11.3  土壤微量元素

土壤中的9种微量元素(microelement)为: 铁、 锰、 锌、铜、 硼、钼、 镍、钴和氯。 它们之所以被称为微量元素是因为植物对它们的需要量很小， 它们在土壤中的含量也极少。 尽管如此， 微量元素对植物的健康生长却起着及其重要的作用， 有时甚至超过大量元素的作用。 植物缺乏微量元素时， 可出现植株矮小， 低产， 早衰或死亡等。 因而， 有时少量微量元素的施用都会明显的影响植物的生长。 尽管一些地方报道微量元素限制森林的生产力， 但森林土壤微量元素缺乏现象一般不是很普遍。

11.3.1.硼(boron): 硼参与细胞的分裂和合成， 影响脱氢酶的活力， 糖类的代谢， 核酸以及植物荷尔蒙的合成。 无论是在农业土壤或是森林土壤中， 硼都是最普遍缺乏的微量元素之一。

含量: 一般在酸性土壤中硼的有效性最高， 但酸性砂质土壤中， 硼很容易被淋洗。 在pH值7到9时， 硼的有效性最低。 施用石灰可能会导致硼的缺乏（图10）。 但是， 施用石灰后， 高pH值会促进有机质含量高的土壤中有机质的矿化及硼的释放。在这种情况下， 硼的有效性取决于被固定和矿化的硼的相对量。

 

形态:

    岩石和矿物中的硼

硼的主要存在形态有： 粘土矿物以及铁铝氧化物吸附的硼，

     与有机质结合的硼以及硼酸。

地球表层及大多数岩浆岩里含硼较少。在沉积岩里以页岩含硼最高，可高达100 ppm。 电气石(硼硅酸盐的一种)是土壤中主要的含硼矿物。 可溶性的硼主要以[B(OH)3] 或 B(OH)4- 的形态存在，它们可被吸附在粘土矿物(如高岭石)或铁铝氧化物的边缘或表面上。硼也可被腐殖质吸附，这种吸附强度有时甚至大于无机胶体的吸附。土壤pH值的增加， 粘土矿物和有机质含量高， 以及铝化合物的存在都将促进H4BO4-的吸附，从而导致硼的有效性降低。但是，质地较粗，排水良好的土壤本身含硼量较低。

11.3.2．铁(iron)：铁在植物中参与氧化还原过程，它也是某些酶和蛋白质的成分。

铁是岩石圈中第四大元素，占地球表层的5%，土壤中大多数铁存在于原生矿物，粘土矿物，氧化物和水化物中。常见的含铁原生矿物和次生矿物有橄榄石[(Mg， Fe)2SiO4]，菱铁矿(FeCO3)， 磁铁矿(Fe3O4)， 赤铁矿(Fe2O3)， 针铁矿(FeOOH)， 和褐铁矿[FeO(OH)。nH2O + Fe2O3。nH2O]等。但植物可利用Fe2+ 和 Fe3+在水里的溶解度极低。

影响土壤溶液中铁浓度的因素 ：

有机螯合物可提高铁的有效性，一般铁螯合剂可提高铁的溶解力达几个数量级。在排水状况良好，氧化性的土壤里，铁以Fe3+形态存在为主。

土壤积水：由于Fe2+的溶解力增加。

土壤溶液中 pH：pH值增加一个单位， 三价铁的含量将降低1000倍， 二价铁的含量将降低100倍。南方酸性土壤一般不缺铁， 但干旱或半干旱地区的碱性土壤则通常可能出现缺铁（图11）常的土壤pH值范围内， 土壤中可溶性的铁不能满足植物的生长需要。

提高铁和其它微量元素的有效性方法之一就是利用螯合剂。 土壤中有许多天然有机化合物可以与Fe3+及其它微量元素螯合， 从而提高它们的有效性。 在植物主动吸收过程中， 螯合铁或其它微量元素在土壤溶液中的浓度将大于根区表面的浓度， 因而可通过扩散作用达到根区。 在根表面， 铁被释放或离解而被植物吸收， 但具体机理还不太清楚。 当铁被离解后， 自由的螯合剂又会从根区回到土壤溶液中， 螯合其它的铁离子。

易发生缺铁土壤及其对策：

紧实， 粘重， 石灰性土壤容易缺铁。 在冷湿的气候条件下， 土壤湿度大， 通气不良时， 土壤也会缺铁。 排水良好的土壤， 添加有机质(螯合剂的施用)将改善土壤结构， 提高土壤铁的有效性。

