周二读书会 | 土壤生态系统的物质循环

昵称37581541 2020-10-09

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「周二读书会」是在2020农历年前，沃土可持续农业发展中心组织各个田间学校的农夫代表一起线上读书的活动。

大家想一起读一些农业专业书籍，保持每周一次的读书分享节奏，每次通过线上交流讨论本周学习的心得。

各位农夫们一起结合自己的实践碰撞交流，看看当实践遇到理论会迸发出怎样的火花，同时也探索下关于生态农业线上共学的方法与路径。

——动态地看待土壤生态系统的物质循环——

生物的生命活动必须以一定的营养物质为基础。土壤--生物--大气--水域系统中的物质在食物链中传递和转化就构成土壤生态系统的物质流。

农田土壤生态系统中，养分循环和水循环是目前关注比较多的领域。《土壤肥料学》这本书养分循环部分以氮、磷、钾三大主要元素为例介绍养分循环。

——氮循环——

自然的氮循环如图所示，自然界94%的氮在岩石圈中，不参与循环，其余6%大部分储存在大气中，大气中的氮不能被大多数生物利用。主要包括元素循环、自养循环和异养循环。

农业生态系统中，氮素来源主要靠生物固氮和化学固氮，还有少量通过雷电固定的氮。生物固氮是通过豆科植物和其他固氮生物固氮。化学固氮主要通过工厂讲空气中的氮转化为氨，再进一步制作各种氮肥。

农业生产中，一方面可以通过种植豆科植物固氮，另一方面也要提高秸秆利用率。农作物秸秆储存大量的氮，不应该被燃烧掉或丢弃，可以通过堆肥或沼气池发酵将氮素留在农业系统中。

伴随施用氮含量较高的有机肥经常遇到“臭味”问题，如泡花生麸水、油枯水、沼液，或者鸡粪堆肥等，这种臭味多为氨气，其本身就是很好的氮肥，臭味是一种但损失，可以通过增加堆肥或者液体发酵物的碳氮比减少损失，比如泡花生麸水、油枯水添加糖蜜复合发酵就可以增加氮素的固定，减少或者没有臭味。

近三四十年来，大量偏施化学氮肥，一方面容易造成作物的徒长和病虫害增加，另一方面土壤结构逐渐被破坏，土壤保肥力下降，大量化学肥料伴随雨水流入河流或地下水造成环境污染（我国目前氮肥利用率仅有25%~35%）。因此，应增加施用有机肥或种植绿肥，合理施用氮肥。

——磷循环——

土壤中的磷主要有无机态磷和有机态磷。在一般矿物质土壤中无机态磷比例高，在有机质含量较高的土壤中，两种比例差不多。

磷和氮不同，基本不会挥发。磷肥的利用率低，主要原因是磷的固定作用，在偏酸或者偏碱的土壤中，水溶性磷在土壤中与钙、镁、铁、铝等结合城难溶性磷化物，而阻止作物根系的吸收。

磷的有效度在土壤pH在5.5~7.5之间较高。作物一般对磷肥的当即利用率一般只有10%~20%。

土壤生物和有机物在磷循环中有重要地位，一方面因为有机物储存的磷素经过微生物的分解转为有效磷易于为植物所用，另一方面土壤生物（如植物根系、菌根、磷细菌等）及死亡有机物能促进土壤沉积态磷的有效化（比如植物根系分泌有机酸类物质促进沉积态的磷溶解或者转化）。

磷循环的特点是土壤和肥料中磷的形态和转化，特别是磷在土壤中的固定和溶解的动态平衡关乎作物生长的磷是否满足。这一方面提示我们可以通过土壤管理促进磷的形态转化，另一方面也不要片面追求土壤中有效磷含量过高，会造成土壤磷的淋失；参考下图，土壤磷的形态转化，难溶性磷和水溶性磷可以相互转化，土壤本身就是磷库，平常以难溶态存在也是对磷的一种保护。

