微精选

土壤肥力与肥料

养分管理导论（第八版）

Soil Fertility and Fertilizer 8^th Edition

约翰・L・哈夫林（北卡罗来纳州立大学）

塞缪尔・L・提斯代尔（已故，硫研究所前所长）

沃纳・L・纳尔逊（已故，钾磷研究所前高级副总裁）

詹姆斯・D・比顿（从钾磷研究所及加拿大钾磷研究所退休，曾任职于科明科有限公司、硫研究所、加拿大农业与农业食品部及不列颠哥伦比亚大学）

目录

前言

1 引言

全球人口增长

食品消费、生产与农业用地

对美国农业的影响

粮食作物的非食品用途

作物产量与养分利用

作物产量限制因素

植物营养中的元素

思考题

2 土壤 – 植物基本关系

土壤中的离子交换

缓冲能力

土壤中的矿物溶解度

有机质提供的养分

离子从土壤到根系的移动

植物对离子的吸收

思考题

3 土壤酸碱度

水中的酸度

土壤酸度的来源

土壤 pH 缓冲作用

土壤中活性酸度和潜在酸度的测定

酸性土壤中的植物生长问题

减轻土壤酸度对植物的影响

石灰性土壤

盐土、碱土和盐碱土

思考题

4 氮

氮循环

植物中氮的功能和形态

生物（共生）固氮

土壤中氮的形态

土壤中氮的转化

氮的气态损失

作物生产中的氮源

思考题

5 磷

磷循环

植物中磷的形态和功能

土壤中磷的形态

磷源

思考题

6 钾

钾循环

植物中钾的功能和形态

土壤中钾的形态

影响钾有效性的因素

钾源

思考题

7 硫、钙和镁

硫

钙

镁

思考题

8 微量元素

铁（Fe）

锌（Zn）

铜（Cu）

锰（Mn）

硼（B）

氯（Cl）

钼（Mo）

镍（Ni）

有益元素

思考题

9 土壤肥力评价

引言

植物养分缺乏症状

植物分析

温室和田间试验

土壤测试

思考题

10 养分管理

植物特性

土壤特性

养分施用位置

其他养分管理考虑因素

有机养分管理

草坪的养分管理

养分管理规划

思考题

11 养分相互作用与经济学

养分相互作用

养分使用的经济学

思考题

12 农业生产力与环境质量

土壤健康或质量

土壤侵蚀对作物生产力的影响

对土壤健康至关重要的管理措施

环境质量

结语：农业的挑战与机遇

思考题

前言

《土壤肥力与肥料》首次出版于 1956 年。尽管本版经过了大量修订，以反映植物营养和养分管理领域快速发展的知识与技术，但塞缪尔・L・提斯代尔（1918–1989）和沃纳・L・纳尔逊（1914–1992）做出的杰出贡献将永远被铭记和感谢。

土壤肥力和植物营养对所有生命的健康至关重要，怎么强调都不为过。随着人口持续增长，人类为生产粮食和纤维而对地球生态系统的干扰，将对土壤供应植物养分提出更高的要求。随着种植强度的增加，土壤中天然的养分供应减少，因此我们必须加深对养分在土壤中行为的理解，并有效利用所有可用的养分来源，以优化养分的有效性。未来几代人面临的最大挑战之一，是开发和实施土壤、作物及养分管理技术，在提高植物生产力的同时，保护土壤、水和空气的质量。如果我们不能改善和 / 或维持脆弱土壤的生产能力，就无法持续满足不断增长的人口对粮食和纤维的需求。

关于新版

本教材专为本科生课堂或远程教育课程设计。市场上的其他书籍在本科生课程中使用时，功能性较差。

本书涵盖了多种作物系统（农业、园艺、草坪等），将吸引来自不同地理区域、具有不同背景和兴趣的学生。

本版大幅扩展了关于提高养分利用效率所必需的工具和技术的描述，并重点加强了对养分使用对环境影响的关注。

本书阐述了在养分管理及相关学科中取得专业成功所必需的关键定量技能。书中提供了许多实例，且教师手册包含每章末尾所有定量问题的答案。

本书涵盖的主题和问题，从土壤样本到田间规模，再到全球视角。

本教材对无机和有机养分来源的使用采取了公正的态度，并更加强调有机养分来源作为常见肥料的替代品。

内容按最合理的顺序呈现，让学生先学习养分在土壤中行为的基本原理，然后将这些知识应用于实际的田间问题。

增加了更多关于作物对养分的响应、土壤管理对作物生长的影响、养分施用设备等方面的照片、图表和其他视觉资料。

致学生

本书的目标是让你透彻理解植物营养、土壤肥力和养分管理，以便你能够：（1）描述土壤的生物、物理和化学性质及相互作用对作物养分有效性的影响；（2）识别植物营养 – 土壤肥力问题并提出适当的纠正措施；（3）识别能最大限度提高生产力和盈利能力，同时维持或增强土壤生产能力和环境质量的土壤和养分管理措施。定量方法对于准确评估土壤和植物中的养分状况，以及量化植物健康和最佳生产力所需的养分至关重要。

