第六节  作物与土壤的关系

一、土壤对作物的生态作用

    (一)土壤物理性质与作物的生态关系

1.土壤质地和结构 

土壤的基本物理性质是指土壤质地、结构、容重、孔隙度等。其中土壤的质地、结构性质，并由此而引起的土壤水分、土壤空气和土壤热量的变化规律，对作物的根系和作物的营养状况可能产生明显的影响。按照土壤质地进行分类，一般可以把土壤区分为3类9级，即砂土类(粗砂土、细砂土)、壤土类(砂壤土、轻壤土、中壤土、重壤土)、黏土类(轻黏土、中黏土、重黏土)。由于土壤质地对水分的渗入和移动速度、持水量、通气性、土壤温度、土壤吸收能力、土壤微生物活动等各种物理、化学和生物性质都有很大影响，因而又直接影响作物的生长和分布。砂质土粒间孔隙较大，大都为非毛管孔隙，土壤结持性差，松散性和透水性好，但不保水保肥，是一种抗旱和抗风能力弱的土壤。同时砂性土通气性好，有机质分解快，养分也不易保蓄。在这种土壤上生长的作物，常常呈前期猛长似疯，后期脱肥早衰现象。但砂性土热容量小，增温快，降温也快，昼夜温差大，有利于碳水化合物的积累，对块根类作物的生长极为有利。砂性土易耕作，适耕期长，只要有墒播种，出苗整齐。在砂性土上施肥，宜勤施少施，这样可以防止作物早衰。

壤质土砂粒、黏粒含量比例适中，毛管孔隙与非毛管孔隙比例适当，保水供水性能和保肥供肥性能均很好。耐旱耐涝，适耕期长，耕性良好，既发小苗也发老苗，适于种植各种作物，是耕地中的“当家地”和高产田。

黏质土黏粒含量比较高，毛管孔隙比例大，通透性差。吸附作用强，保肥性好，作物前期不易“拿苗”，但后期无脱肥现象，如施肥太迟，往往因供肥缓慢造成后期生长过旺而推迟成熟，影响作物产量和品质。黏质土不耐旱也不耐涝，适耕期短，湿犁成片，耙时成线，耕作困难，整地质量差。黏质土出苗率低，宜提高播种质量。

土壤结构是指土壤固相颗粒的排列形式、孔隙度以及团聚体的大小、多少及其稳定度。这些都能影响土壤中固、液、气三相的比例，并进而影响土壤供应水分、养分的能力，影响通气和热量状况以及根系在土壤中穿透情况。土壤中水、肥、气、热的协调，主要决定于土壤结构。土壤结构通常分为微团粒结构(直径＜0.25nm）、团粒结构(0.25～10mm)、块状结构、核状结构、柱状结构、片状结构等。具有团粒结构的土壤结构和理化性质良好，由于团粒内部的毛细管孔隙可保持水分，而团粒之间的非毛细管孔隙则充满空气，能统一土壤中水和空气的矛盾。再者，由于团粒内部经常充满水分，缺乏空气，是嫌气微生物活动的场所，有机质分解慢，有利于有机质的积累；而团粒之间则常充满空气，有机质易分解转化为能被作物吸收利用的有效养分，这样，又可统一保肥和供肥的矛盾。此外，由于团粒结构的土壤水分较稳定，水的比热大，土温也就相对稳定。因此，团粒结构的土壤，其水、肥、气、热的状况是处于最好的相互协调状态，为作物的生长发育提供了良好的生活条件，有利于根系活动和吸取水分养分。

2.土壤水分 

土壤水分主要来自降雨、降雪和灌水；如地下水位较高，地下水也可上升补充土壤水分。土壤水分在作物生长中的重要意义自不待言。

土壤水分参与土壤中的物质转化过程，如矿物养分的溶解和转化，有机物的分解与合成等，土壤水分本身或通过土壤空气和土壤温度可影响养分的生物转化、矿化、氧化与还原等，因而与土壤养分的有效性有很大的关系，土壤水分还能调节土壤温度，对于防高温和防霜冻有一定的作用。所以，控制和改善壤的水分状况，如提高土壤蓄水保墒能力，进行合理灌溉，是提高作物产量的重要措施。

3.土壤空气 

土壤空气的组成80%是氮，20%是氧和二氧化碳等。由于土壤中生物(包括微生物、动物和作物根系)的呼吸作用和有机物的分解，要求土壤中保持一定的O₂含量，一般为土壤空气的10%～12%。土壤空气中的C0₂以气体扩散和交换的方式进入近地的空气层，供作物光合作用所用。排水良好的土壤中含CO₂量在0.1%左右，CO₂积累过多会影响根系生长和种子发芽。土壤通气性程度还影响土壤微生物的种类、数量和活动，并进而影响作物的营养状况。

