|
有效的生态土壤管理的第一步是对土壤这一复杂的生物系统的认识。要了解土壤，就要意识到一切都是如何影响和受其影响的。我们都是土壤生态系统的一部分。 土壤肥力可以描述为其培育健康植物的能力。可持续农业旨在保护土壤在不依赖“农场外”肥料的情况下收获作物时再生失去的养分的能力。这种再生能力反过来取决于土壤中生存、生长、繁殖和死亡的生物的多样性、健康和活力。通过土壤微生物的活动，每克健康表层土中的微生物数量可达数十亿，植物所需的基本原料可以在适当的时间、以适当的形式和数量提供。 生态土壤管理的基本目标是为土壤中的生命提供适宜的条件。 你的农场既是土壤的产物，也是土壤的生产者。将您的农场视为一个活的有机体，当其自然循环和过程得到增强时，它将实现最大的长期生产力。缩短这些周期以获得短期控制或经济收益，最终将证明生态格言：“战胜环境的生物会自我毁灭。” 开始的地方是你现在的位置。数以千计的土壤类型已经被命名、分类和描述。知道他们的名字可以告诉你很多关于他们的一般特征；但是，就像任何生物一样，每个个体都是独一无二的。了解你所在地区的土壤，土壤科学家如何对其进行分类和描述，以及与你自己观察到的土壤进行比较。 土壤分类方案根据土壤的不同性质、所含矿物质的种类、形成方式和各种物理特性来组织土壤。任何土壤的个体特征都是由其特定地理区域固有的因素组合而成的（见表1）。 表1土壤环境影响 气候温度和降水会影响有机质的积累速率和可溶性土壤矿物的存在。例如，由于温度较低，分解速度较慢的地方会积累更多的有机物，而高降雨量则会从表层土中沥滤矿物养分。 原生植被。草地、森林和过渡带都以不同的方式影响土壤发育。例如，松林中的落叶会增加土壤酸度。在草原下发育的土壤颗粒通常通过在那里发现的大量微生物和根的活动而结合成稳定的团聚体。 母材。其形成的下伏岩石类型决定了土壤的矿物含量和基本质地。例如，石灰岩基岩有助于抵消土壤酸度。红壤表明，母质和衍生土壤富含铁。火山灰最终会产生大量无定形粘土。 地形土壤可能会被山坡侵蚀并沉积在低地。尼罗河等河谷的传说中的肥沃是由高地携带的丰富沉积物造成的，而全世界的山区农民都很难留住宝贵的表层土。 时间土壤中矿物质的可用性和腐殖质的发育程度也受原生岩石风化时间的影响。年轻的土壤，如夏威夷和其他火山活动地区的土壤，可能含有少量粘土，这是由于风化作用对母岩的化学作用而产生的。 冰川作用和地质活动。在北温带地区，冰川的进退，最近一次发生在12000年前，对土壤的形成和质量产生了重大影响。火山活动在许多地区留下了营养丰富的熔岩沉积物。 世界各地的土壤被分为十大类（见表2）。在潮湿的温带地区，如美国东北部，森林是主要的天然植被，孢子土的土壤顺序是最常见的。这些土壤通常由质地粗糙的母体材料形成，并且往往酸性很强，矿物质含量很低。草原土壤是在降雨量适中的平坦草地上形成的，属于松软土。它们是最具自然生产力的土壤之一，具有高的天然有机质和矿物质含量。在季节性降雨量非常高的热带地区，严重淋溶的多土壤也趋于酸性。撒哈拉沙漠、戈壁沙漠和突厥斯坦沙漠，以及澳大利亚南部和中部以及美国西南部大部分由干旱地区组成。如果灌溉，它们可以生产，但必须非常小心地防止可溶性盐的有毒积累。 每个目进一步细分为亚目、大群和子群。除此之外，土壤以家族、协会和系列的形式进行描述，这提供了有关其植物生长特征、有机物和矿物质含量、结构、排水和颜色的更多信息。系列通常以其所在的城镇、河流或县命名。 您当地的推广或土壤保护服务办公室可能会为您的土地提供土壤地图。他们还可以向您展示您所在县的土壤调查，该调查提供了有关当地土壤及其最佳用途的详细信息，以及有用的气候数据。 表2土壤十大纲