具体目标是：（1）描述植物如何吸收养分以及土壤系统如何供应这些养分；（2）识别和描述植物养分缺乏症状及用于量化养分问题的方法；（3）描述土壤有机质、阳离子交换量、土壤 pH 值、母质、气候和人类活动如何影响养分的有效性；（4）根据含量、用途以及对土壤和作物的影响，评估养分和土壤改良材料；（5）运用基本化学原理，量化纠正田间植物营养问题所需的养分和改良剂的施用量；（6）描述养分响应模式、养分利用效率以及养分使用涉及的经济学问题；（7）描述和评估损害或维持土壤生产力和环境质量的土壤和养分管理措施。

致教师

通过向学生展示，通过学习土壤肥力所获得的知识和技能对他们职业生涯的成功至关重要，来激励他们学习。采用能提高学生批判性思维和解决问题能力的教学方法。除了理解土壤肥力和植物营养的定性关系外，学生还必须知道如何定量评估养分有效性和养分管理。环境保护要求，添加养分的数量和方式应能最大限度地提高作物生产力和对所添加养分的回收利用率。

由于本书中使用的一些实例可能不代表你所在的特定地区，因此要经常整合来自你所在地区的其他田间实例，以阐明定性和定量原理。要着重强调，只要正确使用土壤、作物和养分管理技术，农业生产、可持续性和环境质量是可以兼顾的。培养学生超越本书，通过阅读和自主学习来拓展知识的愿望和自律性。对学生的要求，应该和他们毕业后将要面临的要求一致——从跨学科的角度思考、交流、合作和解决问题。

出版商提供教师手册，其中包含与每章相关的定性和定量信息。教师应利用每章末尾的问题作为学习辅助工具，帮助学生对所学内容建立信心并为考试做准备。教师手册中提供了每个问题的答案和定量计算的完整解决方案。要在线获取补充材料，教师需要申请教师访问代码。请访问 www.pearsoned.co.in/JohnLHavlin，在那里你可以注册获取教师访问代码。注册后，你将收到一封确认电子邮件，其中包含你的教师访问代码。收到代码后，登录该网站，获取下载所需材料的完整说明。

感谢帮助审阅手稿的教授们：南伊利诺伊大学的豪尔赫・D・埃尔南德斯、俄亥俄州立大学的内尔斯・汉森、得克萨斯理工大学的托马斯・L・汤普森、华盛顿州立大学的琼・达文波特、北达科他州立大学的拉里・J・奇哈塞克。

我们希望你的学生能在整个职业生涯中都将本书视为宝贵的资源。欢迎你提出关于提高本书作为教与学辅助工具有效性的建议。

约翰・L・哈夫林

我们要感谢金奈安娜大学工程学院机械工程系的 D・桑吉塔，她为本书提供了富有洞察力的内容，使其对印度学生更具相关性和针对性。

1 引言

维持人类健康生活所必需的营养物质通过各种食物来源获取，而这些营养物质最终都来自土壤。植物是人类主要的直接食物来源，而作为人类食物的动物也从其饮食中的各种植物（饲料和谷物）中获取营养。即使是淡水和海水食物来源，其含有的营养物质最终也源于地表和地下径流沉积到地表水中的可溶性和沉积物结合态营养物质。因此，土壤中营养物质的管理对于确保植物获得充足的营养供应至关重要。以下章节将阐述未来四五十年内，农业系统对粮食、纤维和其他产品的需求将如何增长，并评估我们满足这一需求的能力。显然，农业产量的任何增长都需要额外的营养供应。虽然原生土壤的营养供应必须通过无机肥料和有机废弃物的循环利用来增强，但了解土壤中的营养反应和过程对于优化作物的营养可利用性以及最大限度降低营养物质使用带来的环境风险至关重要。

对于非食品相关专业的学生，如城市土地、环境科学、林业等专业的学生，了解养分循环和管理原理同样重要。尽管你可能永远不会从事与粮食和纤维生产相关的职业，但满足未来对这些资源的需求将挑战所有社会，要求在提高农业生态系统产量的同时，维持或增强所有生态系统的多样性和健康。