4.土壤温度  一般说来，土温比气温高，以年平均温度而言，一般土温约比气温高2～3℃左右，夏季明显，冬季相差较小。土温影响作物的发芽，同一作物在不同的生育时期对土温的要求也不同，土温影响根系的生长、呼吸和吸收能力。对于大多数作物来说，在10～35℃的范围内，随着土壤温度的增高，生长加快。土温过高或过低都影响根系的吸收能力。低的土温使土壤供水能力减弱，增加水的滞性，减弱原生质对水分的透性，同时因降低代谢和呼吸强度，从而使吸水能力减弱；土温过高可促使根系过早成熟，根部木质化程度增加，从而减少根系的吸收面积和吸水能力。同时，土温还制约各种盐类的溶解速度、土壤气体交换和水分的蒸发、各种土壤微生物的活动以及土壤有机物质的分解速度和养分的转化，进而影响作物的生长。

    (二)土壤化学性质与作物的生态关系

1.作物与土壤酸碱度

各种作物对土壤酸碱度(pH)都有一定的要求。多数作物适于在中性土壤上生长，典型的“嗜酸性”或“嗜碱性”作物是没有的。不过，有些作物及品种比较耐酸，另一些则比较耐碱。可以在酸性土壤上生长的作物有荞麦、甘薯、烟草、花生等，能够忍耐轻度盐碱的作物有甜菜、高粱、棉花、向日葵、紫花苜蓿等。紫花苜蓿被称作盐碱土的“先锋作物”。种植水稻也是改良盐碱地的一项措施。

2.作物与土壤养分

作物生长和形成产量需要有完全营养的保证。不过，从施肥和作物对营养元素反应的角度，常常把作物分作喜氮、喜磷、喜钾3大类。

(1)喜氮作物  水稻、小麦、玉米、高粱属于这一类，它们对氮肥反应敏感。据B.Qilland(1985)估算，这类作物每生产1t籽粒的平均吸氮量为21kg。因此，平均每生产48kg籽粒，植株就需吸收1kg氮(约2/3的氮是生产籽粒蛋白质，剩余部分生产茎、叶和根的蛋白质)。美国的Wilcox根据粮食作物的产量与其所含氮素之间的关系，在20世纪40年代提出了一个推算产量的公式，即：生物产量＝24/n。式中n是生物产量的平均含氮量，以水稻为例，稻谷含氮量大约是1.5%，稻草含氮量大约是0.5%，如谷：草＝1：1，则平均含氮量为1%，代入上式，水稻的生物产量＝24/0.01＝36000kg/hm2。再以谷草之比为1：1折算，每公顷稻谷最高产量应达到18000kg。

(2)喜磷作物  油菜、大豆、花生、蚕豆、养麦等属于这一类。这些作物施磷后，一般增产比较显著。北方的土壤几乎普遍缺磷，南方的红、黄壤更是贫磷，施磷增产效果良好。

(3)喜钾作物  糖料、淀粉、纤维作物如甜菜、甘蔗、烟草、棉花、薯类、麻类等属于这一类。向日葵也属于喜钾作物。施用钾肥对这些作物的产量和品质都有良好的作用。

以上划分的方法只有相对的意义，其实在作物生产上，缺乏任何一种营养元素都势必造成减产。

作物通过光合作用合成含有C、H、O的碳水化合物，又通过吸收作用积累N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Cl、Mn、Zn、B、Cu、Mo等无机元素，共同建成作物的植株。作物收获时体内所含有的无机元素数量，即它们的养分需要量，也称养分带出量。在这方面，国内外已经进行过许多测定。由于品种不同，土壤肥力不同，产量水平和经济系数不同，各种作物的养分需要量并不是固定不变的。这里应说明的是，作物的养分需要量是指作物主产品和副产品的养分含量，可以通过化学分析求得。

不同作物不同品种的养分需要量主要决定于产量的高低和植株各个器官在生物产量之中所占的比例(器官平衡)，因为不同器官的N、P、K含量有很大的差别。不同作物对微量元素的需要量不同，水稻需硅较多，被称作硅酸盐作物；油菜对硼反应敏感；豆科和茄科作物则需要较多的钙。