来源：改编自Nyle Brady，《土壤的本质和性状》，第10版。 有机质和腐殖质 土壤健康和腐殖质是不可分割的：健康是土壤生活人口的活力，而腐殖质是其活动的象征。腐殖质是土壤生态系统的基石，它影响着土壤的各个方面，也受到土壤的影响。建筑土壤腐殖质可以改善其物理和化学财产以及生物健康。 所有的腐殖质都是有机质，但并非所有的有机质都是腐殖质。未经处理的有机物由尚未分解的有机物的废物或残余物组成。腐殖质是一种经过一定程度分解的有机物质。没有硬性的分界线，而是一个连续体，一端是新鲜的、未分解的有机材料——粪肥、锯末、玉米茬、厨余垃圾或昆虫尸体，另一端是稳定的腐殖质，这些腐殖质可能会抵抗数百年的分解。表3总结了不同类型有机质和腐殖质的属性。 腐殖质呈深棕色，多孔，海绵状，有点黏糊糊，有一种令人愉悦的泥土香味。从化学上讲，它是一种复杂化合物的混合物，其中一些是不易分解的植物残留物，如蜡和木质素。其余的是由土壤生物（主要是细菌和真菌）在消耗有机碎屑时合成的胶质和淀粉。腐殖质的组成是高度可变的，这取决于原始材料的性质及其分解条件。 “腐殖质 ”实际上是一个通用术语，而不是一个精确的术语。它的品质将反映出不同的起源和组成。正如葡萄酒的质量千差万别，腐殖质也是如此。而且，正如不同的葡萄酒适合不同的烹饪用途一样，腐殖质的种类也具有不同的土壤功能。 提出了几种腐殖质分类方案。关于它是如何形成的，为什么它会如此，以及应该如何衡量，理论各不相同。仍能轻易分解的腐殖质被称为有效或活性腐殖质。它由高比例的简单有机酸（黄腐酸）组成，这些酸会溶解在酸或碱中。这种类型的腐殖质是植物养分的极好来源，随着土壤生物进一步分解而释放，但对土壤结构和长期耕作影响不大。这种腐殖质主要来源于有机物质的糖、淀粉和蛋白质部分。 腐殖酸溶于碱而不溶于酸，是更稳定或被动的腐殖质；腐殖质是最稳定的腐殖质的主要成分，它高度不溶，与粘土颗粒紧密结合，微生物无法穿透。因为稳定的腐殖质能抵抗分解，所以它几乎不能为土壤系统添加养分，但它对改善土壤的物理质量至关重要。碳-14测年表明，非常稳定的腐殖质复合体可能会在数千年内保持不变。稳定的腐殖质来源于木质植物残留物，其中含有大量纤维素和木质素。 土壤有机质和腐殖质的状态是一个动态的状态，通过生活在那里的所有生物的活动不断变化。理想情况下，在任何时候，不同种类的腐殖质之间都应该有一个大致的平衡，当植物营养需求最高时，活性较高的部分占主导地位，然后在收获后或植物休眠时，让位于更稳定的形式。在凉爽潮湿的条件下，真菌和放线菌比细菌分解菌更丰富，它们在稳定腐殖质的形成中也更重要。 在土壤生物活性的最佳条件下，变化最快，必须不断添加新鲜的有机原料，以保持循环。任何伤害或扰乱土壤群落成员的行为都可能导致土壤中的“消化不良”。例如，如果大量硝酸盐肥料涌入土壤系统，负责将蛋白质片段转化为硝酸盐的细菌将被抑制，从而“支持”整个有机分解过程。它们会在一段时间后恢复，但如果这一过程年复一年地重复，土壤消化新鲜有机物的能力将严重受损。 有机质和腐殖质在土壤中分解的过程称为矿化。虽然腐殖质是有机物矿化的产物，但它也可以在适当的条件下矿化。第3章讨论的有机物管理要求您了解什么条件会加速或减缓矿化。 当条件适合细菌繁殖时，矿化会迅速发生：高通气、充足的水分、良好的pH值和平衡的矿物质营养。耕作通过引入空气来加快速度；如果土壤干燥，灌溉也会刺激矿化。用深色覆盖物或行覆盖物提高土壤温度，或者在温室床上加热土壤，也会促使养分更快地释放到植物体内。 正如施肥一样，当你选择刺激矿化时，理解“足够”的概念很重要。有机物质中养分释放过快会导致问题，这与过度施肥的问题类似：植物硝酸盐摄入过多或养分可能渗入地下水。通过确保添加足够的有机物来补充矿化的物质，避免“燃烧”重要的、稳定的腐殖质储量也是很重要的。 腐殖质往往在不利于矿化的条件下积累最快：低温、低pH值和通风不良。虽然在某种程度上这是可取的，但过分的极端例子是泥炭沼泽，它几乎由纯腐殖质组成。这里的关键是平衡：一个活跃、健康的生物种群将在腐殖质形成的同时不断矿化腐殖质。当你适应了土壤中的生物活动和健康迹象，以及作物的生长和休息节奏时，你会在腐殖质形成和腐烂时产生更好的“足够”感。
表3有机物质和腐殖质的性质和功能
物理因素：土壤结构和耕作 耕田之于土壤，犹如健康之于人。良好耕作的土壤具有良好的物理条件，可以维持土壤的生命。良好的耕作也意味着土壤疏松，易于耕作，因此工具和植物根都可以很容易地挖进去。水分和通气是土壤的关键物理性质。土壤保持水分而不变得潮湿的能力，以及允许空气渗透到植物根部和其他土壤生物的能力，对肥力的各个方面都至关重要。土壤的倾斜度是其质地、结构、聚集度、密度、排水量和持水能力的综合。无论你从哪种土壤开始，大部分这些品质都可以通过增加其有机质和腐殖质含量来改善。 土壤成分 良好的壤土的一半体积是孔隙空间，即空气和水可以渗透的颗粒之间的区域。孔隙空间通常是等体积的空气和水，附着在土壤颗粒表面。不要忽视孔隙空间的重要性。世界上所有的肥料都无法解决因孔隙空间不足而造成的密实土壤问题。