“当我们意识到文明依赖于土壤的粮食生产能力，当我们意识到人类未来的所有进步都取决于土壤肥力的保护和增强时，我们就能够思考我们对土壤所负有的责任。”

（谢勒，1891 年）

随着人口的增长，人们发展了有组织的农业系统以确保粮食安全（表 1-1）。尽管农业生产技术取得了进步，但目前世界上仍有相当一部分人口营养不良，主要集中在人口增长率高且往往依赖低产耕作方法的不发达国家（如撒哈拉以南非洲和亚洲）。相比之下，采用现代农业技术的发达国家在粮食生产方面基本自给自足，并为不发达国家和发展中国家提供大部分粮食出口。

目前，约有 1500 万至 2000 万人（不到世界人口的 0.3%）受到饥荒或因粮食短缺而面临死亡风险；然而，营养不良影响着近 10 亿人，占世界人口的 15%。尽管许多政治、经济、气候和其他因素影响着粮食安全，但不断增长的世界人口压力、适宜耕地的可获得性以及土壤生产力的退化，将对我们的农业生产系统构成挑战，以满足未来对粮食、纤维、燃料和水的需求。提高农业生产力以确保不断增长的人口有足够的粮食，其重要性显而易见（表 1-1）。在过去 40 年里，世界人口翻了一番，超过 70 亿，未来 40 年将增长 50%，到 2050 年将超过 90 亿（图 1-1）。预计人口增长的大部分将发生在发展中国家，主要是亚洲和非洲。随着年增长率的持续下降，预计到 2100 年，世界人口将稳定在约 120 亿（图 1-1）。尽管人口增长率在下降，但到 2050 年要为 90 亿人提供粮食和其他农业资源，仍需要大幅提高产量。

表 1-1 农业系统的粮食生产能力及对人口的支撑能力

农业系统	文化阶段或时期	谷物产量（吨 / 英亩）	世界人口（百万）	人均耕地面积（英亩 / 人）
狩猎采集	旧石器时代（10000 多年前）	0.30	2-7	–
轮垦农业（早期耕作）	新石器时代（10000 年前）	0.33	10-100	76.8
中世纪轮作	公元 500-1450 年	0.37	100-400	12.8
畜牧业 farming	18 世纪晚期	0.42	1000	3.8
现代农业	1900 年	0.48	1650	2.3
1950 年	0.92	2527	1.5
2000 年	3.00	6113	0.6
2050 年	5.20	9181	0.4

注：1 假设可耕地和永久性耕地为 15.5 亿公顷。

来源：改编自麦克劳德，1975 年，《农艺学杂志》，67:1；联合国粮农组织，2008 年，http://www./esa/population/publications/sixbillion/sixbilpart1.pdf。

图 1-1 1950 年至 2050 年世界人口实际及预测增长情况（联合国，2007 年）

（图注：纵轴左侧为人口（十亿），右侧为增长率（%），横轴为年份：1950、1970、1990、2010、2030、2050）

图 1-2 1970 年至 2050 年谷物和动物产品的实际及预测消费量（上图），以及 1960 年至 2050 年世界谷物实际及预测产量（单位：百万吨，Mt）、谷物单产（单位：公斤 / 公顷，kg/ha）和谷物种植面积（单位：百万公顷）（下图）（粮农组织，2008 年）。

粮食消费、生产与农业土地利用

未来四十年人口的增长将推动粮食消费（图 1-2）。这些数据表明，用于食品的谷物消费将增长约 50%，而肉类消费将翻一番。这些预计的增长大部分将发生在发展中国家，特别是中国和印度，这些国家的经济正经历可支配收入的快速增长。随着饮食中动物产品比例的增加，用于饲料的谷物使用量也将增加。

目前，世界粮食生产能够满足粮食需求（图 1-2）。2008 年，谷物总消费量约为 23.5 亿吨，而谷物总产量接近 24 亿吨。2050 年，谷物总消费量估计接近 32 亿吨，而谷物总产量接近 36 亿吨。当然，这是假设在未来 40 年里，谷物生产的当前增长趋势将持续（图 1-2）。这些数据显示，2008 年谷物平均总产量为 3400 公斤 / 公顷，预计 2050 年将达到 5200 公斤 / 公顷，年增产近 44 公斤 / 公顷（图 1-2 中线性最佳拟合的斜率）。