磷循环比氮循环简单，贮存库小，只包括土壤、磷矿和水域。每年由大陆流入海洋的磷酸盐为1400万吨。但这些库进入生物循环，很不容易调节，从水域向陆地转移的数量极微。过度使用水溶性磷肥会造成地球磷库损失。

2010年有研究推测我国的磷矿资源仅够维持不到50年，磷资源的缺乏限制可能比氮肥严重，故应重视从多种途径实现磷的再循环及使用土壤沉积态磷的使用。因此，应重视土壤有机磷的，通过增加有机物培养土壤结构和微生物环境，提高土壤供磷和蓄磷的能力。

——钾循环——

我国大多数土壤及母质中钾含量丰富，但土壤中钾大部分是难溶性的，作物不能利用。当季作物作物能够利用的钾仅占土壤全钾的1%~2%，土壤中可溶性钾的损失主要是淋失，也有一部分被土壤矿物晶格而失去活性。

经上图土壤钾循环可以看出，除增加水溶性钾肥之外，也可以增加有机物（有机物分解产生的有机钾可以通过代换性钾的转换成为水溶性钾）。植物茎叶中钾含量较高，植物秸秆通过堆肥化还田成为土壤钾的重要来源。草木灰也是重要的土壤钾素来源。

近年来，因为研究表明钾对于果实甜度改善的效果，生产上过度使用钾肥，一方面造成钾的利用率低（仅20%~30%，其余大部分淋失），另一方面钾过多也会影响作物对钙镁元素的吸收。因此，一方面要增加土壤有机质，扩充土壤钾库和钾的持续供应能力，另一方面要减少水溶性钾肥的使用量。

——小结：农田土壤的养分循环——

通过上述氮磷钾循环的学习，我们应该看到土壤的养分元素是存在不同形态进行相互转化或转换的，在可利用态和不可利用态之间转换，可利用态是植物可以直接吸收利用，不可利用态是对养分元素的储存。

了解土壤养分循环规律，对于我们有效的管理利用土壤肥力，有计划的投肥和安排动植物生产，减少资源损失等具有重要的意义。

农业土壤生态系统的养分循环是沿着土壤——植物——动物——土壤的途径进行的。系统中暂时固定或贮存的场所称为养分库，养分一般可分为三个库：土壤库、植物库和牲畜库。

土壤库中分为有效养分库、土壤有机质库和土壤矿物质库。土壤有机质经过矿化作用变成有效养分。

土壤矿物经过风化和溶解，释放出有效养分，转移到有机体和土壤有机质中。土壤养分被植物吸收进入植物库，或者通过各种方式（淋溶、氨挥发、反硝化等）输出。

植物库养分除来自土壤外，还有大气固氮、种子、降雨、降尘等途径输入，其产品可以作为牲畜饲料进入牲畜库，或者作为商品输出系统，或以残留物（残茬、落叶等）遗留在土壤中。

牲畜产品（肉、蛋、奶、毛等）一般输出系统进入市场，另一方面又从系统外输入饲料、垫草、牲畜排泄物回归土壤库。

如下图，三个养分库的养分流通途径共有31条通道，大部分在系统内循环。但作为开放系统，也有输入和输出。

因此，土壤养分循环的管理的要点一方面是提升系统内养分库，尽可能将养分留在系统内循环，另一方面，做到养分收支平衡。

土壤养分是重要的农业资源，为了尽可能把把土壤养分留在本地农业生态系统中，我们可以合理安排耕作制度，比如，通过提高土壤有机质提高土壤库容量（有机质促进土壤团粒化结构形成，提高土壤保肥力）；当土壤中可利用态养分过多时，我们可以增加地表植物的种植，使过多的养分储存在植物库（保留杂草，增加地表绿色覆盖也是把养分留在植物库的措施之一），植物收获以后的秸秆等可以通过堆肥再循环回来（或者通过绿肥直接还田），或者将植物秸秆饲喂动物，再通过动物粪尿循环回土壤。

下图是一个农田土壤养分管理收支平衡计算表，可以参考其中思路，了解土壤养分不同的输入输出途径，尽可能做到收支平衡。