图1。土壤颗粒和孔隙空间，显示覆盖每个颗粒的水薄膜。（Timothy Rice绘制） 在土壤的固体一半中，约90%由形成土壤的少量岩石和矿物以及母岩风化产生的粘土组成。剩下的10%是有机部分。这一小部分土壤对其支持植物生长的能力的影响是巨大的。 土壤中的沙子和粘土成分在很大程度上是不可改变的，你没办法改变它们。但是你如何管理你的土壤会对它所含的有机物质的数量和质量产生深远的影响。土壤的有机部分是一种动态物质，不断发生变化。它由活生物体组成，包括植物根和细菌，以及死亡的植物残渣和其他废物。在一英亩土壤的顶部六英寸处，活生物体的总重量可以从5000磅到20000磅不等。 基本素质 每一种土壤都有其独特的物理特征，这取决于它是如何形成的。这些品质中的一些可以通过适当的管理来改善，或者通过滥用而变得更糟，但其他品质必须简单地被视为你必须与之合作的基本出发点。要改变基岩或地下水位的深度，或者消除陡峭的斜坡，你没什么办法。你可以从非常坚硬的土壤中挑选岩石，但在寒冷的气候下，每年春天，冻胀只会把更多的岩石带到地表。 土壤质地就是这样一种内在品质。质地可以是非常细的，主要是粘土颗粒，也可以是粗的和砾石颗粒。任何极端都是不可取的：理想的壤土质地是细粘土和淤泥与粗砂的平衡。土壤的质地会影响其营养状况、可操作性、通风和排水。粘土很好地保持水分和养分，但排水不良，很难工作。当它们变干时，它们会形成坚硬的团块，并具有混凝土的稠度。沙质土壤通常易于耕作，排水良好，但养分和持水能力较差。它们的高通气性意味着有机物质分解太快，几乎没有形成稳定的腐殖质。（有关评估土壤质地和其他物理性质的说明，请参阅第3章。） 结构和聚合 良好的耕作与其说取决于土壤的组成，不如说取决于它如何保持在一起。土壤颗粒形成稳定骨料的能力，使其具有易碎的、蛋糕状的稠度，决定了其结构的稳定性。理想的碎屑结构，如下图所示，在很大程度上是生物活动的产物。腐殖质在土壤团聚体的形成中起着核心作用，但许多土壤生物，尤其是蚯蚓，都会分泌黏糊糊的树胶，这对将土壤颗粒保持在一起至关重要。通过增加腐殖质含量和刺激土壤生物活性，可以显著改善结构和聚集性。
图2。良好的碎屑状土壤结构（左）与较差的块状结构（右）的比较。（Stewart Hoyt绘制） 良好的碎屑结构意味着土壤通气良好，因为颗粒之间会有大量孔隙空间。结构对于土壤将土壤水分向上引导到植物根部的能力也是至关重要的。这一特性被称为毛细作用，其工作方式与油被吸进灯芯的方式大致相同。如果土壤结构良好，表面可能会变干，但水分仍会从更深的土壤层到达根部。充足的土壤水分不仅对补充植物叶片蒸腾所损失的水分至关重要，而且因为植物根系溶解在覆盖土壤颗粒的水薄膜中时吸收了大部分养分。
图3。水分通过毛细作用在土壤中向上移动。（Timothy Rice绘制） 表4土壤物理性质
化学因素：营养循环和平衡 传统的土壤管理方法被标记为“化学”，而“有机”方法则拒绝使用合成、石化肥料和杀虫剂。化学方法认为植物根部需要某些化学营养素，但这些营养素如何到达根部以及它们来自何处无关紧要。营养元素必须以可溶的无机形式存在，植物才能利用它们。 生态学观点认为，肥料对土壤生物和环境的影响与其作为植物食物的价值同等重要。“喂土壤，而不是植物，”有机种植者坚持说，土壤生物将为作物提供均衡的饮食。高度可溶的化学物质，虽然很容易被植物吸收，但可以抑制或杀死土壤微生物，并且可以被冲走污染地下水。此外，植物还能够吸收和受益于复杂的生物化学物质，如维生素和抗生素，而这些物质在人工合成的肥料中是不存在的。 公众对硝酸盐肥料以及其他农用化学品污染地下水的担忧，激发了人们对不依赖高可溶性物质的土壤管理实践的兴趣。 土壤化学简化 无论你坚持化学或有机方法，土壤化学的基本原理都是一样的。在土壤或其他任何地方，大多数化学相互作用都发生在溶解在水中时携带正电荷或负电荷的颗粒之间。带正电荷的粒子称为阳离子（读作“CAT离子”），而阴离子（“AN离子”）带负电荷。这些颗粒可以是单一元素，例如钙（Ca2+），或化合物，例如硝酸盐（NO3-）。土壤生态系统中养分的行为取决于它们是以阳离子还是阴离子的形式存在。