上个世纪人口的快速增长对土地利用的影响比人类历史上任何可比时期都更为广泛。目前，世界总土地面积（130 亿公顷）的约 12% 和农业用地（49.3 亿公顷）的约 32% 是当前的耕地（15.5 亿公顷）（表 1-2）。其余 33.8 亿公顷农业用地，主要（90%）分布在拉丁美洲和撒哈拉以南非洲，用于森林、永久性牧场和其他非农作物用途。大多数估计认为，这些剩余的农业用地仅相当于最高产耕地产量潜力的 20%；因此，在这些地区扩大耕地需要付出巨大的经济成本（土壤肥力差、土层浅、降雨量低等），并对生物多样性、土壤侵蚀和其他影响生态系统健康的因素造成巨大风险。

图 1-3 1960 年以来全球农业用地和耕地的变化（上图），其中耕地包括可耕地和永久性耕地；以及全球人均耕地使用量的历史数据和预测数据（下图）。预测基于以下两种情况：当前 15.5 亿公顷的耕地面积不再扩张（实线），或按照 1996-2007 年耕地的年增长率——约 338 万公顷 / 年（即 0.22%/ 年）（粮农组织，2008 年）。

表 1-2 用于粮食生产的世界土地面积近似值（联合国粮农组织，2007 年）

项目	百万公顷
世界土地面积	13009
农业用地面积	4932
耕地面积	1554
豆类	73
谷物	700
块根和块茎作物	55
蔬菜和瓜类	52
坚果	8
油料作物	251
水果	47
纤维作物	36

自 1990 年以来，农业用地总面积相对稳定，而耕地面积略有增加（+0.22%/ 年），可能是扩展到了这些生产力较低的土地（图 1-3）。人均耕地使用量从 1960 年的 0.44 公顷 / 人下降到 2007 年的 0.23 公顷 / 人，下降了近 50%（图 1-3）。到 2050 年，假设耕地面积不变，世界人均耕地使用量将进一步下降约 30%，至 0.16 公顷 / 人。如果耕地面积继续以每年小幅增长（约 338 万公顷 / 年或 0.22%/ 年），那么人均耕地使用量将仅略微增加到 0.18 公顷 / 人。重要的是要认识到，由于农村和城市地区人口分布的变化，人均耕地评估具有误导性。与人口增长率类似，城市化率一直在下降，但城市人口的绝对数量在增加。2010 年，世界上超过 50% 的人口（36 亿）生活在城市地区，这在历史上是首次。到 2050 年，超过 60%（近 60 亿）的人口将生活在城市地区。因此，人口增长对耕地向城市用途转化的影响因城市地区不成比例的扩张而有所减弱。然而，城市人口增长通常发生在高产土地上，发展中国家的城市扩张每年使耕地减少 50 万公顷。

将耕地扩展到剩余的生产力显著较低的农业用地将限制全球作物产量的增长。目前的估计表明，未来作物产量的增长 90% 将来自集约化，而非耕地扩张。不幸的是，最贫瘠的耕地位于最需要扩大生产的地区。在发展中国家（撒哈拉以南非洲、拉丁美洲等），预计未来几十年耕地每年将仅增加 0.3%，即 1.2 亿公顷 / 年，这低于前几十年。预计发达国家的耕地几乎不会增加。

由于耕地扩张对作物生产的影响微乎其微，必须提高现有耕地上的产量（单位面积产量）；然而，世界土壤生产力的持续退化威胁着我们满足未来全球粮食和纤维需求的能力。尽管不同地区的土壤退化程度差异很大，但约 38% 的世界耕地已经退化（表 1-3）。土壤退化的主要原因是水蚀和风蚀。每年约有 200 万公顷的雨养和灌溉农业用地因严重的土地退化而无法生产，这增加了对剩余耕地的生产力需求，同时也增加了将低产土地转化为耕地的压力。土壤生产力与农业可持续性之间的关系将在第 12 章讨论。

表 1-3 退化到降低作物生产力水平的耕地面积

大洲	耕地面积（百万公顷）	退化面积
	百万公顷		%
非洲	187	121	65
亚洲	536	204	38
澳大利亚 / 太平洋地区	49	12	25
欧洲	287	73	25
北美洲	236	60	25
拉丁美洲	180	92	51
总计	1475	562	38

来源：奥德曼等人，1991 年，联合国环境规划署。

图 1-4 全球谷物进口总量与美国谷物出口量（上图），以及美国谷物产量和出口量的历史数据与预测数据（下图）（粮农组织，2008 年；美国农业部经济研究局，2008 年）。