在土壤磷元素普遍缺乏的情况下，如何通过发掘作物的自身潜力，减少土壤对磷酸盐的固定、吸附，以提高磷肥的利用效率，对于提高粮食产量、降低生产成本和保护生态环境有重要的作用。已有研究表明，pH变化和根系分泌物可以使土壤中的磷活化，如豆科作物固氮可造成根际酸化，导致根际pH下降，因此在碱性土壤中，豆科作物可较好地利用碱性土壤中的磷。E.Hoffland(1989)的研究表明，油菜在缺磷胁迫下根尖能分泌有机酸，以增强土壤中磷酸盐的溶解度，提高土壤磷的有效性。植物磷素营养特性的遗传研究已取得一定进展。R.S.Reiter等(1991)以NY82l和H99两个玉米品系的F3家系为构图群体，以苗期干物质重量为指标，对玉米在低磷下的耐性这一数量性状进行了RFLP分析，结果表明，有6个RFLP标记位点与低磷胁迫下的表现有关，这些标记位点分别位于代表5个不相连的基因组区段的4条染色体上，所有被鉴定的数量性状标记位点的基因加性效应占明显优势。这一研究为玉米在低磷下有效利用磷的基因的克隆及开展基因工程奠定了一定的基础。

3.作物与土壤有机质 

土壤有机质是土壤的重要组成成分，它与土壤的发生演变、肥力水平和许多属性都有密切关系。有机质是各种作物所需养分的源泉，它能直接或间接地供给作物生长所需的氮、磷、钾、钙、镁、硫和各种微量元素，有机质可促进土壤团粒结构的形成，能改善土壤的物理和化学性质，影响和制约土壤结构的形成及通气性、渗透性、缓冲性、交换性和保水保肥性能，而这些性能的优劣与土壤肥力水平的高低是一致的。山东省1997年小麦公顷产量9000kg以上的高产纪录，均是在土壤耕层有机质含量为1.20%以上的地块上创造的。所以，土壤有机质含量和性质是评价土壤肥力的重要指标，对农田来说，培肥的中心环节就是保持和提高土壤有机质含量，培肥的重要手段就是增施各种有机肥、秸秆还田和种植绿肥；培肥地力是保持农业可持续发展的根本条件。

(三)土壤生物性质与作物的生态关系

土壤的生物特性是土壤动、植物和微生物活动所造成的一种生物化学和生物物理学特性。这个特性与作物营养也有十分密切的关系。土壤微生物直接参与土壤中的物质转化，分解动植物残体，使土壤有机质矿质化和腐殖质化。含氮的有机物质如蛋白质等，在微生物的蛋白水解酶的作用下，逐步降解为氨基酸(水解过程)；氨基酸又在氨化细菌等微生物的作用下，分解为NH3或铵化合物(氨化过程)。旺盛的氨化作用是决定土壤氮素供应的一个重要因素，所形成的NH3溶于水成为NH4离子，可被植物利用；NH₃或铵盐在通气良好的情况下，被亚硝化细菌和硝化细菌氧化为亚硝酸盐类和硝酸盐类(硝化作用)，供给作物以氮素营养。

    此外，微生物的分泌物和微生物对有机质的分解产物如C02、有机酸等，还可直接对岩石矿物进行分解，如硅酸盐菌能分解土壤里的硅酸盐，并分离出高等植物所能吸收的钾；磷细菌、钾细菌能分别分解出磷灰石和长石中的磷和钾。这些细菌的活动也加快了K、P、Ca等元素从土壤矿物中溶解出来的速度。可见土壤微生物对土壤肥力和作物营养起着极为重要的作用。

二、高产对土壤条件的要求

土壤是作物根系生育和活动的场所。土壤环境中的各种因素,都直接或间接地影响作物的生长发育。一般作物对土壤的要求有以下几点：

1.土层深厚，结构好 

各种作物都有一个强大的根系，主要分布在1米以内的土壤内，而根量的50%集中在0～25厘米的耕层内。因此，要求土层要深厚，具有团粒结构的土壤，使水、肥、气、热各个因素相互协调，为根系生长创造一个良好的生活环境。

2.松紧适宜，通气性好

耕层的松紧程度要适宜，并要求相对稳定。固相、液相、气相三者比例要协调，一般要求土壤的孔隙部分与土壤固体部分之比值等于1或稍大于l较好。土壤容重在1.0～1.3克/厘米³。

3.砂粘适中，质地好

壤土为作物生长最为理想的土壤质地。但各种作物对土壤质地有不同要求，如块根、块茎等作物要求砂质土壤。

4.耕作层肥沃，有机质合量高 

一般要求土壤耕层内有机质含量在1%～2%。

5.酸碱适度，地下水位低 

土壤内含盐量与酸碱度（pH值)对作物生长发育影响很大。土壤pH值超过9或低于4对作物根系均有毒害作用，并对土壤养分有效性的影响也很大。大多数作物要求pH植在6.0～8.0之间。甘薯、马铃薯、花生、烟草在5～6，玉米、大豆、黄麻、油菜为6～7；水稻、小麦、大麦为6～7.5；高粱、豌豆、蚕豆、棉花、向日葵、甜菜为6～8。