图4。阳离子交换容量（CEC）。CEC越高，植物可获得的养分就越多，但不会被淋失。交换位点上的阳离子被称为被吸收。 阳离子基础知识 阳离子营养素往往是金属矿物元素，作为酶的组成部分，对植物和微生物营养都很重要。它们通常是水溶性的，通过有机物质的循环或通过添加石灰石等矿物营养源进入土壤。阳离子被称为碱元素，因为它们在溶液中形成碱。在潮湿的气候中，每年降水量超过30英寸，如果阳离子被粘土和腐殖质等土壤胶体储存，则其从表层土中浸出的速度会更慢。相反，干旱气候下的土壤通常富含矿物质，因此灌溉时产量极高。 主要的阳离子营养素包括钙、镁和钾；它们的功能总结在下表中。微量营养素的讨论中描述了微量所需的其他阳离子营养素。 表5主要营养素
阳离子、pH值和肥力 当土壤中的阳离子或碱性营养素缺乏时，就会变成酸性。pH（代表“潜在氢”）是衡量土壤酸碱度的指标，由水或盐溶液中氢离子的浓度决定。酸度由pH低于7.0表示，pH为中性；pH值超过7.0表示碱性。 随着氢离子取代土壤胶体储备中的阳离子营养素，土壤pH值降低。大多数营养素的溶解度和对植物的有效性在微酸pH值为6.3至6.8时最高。这也是大多数土壤细菌功能最有利的范围，尽管真菌可以耐受更宽的pH范围。在低于5.5的低pH值下，大多数主要营养素和一些微量营养素呈不溶形式。磷在低pH值和高pH值下都会发生化学固定化，需要6.0至7.0之间的范围才能获得最大的可用性。 许多阳离子微量营养素，包括铁、锰、锌、铜和钴，在低pH下变得更易溶解，但在碱性条件下不可用。在某些情况下，酸性条件会导致这些元素的毒性。某些重金属也是如此，最明显的是铝，它自然存在于大多数土壤中，而铅有时也是一种污染物。中和pH值也可以中和重金属危害。 在纠正土壤酸度时，与其说是中和pH值，不如说是补充适当的阳离子营养素——通常是钙，有时是石灰石形式的镁。施用其他碱性物质，如碳酸氢钠，可以中和pH值，但不会改善土壤肥力。 “酸性土壤综合征”是高降水地区的一个常见问题，在这些地区，可溶性土壤碱容易渗入底土。与酸性土壤相关的一些问题包括： ·干扰植物养分的有效性。 ·铁、锰、尤其是铝的溶解度增加到不期望的水平。 ·细菌活性降低，特别是固氮根瘤菌的活性降低，有机物质中所含营养物质的释放减慢。 ·降低总CEC，这进一步增加了养分的可沥滤性。 碱性土壤甚至更难纠正。与酸性土壤中添加石灰石相比，添加硫磺等酸性矿物更为昂贵和暂时。在许多土壤自然呈碱性的地方，不当的灌溉措施可能会导致表层盐的积累，这种情况被称为盐碱化。当富含营养的水通过毛细作用上升到地表，然后蒸发，留下矿物质时，就会发生这种情况。干旱地区的一些土壤是天然含盐的。要扭转这些影响既困难又代价高昂，通常需要用大量淡水对该地区进行浸取，而在受影响地区，淡水通常是短缺的。 与碱性土壤相关的问题包括： ·缺乏许多营养素，尤其是大多数微量营养素。 ·盐分渗透，导致土壤结皮。 ·钠、硒和其他矿物质的毒性水平。 ·有机物质的化学破坏。 土壤阴离子及其循环 阴离子营养素不同于阳离子，因为它们不被土壤胶体化学储存，并在溶液中形成酸。阴离子营养素的储量保存在土壤的有机部分，并通过有机物质的衰变或通过空气和水释放给植物。根据土壤生物的状态和衰变周期，土壤阴离子的形式和数量不断变化。作为蛋白质和碳水化合物的主要组成部分，阴离子的需求量比阳离子营养素的需求量更大。把阴离子想象成大的、软的、形状可变的，而阳离子则是小的、硬的、耐用的，这是很有帮助的。 当作为可溶性肥料添加到土壤中时，阴离子养分可能会流失，因为它们会挥发到大气中，沥滤掉，或恢复为更稳定、不溶的形式。这些可溶性肥料可能会形成酸，或对土壤生物有害。当用富含有机物质的营养源替代时，它们可以被比作一种上瘾：需要更高的剂量来替代以前由土壤生态系统自然提供的营养。 ·氮以其最稳定和最丰富的形式自然地趋向气态。硝酸盐形式存在于土壤溶液中，是非常短暂的，每天甚至在一天的不同时间都会大幅波动。尽管植物不能直接利用大气中的氮，但某些土壤微生物，尤其是生活在豆科植物根部的根瘤菌，能够从空气中捕获氮，并将其转化为生物有用的形式。固氮细菌和梭状芽胞杆菌等自由生活的土壤细菌对固氮作用更为重要。还有一些细菌将氮从铵转化为亚硝酸盐，然后转化为硝酸盐；自然氮循环中的每一步对植物营养都至关重要。