对美国农业的影响

由于未来的人口增长主要将发生在不发达国家和发展中国家，且这些地区可转化为耕地的大部分农业用地的生产力远低于当前的耕地，这些国家将继续依赖农业进口。从历史上看，北美和欧盟一直是许多缺粮国家的主要粮食供应者，而美国提供了约 60% 的世界粮食援助，并满足了近 30% 的谷物进口（图 1-4）。目前美国的出口量约为 1 亿吨，占美国谷物总产量的 25%（图 1-4）。2008 年世界谷物总产量为 23.5 亿吨（图 1-2），美国 1 亿吨的谷物出口约占 4.3%。假设到 2050 年全球谷物消费和生产将增长近50%，美国的谷物出口需要增加到约 1.5 亿吨（图 1-4）。在这一谷物出口水平下，美国的谷物产量需要从目前的约 4 亿吨增加到 2050 年的 5.8 亿吨（图 1-4）。

目前，美国约有 6000 万公顷的土地用于谷物生产，平均产量为 6500 公斤 / 公顷（图 1-5）。假设 2050 年需要 5.8 亿吨的谷物产量，并维持当前的谷物生产面积（6000 万公顷），到 2050 年谷物产量需要增加到约 9600 公斤 / 公顷，增幅为 45%。对美国谷物生产当前增长的线性外推显示，到 2050 年谷物产量将约为 9700 公斤 / 公顷；因此，当前的谷物产量增长率应该能够满足 2050 年的谷物需求。

不幸的是，农业用地面积正以每年 15 万公顷的速度减少（图 1-5）。这一趋势在某种程度上具有误导性，因为自 1990 年以来，年减少量约为 54 万公顷。这可能是一个高估，因为按照这个速度，到 2050 年谷物耕地将减少约 3500 万公顷（图 1-5）。最近的估计表明，美国总耕地每年约有 40 万公顷流失，主要用于农村住宅用途。由于美国约 70% 的总耕地用于种植谷物，每年的谷物耕地损失将为 25-30 万公顷。如果采用每年 25 万公顷的保守估计，那么到 2050 年，可用的谷物耕地将减少 1000 万公顷。如果有大约 5000 万公顷的谷物生产面积，谷物产量需要增加到超过 11600 公斤 / 公顷，而在 6000 万公顷的土地上，按照当前的谷物产量增长，产量为 9700 公斤 / 公顷（图 1-5）。要在 2050 年额外增加 2000 公斤 / 公顷的谷物产量，谷物产量的年增长率必须从 82 公斤 / 公顷 / 年提高到约 124 公斤 / 公顷 / 年，即年增产率提高 50%。要实现这一目标，需要在遗传学和土壤 / 作物管理技术方面取得重大进展。单位土地面积上更高的谷物产量也将需要大幅增加肥料养分的使用。

图 1-5 美国谷物单产及种植面积的历史数据与预测数据（上图），以及当前美国谷物单产增长率（实线）和 2050 年满足全球谷物需求所需的谷物单产增长率（虚线）（下图）。

当前增长率的计算基于谷物种植面积恒定（约6000 万公顷）的假设，而所需增长率的计算则基于美国谷物种植面积减少 1000 万公顷的假设（联合国粮农组织，2008年）。

目标达成后（350 亿加仑），可用于出口的玉米量将仅为当前水平的 30% 至 50%。在过去几十年中，以玉米为原料的乙醇产量激增，导致玉米期末库存减少了 50%（图 1-6）。这削弱了我们支持全球粮食安全目标的能力，给欠发达国家和发展中国家满足基本粮食需求带来了额外压力。因此，用玉米生产乙醇并非可持续之举，尤其是在美国耕地面积不断减少的情况下（图 1-5）。未来若要将乙醇作为主要燃料来源，就需要使用木质纤维素原料（作物残渣、林产品等）。然而，利用大田作物残渣生产乙醇存在局限性，因为回归土壤的有机残渣对维持土壤和作物生产力至关重要（第 12 章）。

作物产量与养分利用

虽然我们预计耕地向生产力较低的农业用地扩张的幅度有限，但非农业用地用途（野生动物栖息地、森林、市政、工业等）的扩张也将减少可耕种的土地面积。维持和扩大自然土地面积对保持生态系统的多样性和健康至关重要。因此，在保护环境健康的同时满足未来对粮食和纤维的需求，需要提高农业集约化程度。必须发展农业生产技术，以提高单位耕地的生产力，确保世界粮食安全。