11.3.3．锌(zinc): 锌参与许多酶的活动， 对激素的合成起促进作用。 缺锌（图12于生长素合成的降低将导致植物出现节短， 小叶病， 叶斑病等。

土壤中的锌：土壤含锌量一般在10到300 ppm， 平均为50 ppm。 岩浆岩和沉积岩一般比石灰岩或砂岩含锌高。 含锌的矿物主要有锌铁尖晶石(ZnFe2O4)， 菱锌矿(ZnCO3)和硅锌石(Zn2SiO4)。 土壤溶液中的锌含量范围在5-70 ppb之间， 一半以上的锌被有机物所吸附。 

影响土壤溶液中铁浓度的因素 ：植物主要吸收二价锌离子(Zn2+)。 

土壤pH值：锌的溶解度与土壤pH值极相关， pH值增加1个单位， 锌的溶解度降低100倍。

与被吸附在粘土矿物和有机胶体表面的锌的量相关。 

土壤中含锌原生矿物和次生矿物的丰富度。

有机物质螯合物。 锌盐-螯合剂的结合对锌向根区表面移动及植物对锌的吸附极为重要。

11.3.4．铜(copper): 铜是酶的成分， 及参与酶的活动， 参与复杂聚合物(如木质素和黑色素)的合成。 在这些反应里， 铜不能为其它任何金属离子所取代。

影响土壤溶液中铜的因素：和铁以及锌相似， 土壤溶液中的铜和可被植物吸收的有效铜受土壤pH值和粘土矿物（层状硅酸盐粘土矿物，铁铝或锰的氧化物）以及有机质表面上吸附的铜的量的多少的影响。 原生矿物（孔雀石和铜铁矿）和次生矿物（氧化铜， 碳酸铜， 硅酸铜， 硫酸铜， 氯化铜等，大多数很容易溶解于水）的溶解可释放铜到土壤溶液里， 土壤溶液里的铜可被微生物体固定， 并和有机物形成络合物。铜的有效态为Cu2+和铜的有机络合物。 植物含铜量低于4ppm时， 就很可能缺铜。

一般土壤中铜浓度为1-40 ppm，平均为10 ppm。 岩浆岩含10-100 ppm铜， 沉积岩在5-45 ppm之间。pH值每降低一个单位， 可溶性铜的含量提高100倍。 在pH值低于7时， Cu2+ 在土壤溶液中占主要地位， 高于7时则以Cu(OH)2为主。 土壤中的有机物可与铜形成敖合物， 从而可让土壤溶液里铜的浓度超过从含铜矿物溶解度推断得来的浓度值。表层土壤的可溶性铜主要是有机的络合物。 铜和有机物的之间的结合是微量元素中最牢固的。

铜还可能被一些矿物结构包被， 如粘土矿物， 铁铝或锰的氧化物， 这些被包被的铜又可称为闭蓄态铜。 

 

 补充   植物养分吸收的机理

1．植物吸收养分包括两个过程：

1．1养分从土壤到植物根系的移动

质流(mass flow): 由于植物的蒸腾作用吸收水分， 因而离子和其它的可溶性物质就可以随水的流动而进入根区。 质流也可发生在蒸发和渗透水移动的过程中。 移动到根系表面的养分的多少与水流动的速率， 植物消耗水的速率以及土壤溶液中养分的浓度相关。 质流在氮， 钙， 镁， 硫， 铜， 硼， 铁， 锰和钼的供应上起着极为主要的作用。 低温低湿都将减少质流向根系供给植物营养的作用。

扩散(diffusion): 扩散是植物磷和钾从土壤溶液中移动到根系表面最重要的方式。 扩散对锌和铁在土壤溶液中的移动也很重要。 扩散是指离子从高浓度区域移动到低浓度区域的过程。 由于植物根系吸收根系附近的养分， 因而根系附近的养分浓度低于土壤溶液中的浓度。 这种浓度梯度导致养分从土壤溶液中移动到根系表面。土壤温度越高、湿度越大， 扩散速率将提高。

根系截留(root interception): 根系吸收土壤溶液中养分的机理主要是通过接触交换。 由于根系与土壤颗粒的接触， 这种交换作用把根毛表面吸附的氢离子和粘土矿物表面或有机质表面吸附的阳离子进行交换。 根系表面的氢离子并不能与土壤固体颗粒表面的离子直接进行交换， 而必须通过土壤溶液或土壤水。 可与植物根系直接接触的养分的数量相当于和根系同样体积的土壤中所含的养分。 根系养分截留可通过菌根(真菌与根系的共生体) 的增加而增加， 特别是在贫瘠土壤里这一机理很重要。 这主要是由于菌根增加了养分吸收的面积。 这对土壤中移动性差的养分元素如磷等特别有用。 此外， 新根系的生长也可提高根系对离子的吸收。 通常根系占土壤体积的1%， 但是根系通过土壤孔隙的生长将至少接触到3%的土壤养分， 因为部分根系生长在溶液中养分含量相对较高的土壤孔隙内。