图5。氮气循环。植物不能以气态形式利用氮。为了从大气传递到植物（然后传递到动物和人），氮必须首先由土壤微生物固定。为了制造合成肥料，大气中的氮是通过使用大量的天然气人工固定的。（生产一吨氨需要33000至40000立方英尺的天然气。） ·碳是植物（和动物）组织的主要成分，比任何矿物质都更真实地是植物消耗的“食物”。尽管碳在土壤的有机部分中含量丰富，但植物几乎完全从大气中吸收碳，如二氧化碳。接近地面的二氧化碳浓度可以通过活性腐烂有机物质的存在而显著富集，这直接刺激植物生长。在温室中，二氧化碳的缺乏可能是一个问题，必须人工维持空气循环。室内堆肥堆可以为温室环境增加二氧化碳和额外热量。
图6。碳循环。气态二氧化碳被植物转化为活组织。碳水化合物、蛋白质和脂肪被土壤生物分解，从而补充大气中的二氧化碳。 ·磷经历了土壤肥力所有元素中最复杂的化学相互作用。由于其与钙和其他矿物质形成不溶性化合物的倾向，它很容易固定在土壤中。在接近中性的pH值下，即使是高度可溶的磷肥也会很快恢复到与制造它们的“天然”石粉无法区分的形式。一旦添加到土壤中，固定化的磷就会在那里停留很长时间；许多土壤，特别是中西部的土壤，由于政府鼓励过度施肥而产生了磷储量。 表6主要动物营养素
当通过有机物质的分解逐渐释放时，植物最容易获得磷。它的相对固定性意味着磷在整个土壤中的分布只能通过蚯蚓和其他土壤生物的移动来完成。否则，植物可以通过土壤微生物的活动获得不溶性土壤磷储量。 ·硫是蛋白质和脂肪的重要成分，在土壤生态系统中的作用与氮非常相似，对固氮微生物尤为重要。一组特殊的微生物将有机硫转化为植物利用的硫酸盐形式。硫缺乏很少是一个问题，特别是在保持足够的土壤有机质水平的情况下。空气污染也对顺风土壤的硫含量产生了意想不到的有益影响。随着高浓度磷酸盐和硝酸盐肥料的使用增加，这种肥料缺乏低品位的硫杂质。硫通常被用作碱性土壤的养分和酸化剂。 微量营养素 微量营养素是对生物系统正常运行非常少量的重要元素。有时被称为“微量元素”，其中十几种已被确定为植物、动物或微生物酶功能所必需的微量元素。大多数重要的微量营养素，如铁、锌、铜和锰，都是阳离子；硼和钼是最重要的阴离子微量元素。 微量营养素存在于细胞和土壤中，作为螯合形式的大型复杂有机分子的一部分。螯合（读作“KEE late”）一词来自希腊语中的“爪”，表示单个营养离子是如何保持在较大分子的中心的。微量营养素之间微妙平衡的相互作用是复杂的，尚未完全理解。我们知道平衡是至关重要的；任何微量营养素，如果过量存在，都会成为一种毒药，而某些有毒元素，如氯，也是必不可少的微量营养素。 因此，微量营养素的天然有机来源是向土壤提供微量营养素最好的方式：它们以平衡的数量存在，不易因错误或无知而过量施用。当以天然螯合形式使用时，多余的微量营养素将被锁住，防止破坏土壤平衡。土壤腐殖质储备还用于螯合多余的金属营养素和毒素。除非通过土壤测试诊断出特定的微量营养素缺乏，否则提供充足供应的最佳方式是建立有机物质，并使用平衡的矿物质来源，如石粉和海藻。有关微量营养素肥料的更多信息，请参见第4章。
图7。叶绿素分子说明的螯合作用。 表7一些重要的微量营养素
平衡法案 平衡是理解化学养分与土壤肥力之间关系的关键概念。生育不仅需要足够数量的营养素，还需要它们以平衡的形式存在。在许多情况下，一种营养素过多会阻碍或干扰另一种营养物质的吸收。磷是典型的例子；它将在低pH下被高浓度的锌和铁固定，而在高pH下被过多的钙固定。当钾和镁过量存在时，它们都会干扰另一种的可用性。在碳和氮的情况下，过多的碳会刺激土壤微生物生长并吸收所有可用的土壤氮，导致暂时缺乏，直到微生物死亡并将其养分释放到土壤系统。 表8营养交互作用