图 1-6 美国乙醇总产量、玉米总产量、用于生产乙醇的玉米量及玉米期末库存量（美国农业部经济研究局，2008 年）。

在美国，过去半个世纪以来作物产量大幅增长（图 1-7）。这一显著成就与过去 50 年农业技术的开发和应用直接相关（图 1-8）。促成作物产量提高的主要因素包括改良品种和杂交种的培育、养分和病虫害管理、水土保持以及栽培措施。在美国，化肥的开发和使用在一定程度上促进了作物生产力的提高（图 1-9）；然而，自 1980 年以来，化肥使用量的增长已大幅放缓。相比之下，全球化肥使用量持续增加（图 1-9）。在过去十年中，全球氮肥（N）的使用量增长几乎是美国的 60 倍。全球对化肥需求的持续增长将增加对化石燃料的需求，因为天然气（CH₄）是氮肥生产的主要原料（第 4 章）。

图 1-7 美国主要粮食和纤维作物的历史产量。实线代表 10 年移动平均值（美国农业部国家农业统计局，2008 年）。

图 1-8 美国玉米产量增长（1966-2005 年）及促成产量增长的技术创新（CAST 评论，QTA2006-3，2006 年 11 月）。

双交种到单交种杂交种

病虫害综合防治

减少氮肥和灌溉？

保护性耕作、土壤检测、氮磷钾施肥

转基因（Bt）抗虫性

灌溉面积扩大、氮肥施用量增加

粮食产量（蒲式耳 / 英亩）125

年份

图 1-9 美国和世界的化肥使用情况（联合国粮农组织，2008 年；美国农业部经济研究局，2008 年）。

自 1970 年以来，出于对环境质量的担忧，美国开发并采用了改良的管理技术，这些技术稳定了养分使用，并提供了重要的环境保护。在过去几十年中，美国的养分利用效率（即单位养分投入所产生的作物产量）有所提高（图 1-10）。而全球谷物的养分利用效率却有所下降，这意味着化肥使用量的增长速度超过了谷物产量的增长速度（图 1-10）。尽管美国许多作物的养分利用效率有所提高，但仍需要改进养分管理技术，以减少养分使用对环境质量和生态系统健康的影响（第 12 章）。贯穿本书的一个重要养分管理原则是，最大限度地提高作物生产力，以增加作物对所施养分的回收率。这将减少收获后土壤中残留的施入养分，从而降低养分使用对环境的影响。

作物产量限制因素

某一特定作物能否实现最大生产潜力，取决于生长季节的环境以及生产者识别、消除或减轻限制产量潜力因素的技能。许多因素会影响作物生长和产量潜力（表 1-4）。尽管生产者无法控制许多气候因素，但大多数土壤和作物因素是可以且必须进行管理的，以最大限度地提高生产力。

图 1-10 美国玉米生产（上）和世界谷物生产（下）中的养分利用效率。实线代表 4 年移动平均值（联合国粮农组织，2008 年；美国农业部经济研究局、美国农业部国家农业统计局，2008 年）。

为实现最大产量潜力，植物必须充分利用可获得的太阳能。根据可获得的太阳能，大多数作物的最大潜在产量超过了当前的产量水平。例如，玉米、大豆和小麦的最大潜在产量分别接近每英亩 600 蒲式耳、250 蒲式耳和 300 蒲式耳。在全球范围内，限制作物产量潜力的主要胁迫因素与植物可利用的水分、温度和养分有效性有关（表 1-5）。与环境和养分相关的胁迫分别影响约 55% 和 20% 的土地面积。

大多数影响产量潜力的因素相互作用，从而增加或减少植物生长和产量（第 11 章）。面临的挑战是准确识别所有限制产量的因素，并消除或减轻那些可管理因素的影响。19 世纪科学家卡尔・斯普林格尔和尤斯图斯・冯・李比希提出了这一原则的重要性。最小因子定律指出，作物产量与最限制性养分的含量成正比。一旦这种养分缺乏得到纠正，产量将提高到由另一种养分限制的水平，依此类推。虽然最小因子定律最初是基于养分限制提出的，但这一原则也可应用于影响作物产量的其他因素。例如，生产者可能种植了正确的品种，在最佳时间和密度下播种，并采用最有效的方法施用了所有最佳养分，但仍可能无法实现最大产量潜力，因为植物可利用的水分是最主要的限制因素（图 1-11）。因此，在生产者将水分这一限制产量潜力的因素降至最低之前，对其他任何因素的管理所带来的产量响应，都将远低于植物可利用水分不受限制时的情况（图 1-12）。