1．2 植物对离子的吸收：到达根表的养分被植物吸收进入植物体内。植物吸收养分有主动和被动两种过程。

被动吸收(passive uptake): 被动吸收不具有选择性也不需要利用新陈代谢提供的能量。 根系的大部分部位都可被动吸收离子。 扩散和离子交换的外部(或表面)自由空间， 主要位于根系的表皮细胞以及细胞间的膜。 这种表面自由空间在细胞最外层膜(即凯氏带， casparian strip)以外。 凯氏带阻碍离子的扩散和交换。 因此，被动吸收发生在凯氏带和原生质膜的外面。

扩散和离子交换是土壤溶液中的离子进入根系组织的机理。 它们都是被动过程。 因为这种外层空间的吸收取决于离子浓度(扩散)和电荷(离子交换)梯度。 由于外层空间的离子浓度总是低于土壤溶液中的离子浓度， 因而浓度梯度导致扩散发生。 植物表层细胞的内表面带负电荷， 吸附阳离子。 阳离子交换在细胞外表面很容易发生。 这样， 根系细胞释放H+离子从而保持电荷的中和， 这样接近根系表面的土壤溶液pH值可能会减低。 植物对水分吸收的速率和蒸腾速率都会影响离子从根系移动到植物的地上部分。 因而质流对离子在植物体内的移动可能很重要。

主动吸收(active uptake): 主动吸收发生在细胞内空间并且需要可结合离子的复合物或载体， 吸收较慢， 并且具有高度的选择性， 需要利用代谢提供的能量。 细胞内的离子浓度通常高于细胞外的离子浓度， 离子跨原生质膜的运输只能逆电化学梯度进行， 因而需要利用细胞代谢产生的能量来完成。

转移一些极性的物质通过膜需要利用运输蛋白来完成。 每种运输蛋白都有高度专一性， 有时只接受一种离子(如镁离子或铜离子)或分子(如糖或氨基酸)， 而排斥其它类似的离子。 运输蛋白可分为三类: 载体(carrier)， 运输通道(channel)和离子泵(pump)(Raven等， 1992)。

载体蛋白可与特定的溶质结合， 构型上发生一定的变化， 以便携带溶质通过细胞膜。 这种离子载体机理涉及代谢产生的物质， 它们可以和自由移动的离子结合。 这种离子-载体复合体可以通过细胞膜以及其它自由离子不能穿过的障碍物。 当离子进入细胞的内空间后， 离子被释放出来， 载体又回到细胞外重新被利用来携带其它的离子通过细胞膜。

 

通道蛋白：通道蛋白可形成充满水的空隙， 这些空隙伸展到膜的两边。 当通道蛋白打开时， 具有适当大小和电荷的无机离子和其它特定的溶质就可以通过通道进入细胞内部。 载体蛋白和通道蛋白都受电化学梯度的能量驱使而运作。

运输蛋白称为泵。 泵既可以被化学能(ATP)驱使， 也可被光能驱使， 在植物和真菌细胞里这些泵通常称为质子泵。 不同运输蛋白每秒运输的溶质分子数量不同， 泵最少， 每秒小于500; 其次是载体蛋白， 每秒在500-10，000之间; 通道蛋白最高， 每秒大于10，000。

通过胞间连丝(plasmodesmata)的运输: 植物体的相邻细胞是通过细胞质窄小的纤维丝(胞间连丝)互相连接的。 胞间连丝是物质从一个细胞运输到另一个细胞的潜在通道。 共质体就是指许多相互连接的原生质和胞间连丝。 物质通过胞间连丝从一个细胞到另一个细胞就称为共质体运输(symplastic transport)。 相反， 物质通过细胞壁联合体， 或外质体(在共质体的外围)的移动称为外质体运输(apoplastic transport)。 相邻细胞间的共质体运输比间接的通过原生质膜， 细胞壁， 原生质膜这种运输方式更有效。 一般认为通过胞间连丝， 扩散或质流就可以提供那些远离养分的细胞或组织所需的营养元素。 一些物质可通过胞间连丝进入木质部和韧皮部: 这些组织与植物体内的长距离运输相关。 但目前我们还不太清楚胞间连丝是否能控制物质从一个细胞移动到另一个细胞。