阳离子平衡得到了大量的科学关注。碱饱和是指除氢或铝以外的碱阳离子占据土壤CEC的百分比。 已经做出了一些努力来找到“理想的”阳离子平衡或碱饱和比。一位非常有影响力的科学家是威廉·阿尔布雷希特博士，他于20世纪40年代在密苏里大学进行研究。阿尔布雷希特的主要贡献是指出了钙作为肥力的主要成分的重要性，认为是石灰石中的钙，而不是其中和酸的能力，使其成为重要的肥料。他还开发了一个最佳碱饱和比的公式，强调钙，许多土壤实验室都使用钙来评估矿物平衡。虽然这是一个有用的指导原则，但阿尔布雷希特的比率并不是普遍准确的，不应该仅仅依靠它来确定肥料需求。 阴离子营养素的理想比例是腐殖质中通常存在的平衡：100份碳比10份氮比1份磷比1份硫。碳氮比的重要性已在前面描述；然而，氮磷比对植物的营养也很重要，因为氮不足会减缓根系的生长，从而降低它们获取磷供应的能力。微量营养素问题常常是失衡和绝对缺乏的结果。关于土壤生态系统中主要和次要养分之间以前未知的相互作用，新的信息不断被发现。这就是为什么土壤化学的“食谱”方法会让你陷入困境；最好的营养来源是那些自然平衡的。该图表将为您提供已知营养相互作用的复杂性的一些指示。 生物因素：土壤生物群落 允许养分从土壤流向植物的循环都是相互依存的，只有在构成土壤群落的活生物体的帮助下才能进行。土壤微生物是矿物储量和植物生长之间的重要联系。动物和人也是这个社区的一部分。除非为了生活在那里的生物的利益，将它们的废物送回土壤，否则整个生命维持过程将受到破坏。 从细菌和真菌到原生动物和线虫，再到螨虫、弹簧尾和蚯蚓，土壤生物都执行着大量的肥力维持任务。生态土壤管理旨在帮助这些生物工作，而不是用简化的化学系统为植物提供养分。因为，一旦被过度使用可溶性肥料破坏，恢复健康的土壤生态系统可能是一个漫长而昂贵的过程。 土壤居民 微小的植物和动物构成了土壤食物网的基础。大多数直接有助于腐殖质的形成和有机物质中养分的释放。事实上，稳定的腐殖质主要由微生物残留物组成。在凉爽潮湿的气候中，真菌和霉菌对腐殖质的发育比细菌更重要。除了对土壤健康的重要性之外，这些微生物分解者对地球上的所有生命都至关重要，因为他们几乎负责所有有机废物的回收。 其他生物，无论是微观的还是可见的，都对土壤健康做出了重要贡献，尤其是蚯蚓。植物根系本身是土壤生态系统的主要参与者，并对维持它们的环境产生重大影响。一旦你意识到在每克健康表层土中数十亿的每一小块土壤中不断生长、繁殖和死亡的生命形式的数量和多样性，拿起一把土就不可能不感到敬畏。每种生物在土壤生态系统中都发挥着作用： ·生产者几乎总是通过光合作用从阳光中获取能量，从简单的营养元素中产生碳水化合物和蛋白质。包括蓝绿藻在内的绿色植物是土壤的生产者。一些被称为自养生物的特殊细菌也能够利用土壤中的二氧化碳和矿物质元素合成自己的食物。 ·消费者和其他人一样，他们都依赖绿色植物创造的食物来获取营养。一级消费者直接食用植物，而二级和三级消费者则以其他消费者为食。所有动物，从简单的原生动物到人类，以及非光合成植物，如酵母和某些其他真菌，都属于这一类。 ·分解器发挥关键作用，将基本化学营养素从消费者带回生产者。它们都是细菌或真菌，几乎只存在于土壤中；微生物分解者占土壤总代谢的60%至80%。如果没有它们，我们的生活就会陷入停滞，因为我们在自己的废物中窒息而死。 他们需要什么 如果改善土壤肥力的最可靠途径是为土壤生命提供最适宜的条件，那么了解土壤生物的基本需求是第一步。成功的堆肥需要同样的知识：为土壤动物提供充足的食物、空气和水，并取决于其他环境因素，如温度，它们会茁壮成长。 表9土壤有机物
土壤和堆肥生物都需要相同的食物：碳与氮的平衡比例约为25或30比1的生有机物。碳水化合物形式的碳实际上是土壤生物的主要食物：它们在摄入大量的碳后会迅速生长，并从土壤系统中清除每一个氮碎片。这就是为什么向土壤中添加大量高碳物质会导致植物缺氮的原因。然而，从长远来看，碳是所有土壤生物活动的最终燃料，因此对腐殖质形成和植物生产力至关重要。矿物质营养素的均衡供应对土壤动物也是必不可少的，微量营养素是许多细菌酶参与其生化转化的关键。平衡的营养素也提供了良好的pH值，尽管不同的生物对酸性或碱性条件更敏感。 空气对土壤健康也至关重要，尽管某些细菌可以在没有空气的情况下生存（见方框“细菌和呼吸”）。事实上，土壤管理中的许多努力都是为了改善土壤通气性：再多的施肥也无法弥补空气的不足，因为如果植物根系窒息，就无法充分利用可用的养分。 严格来说，水也是必不可少的，但水并不能排出空气。