制成营养液,栽培植物获得成功,称它为水培。以后水培和砂砾培养得到发展。1939年美军在太平洋岛屿上用无土栽培法生产蔬菜,以后很多无土栽培农场建立起来。1970年以后,由于营养膜技术和岩棉技术的发展,使蔬菜和花卉的无土栽培得到了快速发展。如英国的泽西岛建成了6.07hm2的营养膜技术生产系统。1975~1978年仅3年时间荷兰的岩棉栽培面积就扩大了约50倍,达到20~25hm2。中国也在多处建立了无土栽培试验场,并正逐渐推广扩展。
  (一)种类和设施
  1.种类 在1976年的世界无土栽培会议上,对不同的无土栽培系统作了分类,并作如下的定义:
  (1)水培(water culture):植物的根系浸没在营养液中,如营养膜技术(nutrient film technique,NFT)。
  (2)砂培(sand culture):植物根系生长在小于3mm直径的固体颗粒中,如砂子、珍珠岩、塑料粒及其它无机物质。
  (3)砂砾栽培(gravel culture):植物的根系生长在大于3mm直径的固体颗粒中,如砂砾、玄武岩、火山渣、浮石、塑料粒及其它无机物质。
  (4)蛭石栽培(vermiculaponics):植物根系生长在蛭石或蛭石与其它无机物质的混合物中。
  (5)岩棉栽培(rockwool culture):植物根系生长在岩棉(石棉)、玻璃棉或其它同类物质中。 此外,还有水耕(hydroculture)、深液流技术(deep flow technique)、雾培(sprayculture)、泥炭培(peat culture)和锯木培(sawdust culture)等等。
  2.设施 上述这些种类在生产上归纳为两种无土栽培系统,即NFT系统和固体栽培系统。
  (1)NFT系统 即营养膜技术。这是一种营养液循环的液体栽培系统,其原理如图3-1D所示,该系统让流动的薄层营养液流经栽培槽中的植物根系来栽培植物。流动的薄层营养液除了可均衡供应植物所需的营养元素和水分外,还能充分供应根系呼吸所需的氧气。由于植物不断消耗养分和水分,因此要经常补充。
  (2)固体栽培系统 NFT系统要解决固定植物的问题,而固体栽培系统是由固体物(如蛭石、珍珠岩、陶粒、岩棉、砂砾等)作为栽培基质,将植物栽培在固体物中。这种栽培系统也是由营养液供给植物营养和水分,它可以采用循环的营养液供应系统,也可采用非循环方式,即用营养液进行滴灌,这二者都能取得良好效果。
  无土栽培属保护地栽培形式,除采用上述设施外,还需有与其配套的温室大棚等环境条件和计算机管理系统,使作物地上部分和地下部分都处于最佳状态,使之一年四季都能进行生产。
  (二)营养液
  在无土栽培中无论哪种类型都需要加入营养液,因此营养液是无土栽培的核心。营养液是由含各种植物营养元素的化合物溶解于水配制而成。其组成成分有水,含有营养元素的化合物及辅助物质。
  1.水 营养液中绝大部分是水,因使用目的不同,对水质的要求亦不同。在研究营养液新配方及某些营养元素的缺乏病症时,需要使用蒸馏水或去离子水。在大生产中可使用雨水、井水和自来水。
  2.营养元素化合物及辅助物质 营养液中含有植物必需的大量元素和微量元素的各种化合物,其营养液ψs一般为-0.03MPa~-0.15MPa之间,较适中的浓度时ψs约为-0.09MPa。营养液中各种化合物浓度和比例应根据生理平衡和化学平衡原则来确定。对于易形成难溶性化合物的阳离子和阴离子的浓度,应控制其阴、 阳离子浓度的乘积小于其溶度积常数Sp,以避免形成沉淀.进行营养液的配制时,需根据不同目的,选用不同纯度的试剂。若要研究营养液新配方及探索营养元素缺乏症等试验,除特别要求精细外,一般用化学纯级即可。在生产中,除了微量元素用化学纯试剂或医药用品外,大量元素的供给多采用农业用品,以利降低成本。营养液的pH控制在5.5~6.5。这是因为植物根系不受伤害的pH范围是4~9之间,同时营养液pH过高或过低会影响营养元素的有效性。pH>7时,P、Ca、Mg、Fe、Mn、B、Zn等的有效性都会降低,特别是Fe最突出。pH<5时,由于H+浓度过高会对Ca产生显著的颉颃,使植物吸收Ca减少而出现缺Ca症。现在世界上已发表了无数的营养液配方。其中以美国植物营养学家霍格兰特(Hoagland D. R.)研究的营养液配方表(3-3)最为有名,正被世界各地广泛使用。世界各地的许多配方都是参照霍格兰特的配方,因地制宜地调整后演变来的。在日本,研制了一种称为园试配方的均衡营养液正被广泛使用。现列出这两种配方(表3-10)以作比较。