要实现最大产量潜力，土壤中必须有充足的养分供应。在详细讨论影响植物养分供应的复杂土壤化学、生物和物理因素，以及优化作物生产力的养分管理策略之前，有必要简要回顾一下植物生长所需的养分。

表 1-4 影响作物产量潜力的因素

气候因素	土壤因素	作物因素
降水（数量、分布）	有机质、	作物种类 / 品种
气温	质地、	播种日期
相对湿度	结构	播种率和几何形状
光照（数量、强度、持续时间）	阳离子交换量、	行距
海拔 / 纬度	pH 值和碱基饱和度	种子质量
风（速度、分布）	坡度和地形	蒸散作用
二氧化碳浓度	土壤温度	水分有效性、营养状况
	土壤管理因素（耕作、排水等）	病虫害（昆虫、病害、杂草）
	根区深度、	收获效率
	养分供应（土壤测试）	作物轮作
	元素毒性

生产潜能 害虫和病害 杂草 不适当的品种 土壤结构不良 茎秆生长不良 土壤肥力低 缺少水分

图 1-11 最小因子定律指出，最关键的限制因子决定产量潜力。生产者应首先减轻或消除最关键的限制因子，然后是第二关键的限制因子，依此类推。只有通过这种方式，才能实现最大产量潜力。

表 1-5 降低作物产量潜力的主要气候和土壤胁迫因素

主要土壤胁迫	全球土地面积（百万英亩）	占总面积比例（%）
低水分胁迫	9015	27.95
低温	5385	16.69
季节性水分胁迫	2544	7.89
土壤盐碱化	2235	6.93
低养分保持能力	1927	5.97
土壤浅薄	1828	5.67
养分淋溶过度	1111	3.44
土壤酸性过强	1013	3.14
低水分和养分胁迫	864	2.68
持水能力低	840	2.60
其他	4483	13.90
限制因素少	1013	3.14
总计	32258	100

来源：Wiebe, 2003, USDA-ERS, 《农业经济报告》第 823 号

图 1-12 产量对氮输入量增加的响应：
（A）存在水分、磷和播种率限制产量潜力的情况；
（B）仅存在磷和播种率限制产量潜力的情况；
（C）仅存在播种率限制产量潜力的情况；
（D）不存在可调控因子限制产量潜力的情况。

植物营养中的元素

一种元素若被认为对植物生长和发育是必需的，需满足以下条件：

该元素直接参与植物的营养过程；

缺乏该元素会导致植物无法完成其生命周期；

这种缺乏是该元素特有的，且只能通过供应该元素来预防或纠正。

通常，植物会表现出明显的视觉症状，表明特定营养素的缺乏，而补充该营养素通常可以纠正或预防这种缺乏。然而，视觉上的营养缺乏症状也可能由其他多种植物胁迫引起，因此在诊断缺乏症状时应谨慎（见第 9 章）。以下术语常用于描述植物中的营养水平：

缺乏：当必需元素的浓度低到足以严重限制产量，且出现明显的缺乏症状时的状态。极度缺乏会导致植物死亡。在中度或轻度缺乏时，症状可能不明显，但产量仍会降低。

临界范围：植物中营养物质浓度低于此范围时，添加营养物质会使产量产生响应。临界水平或范围因植物和营养物质而异，通常出现在营养缺乏和充足之间的过渡阶段。

充足：在这个营养浓度范围内，添加营养物质不会提高产量，但可能会增加营养物质的浓度。“奢侈吸收”一词常用来描述植物吸收的营养物质不影响产量的情况。

过量或有毒：当必需元素或其他元素的浓度高到足以抑制植物生长和降低产量时的状态。营养物质浓度过高可能会导致其他必需营养物质失衡，进而也会降低产量。

图 1-13 显示，当营养物质缺乏时，产量会受到严重影响；而当营养缺乏得到纠正后，植物生长的增长速度会快于营养物质浓度的增长速度。在严重缺乏的情况下，添加营养物质使产量快速增加，可能会导致营养物质浓度略有下降。这被称为斯登伯格效应（图 1-13），其原因是植物快速生长使得体内营养物质被稀释。当营养物质浓度达到临界范围时，植物产量通常达到最大值。营养充足状态存在于一个较宽的浓度范围内，在这个范围内，产量不受影响。当营养物质浓度超过临界范围时，表明植物吸收的营养物质超过了实现最大产量所需的量，这通常被称为奢侈吸收。过量吸收的元素可能通过毒性直接降低植物产量，或者通过将其他营养物质的浓度降低到其临界范围以下而间接降低产量。