理想的生物环境由附着在每一个土壤颗粒上的一层薄薄的水分组成，其间有大量的空气循环。当然，雨水和灌溉在增加所需的土壤水分方面起着核心作用，但也需要良好的结构将水分从下层土壤中的储量向上引导（见图3）。 尽管温度对生物活动有关键影响，但每一个特定的土壤群落都在进化，以适应其环境中的自然气候变化。你在调节温度方面的唯一作用可能是通过覆盖来缓和冬季严寒或夏季炎热，或者用季节延长装置来加热小区域。 土壤超级明星 尽管已经有许多关于土壤生物学的著作，但对土壤中的生物种类及其相互作用的了解极其有限。尽管一些科学家试图通过研究土壤的生存种群来进行生物测定，以确定土壤的特征和需求，但此类测试仍极其复杂，难以准确解释。 表9总结了土壤生命形式的主要类型。以下是一些较为熟悉和知名的土壤居民的肖像，按大小排序： 细菌：细菌是土壤中数量最多、种类最多的生物，每克土壤中的细菌数量从数亿到三十亿不等。在适当的条件下，他们可以每小时使人口增加一倍。最上面六到八英寸的土壤每英亩可能含有几百磅到两吨的活细菌。 细菌对空气的需求各不相同，但最有益的细菌需要空气（见方框“细菌和呼吸”）。如果有足够的水分和食物，细菌在70°至100°F（21°至38°C）的温度和接近中性的pH值下表现最好。充足的钙是至关重要的，微量营养素的平衡也是至关重要的，而微量营养素是细菌用来执行其关键生化任务的酶所必需的。 不利的条件很少能完全杀死细菌；它们要么停止生长并形成孢子以等待更好的时间，要么适应基因突变迅速传播到新一代的变化条件。然而，当有问题的生物体导致植物疾病时，这种适应性会对你不利。如果任何土壤养分供应有限，细菌将首先消耗；然后，植物必须等待参与，直到微生物死亡并分解。
图8。重要的土壤生物。（蒂莫西·赖斯绘图）
细菌实际上垄断了对高等植物至关重要的三种基本土壤过程：硝化作用、硫氧化作用和固氮作用。硝化细菌将蛋白质分解产物铵态氮转化为植物最易获得的硝酸盐。硫氧化过程类似于硝化。固氮细菌能够将大气中的元素氮转化为蛋白质，并最终将其提供给其他生物——这是人类以高能源成本模仿的过程。它们可能与植物根共生，如根瘤菌科的成员，也可能是自由生活的土壤生物，如固氮菌。 真菌：酵母菌、霉菌和蘑菇都是真菌，只有酵母菌在土壤中很少存在。虽然它们是植物，但不含叶绿素，因此必须依赖其他植物来获取营养。霉菌可能和土壤中的细菌一样多，在通风不良、低温和酸性条件下，霉菌的数量会超过细菌，因为它们更容易忍受。尽管许多植物病害是由土壤中的霉菌如镰刀菌和曲霉菌引起的，但青霉菌家族中的霉菌是众所周知的疾病防治者。霉菌对腐殖质的形成尤其重要，在富含腐殖质的酸性森林土壤中占主导地位。
图9。菌根感染植物根并从岩石颗粒中提取养分。（Timothy Rice绘制） 一个极其重要的真菌群被称为菌根，一个术语的意思是“真菌根”。这些蘑菇与许多种类的植物根形成共生关系，被认为对松树和桦树等树木的健康至关重要。真菌能够将其他不溶的营养物质，尤其是磷，转化为生物形式，进而从宿主植物中获取碳水化合物。众所周知，许多作物植物都会加入菌根，但它们对生长在贫瘠土壤上的植物最为重要，因为真菌从岩石颗粒中提取养分的能力对宿主植物的营养至关重要。 放线菌：这些微生物就像细菌和真菌的杂交体，是继细菌之后数量最多的土壤生物。新耕土壤的特征香气是由放线菌引起的，放线菌在有机物分解和腐殖质形成中起着关键作用。它们需要充足的空气和6.0至7.5之间的pH值，但比干燥条件下的细菌或真菌更耐受。它们对低pH值的耐受性可用于预防马铃薯赤霉病，这是一种由放线菌引起的疾病。粪便中特别富含放线菌，这就是为什么许多人认为粪便是制作高质量堆肥的必要条件。 藻类：藻类是单细胞植物，通常含有叶绿素，在土壤中的数量略少于真菌。蓝绿藻在许多土壤中都很常见，但在水稻栽培中尤为重要，因为它们对高湿度的耐受性和固定大气氮的能力。所有藻类的生长都受到农家肥的极大刺激。 微型动物：微观土壤动物，包括线虫、原生动物和轮虫。线虫，通常称为线虫或线虫，在大多数土壤中分布极广，数量众多。