  (三)营养液的管理
  作物根系大部分生长在营养液中,并吸收其中的水分、养分和氧气,从而使其浓度、成分、pH、溶解氧等不断变化。同时根系也分泌有机物于营养液中,且有少量衰老的残根脱落于营养液中,致使微生物也会在其中繁殖;外界温度也时刻影响着液温。因此必须采取措施对上述影响因素进行调控。
  1.增氧 生长在营养液中的植物根系,其呼吸所消耗的氧有两个来源,一是靠溶存于营养液中的氧;二是靠植物体内形成的氧气输导组织从地上部分向根系输送氧。对于不耐淹浸的旱地植物,体内不具备氧气输导组织,因此必须补充溶氧。目前采取给营养液中补充溶氧量的方法有:①搅拌。此法有一定效果。②用压缩空气通过起泡器向溶液内扩散微细气泡。此法效果较好,主要在小盆钵水培中使用。③把化学试剂加入营养液中产生氧气。此法效果尚好,但价格昂贵。④将营养液进行循环流动。此法效果尚好,生产上普遍采用。
  2.水分和养分的调整 水分的补充应每天进行,一天之内应补充多少次,视作物长势、每株占液量和耗水快慢而定。养分的补充应根据浓度的下降程度而定。浓度的测定主要在营养液补充足够水分使其恢复到原来体积时取样。浓度的高低以总盐分浓度反映,用电导率表达。
  3.pH的调整 营养液的pH因盐类的生理反应而发生变化,其变化方向视营养液配方而定。用Ca(NO32、KNO3为氮钾源的多呈生理碱性;用(NH42SO4、CO(NH22、K2SO4为氮钾源的多呈生理酸性。最好选用比较平衡的配方,使pH变化比较平稳,可以省去调整。pH上升时,用H2SO4或HNO3去中和。pH下降时,用NaOH或KOH中和。
  4. 液温的管理 一般来说,夏季的液温保持不超过28℃,冬季的液温保持不低于15℃,这对适应于该季栽培的大多数作物都是适合的。液温的变化主要是受气候的影响,要完全控制它,必须设有全天候的温室。
  (四)无土栽培的优点
  无土栽培是一个将先进的科学技术用于生产上的设施农业,它的兴起使农业、园艺和林木生产进入了新的技术发展阶段,无土栽培的优点可概括为:
  1.不受土地条件的限制 无土栽培改变了“万物土中生”的依赖土地生存的传统观念和土壤耕种方式,可在不宜耕种的地方如沙石、不毛之地甚至宇宙飞船上都可以栽培作物。在家庭、办公室可利用窗台、阳台、走廊、屋顶及其空闲地方进行栽种植物,这不仅可以创造经济效益,还可以美化环境,净化空气。
  2.改善作物品质 无土栽培不仅产量高,而且改善品质。如无土栽培的番茄除在外观上提高商品价值外,其维生素C的含量比土培的提高了30%,另外维生素A含量和矿物质含量也都有明显增加。无土栽培的花卉其各项指标均强于土培的。无土栽培没有杂草,也不存在由土壤感染而发生病虫害,它能避免因使用农药、除草剂而造成的农产品污染,因此应用无土栽培生产的蔬菜瓜果等属于无公害食品,有益于人体健康。从另一方面讲,也节约了人力和物力。
  3.节省水、肥 一般田间灌溉用水,大部分都被蒸发、流失和渗漏了,被植物吸收利用的是很少的一部分。对比试验指出,每生产1kg茄子可消耗的水分,土培是无土栽培的7倍。田间肥料的损失是很大的,如一般氮肥的利用率为30%~50%,其余部分在土壤的硝化细菌和反硝化细菌的作用下,成为氮气进入大气中。又如磷酸盐在土壤中大部分转化为难溶性的形式,不能被植物吸收,当年利用率仅为20%。而无土栽培却没有以上的问题,它按植物生长发育的需要供应营养,因而不存在养分损失的问题。
  4.便于工厂化生产 无土栽培充分显示出农业可以像工业生产一样,机械化、自动化生产作物,完全由人工控制植物生长。现在世界上已有全自动化无土栽培设施和立体化无土栽培工厂,因此无土栽培具有十分诱人的广阔的发展前景。

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