图 1-13 植物必需营养物质浓度与植物生长或产量的关系

随着营养物质浓度向临界范围增加，植物产量也会增加。超过临界范围后，植物体内的营养水平足以维持正常生长，并且可以继续吸收营养物质而不会提高产量（奢侈吸收）。过量吸收某种营养物质或元素可能对植物产生毒性，从而降低产量或导致植物死亡。

有 17 种元素被认为是植物生长所必需的（表 1-6）。碳（C）、氢（H）和氧（O）不被视为矿质营养，但它们是植物中含量最丰富的元素。绿叶中的光合作用过程将二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）转化为简单的碳水化合物，进而合成氨基酸、糖、蛋白质、核酸和其他有机化合物。自 1960 年以来，大气中 CO₂的浓度已从 310ppm 增加到 390ppm。水分的供应很少直接限制光合作用，但会通过水分胁迫引起的各种效应间接限制光合作用。

余的植物灰分包含所有必需和非必需的矿质元素，除了碳、氢、氧、氮和硫，这些元素会以气体形式挥发。

表 1-6 植物营养物质的相对浓度和平均浓度

分类	名称	符号	相对浓度	平均浓度
大量元素	氢	H	60,000,000	6%
	碳	C	40,000,000	45%
	氧	O	30,000,000	45%
	氮	N	1,000,000	1.5%
	钾	K	250,000	1.0%
	钙	Ca	125,000	0.5%
	镁	Mg	80,000	0.2%
	磷	P	60,000	0.2%
	硫	S	30,000	0.2%
微量元素	氯	Cl	3,000	100ppm（0.01%）
	铁	Fe	2,000	100ppm
	硼	B	2,000	20ppm
	锰	Mn	1,000	50ppm
	锌	Zn	300	20ppm
	铜	Cu	100	6ppm
	镍	Ni	2	0.1ppm
	钼	Mo	1	0.1ppm

注：浓度以干物质重量为基准。

其余 14 种必需元素分为大量元素和微量元素，这种分类是基于它们在植物中的相对含量（表 1-6）。大量元素包括氮（N）、磷（P）、钾（K）、硫（S）、钙（Ca）和镁（Mg）。与大量元素相比，8 种微量元素——铁（Fe）、锌（Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）、硼（B）、氯（Cl）、钼（Mo）和镍（Ni）的浓度非常低。另外 4 种元素——钠（Na）、钴（Co）、钒（V）和硅（Si）已被证实对某些植物而言是有益的微量元素。微量元素通常被称为次要元素，但这并不意味着它们比大量元素不重要。微量元素的缺乏或过量与大量元素的缺乏或过量一样，都会降低植物产量。

尽管铝（Al）不是植物必需的营养元素，但当土壤中铝含量较高时，植物体内的铝含量也会较高（见第 3 章）。事实上，植物会吸收许多非必需元素，已在植物材料中鉴定出 60 多种元素。当植物干物质被燃烧时，剩

思考题

1.        图 1-1 所示的人口增长率下降可能受到哪些因素的影响？

2.根据图 1-1 和图 1-2，估算当前（2010 年）和未来（2050 年）的人均谷物消费量和产量。

3.假设 2050 年人口将达到 100 亿，且用于谷物生产的耕地恒定为 7.5 亿公顷，那么需要多少产量和总产量？另外，当 2050 年谷物耕地减少到 6.5 亿公顷时，需要额外增加多少产量？

4.如果谷物耕地减少到 6 亿公顷，需要额外增加多少产量（千克 / 公顷和百万吨）？

5.在表 1-4 中，找出哪些限制作物产量潜力的气候、土壤和作物因素是可以实际管理的？

6.定义最小因子定律并举例说明。

7.确定一种元素是否为植物必需营养元素的两个标准是什么？

8.由于耕作、品种、病虫害防治、施肥等方面的进步，作物产量一直在不断提高。最终会限制产量进一步提高的因素是什么？

9.在限制作物对营养物质响应的环境因素中，哪一种可能是最容易且成本最低改变的？

10.过去 50 年作物产量的增长超过了 1950 年之前的 200 年。与 1950 年以来产量增长相关的因素有哪些？

11.列出并分类植物生长所需的必需元素。

12.哪些因素会影响植物的营养成分？请解释。

13.什么是斯登伯格效应？

14.“奢侈吸收”是什么意思？

15.利用图 1-13，解释植物生长与必需营养物质浓度之间的关系。

16.上个世纪人口快速增长带来了哪些影响？

土壤地力和肥料的基础知识

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