尽管它们通常被认为是麻烦的植物害虫，但最常见的种类有助于分解有机物或捕食细菌、藻类或其他土壤动物。一些寄生线虫被用作土壤害虫的生物防治剂，如白菜根蛆。原生动物是比细菌更大的单细胞动物，通常将它们作为食物来源。轮虫在潮湿的土壤中很常见，它们通过旋转并将食物颗粒扫进嘴里来觅食 蚯蚓和其他大型动物：在众多在土壤中安家的动物中，从小型蜘蛛到草原犬，蚯蚓是与土壤健康关系最密切的动物（见方框“高贵的蚯蚓”）。其他小型土壤动物包括螨虫和蜘蛛、甲虫、弹尾虫、苍蝇、白蚁、蚂蚁、蜈蚣和蛞蝓，以及许多蝴蝶和飞蛾的幼虫。其中许多生物在将有机物质分解成更小的碎片和更简单的化合物方面发挥着重要作用；有些是重要的植物害虫。哺乳动物，如鼹鼠、田鼠、地鼠和其他穴居动物，当它们决定你的花椰菜对它们来说很好看时，有时会成为一种麻烦；然而，它们也通过控制害虫种群、混合土壤和沉积粪便来促进土壤生态系统。 农场动物：农场动物对土壤肥力的重要性有时被忽视。尽管现代“工厂化养殖”将太多动物集中在小面积，但理想的养殖系统应该包括一些动物。除了提供宝贵的粪便外，农场动物对许多生态土壤建设实践也很重要： ·土壤建设轮作需要草皮作物和豆类作物，这些作物通常只有在用作动物饲料时才经济可行。 ·动物通常是在过于潮湿、陡坡或多石无法耕种的土壤上收获作物（除了树木）的唯一手段。 ·猪和鸡可以通过充当活旋耕机，在种植作物之前对一块地进行刮擦和通气来改善土壤。它们还吃杂草和地面害虫。
根区的生活 植物根系本身在土壤生态中起着重要作用。数量和种类最多的生物分布在土壤的最上层，靠近空气、水和食物的新鲜来源。的确，一些生物活动甚至发生在相当深的地方，特别是蚯蚓和其他动物在洞穴中，以及深根植物生长的地方。然而，在植物根周围的区域，即根际，土壤中的生物浓度是其他地方的十倍到一百倍。在永久性草皮下发现的土壤，完全被纤维状的根团渗透，与干净种植的行作物相比，不可避免地会有更健康、更健壮的微生物种群。 大多数重要的土壤生物转化发生在根际，特别是固氮和菌根结合。生长的根尖的外层被称为粘液，是一种迷人的物质，是根及其周围微群落的产物。粘液是根分泌的胶状物质，是大量微生物和化学营养物质，将植物直接与土壤生命联系起来。 植物根系与其他土壤群落相互作用的一些方式包括： ·根可以通过称为吸附的过程直接从土壤颗粒上的交换位点吸收阳离子养分，以交换氢（见阳离子交换容量）。 ·植物根在呼吸过程中释放二氧化碳，就像动物一样。与上述氢气的释放一起，这在根际创造了更多的酸性条件，因为二氧化碳溶解在水中时会形成弱酸。这种轻微的酸度有助于使原本不溶的磷和微量营养素更容易获得。
图10。根际，约3mm宽的区域，是土壤、根和微生物相互作用的生物和化学活性最高的区域。粘液是一种围绕在根周围的胶状物质，既是根-土壤微生物群落的媒介物也是产物。（Timothy Rice绘制） ·根会释放出某些称为渗出物的生化化合物，有时会作为植物毒素，即竞争植物物种的化学抑制剂，这一过程称为化感作用。例如，冬季黑麦会释放出抑制沙发草生长的分泌物。 ·生长的根不断脱落的死亡组织是微生物的绝佳食物。绿肥作物根部的有机贡献通常比表面上方的部分更大。 ·植物根能够吸收许多复杂的有机化合物，如激素、维生素、抗生素和腐殖质部分，以及杀虫剂和除草剂等有毒物质。这是对植物营养素来源（无论是化肥还是堆肥）与植物健康无关这一论点的重要反驳。 土壤与文明 所有陆地动物，包括人类，都是土壤群落的成员。人类社会无视这一事实，后果自负：历史上，土壤肥力一直被浪费，以牺牲子孙后代为代价，让少数人立即致富。文化价值观、伦理、美学和精神信仰对土壤的处理方式有着深远的影响。 不仅农场本身，它所属的社会也必须被视为土壤生态系统的组成部分，因为所有人都相互支持和维护，任何人都不可能独立存在。例如，如果附近没有一个规模庞大的非农业社区，市场营销就成了农民的问题；然而，太大的非农业社区施加了将生产性农田转化为其他用途的压力。可以写一整本书，讲述政治和经济压力对土壤肥力的影响，尤其是在“第三世界”，农民被迫生产出口作物以换取外汇，而不是为家庭提供粮食。 1992年联合国地球问题首脑会议承认可持续农业作为扭转全球环境退化的一种手段的重要性。执行其建议需要广泛提高公众意识。政治和社会行动主义比以往任何时候都更清楚地成为土壤管理的重要组成部分。 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
