地球化学与我国农业结构调整

地球化学与我国农业结构调整自古以来,人们就发现某些地区的某些作物产量高且品质好,甚至成为“贡品”。而在同样外部条件、种子和耕作管理的情况下其他地区的此作物产量和品质却达不到同样水平。人们通常把上述问题归结于“水土问题”,实际上这种“水土问题”的根本原因就在于化学元素在地壳中分布的不均匀性。由于地球形成时元素的分布就是不均匀的,在其漫长的演化史中,同样造成了地球各圈层(岩石圈、土圈、生物圈、水圈、大气圈)中元素分布的不均匀。当富含某种元素的岩石风化最终形成土壤时,其中也同样富含了这种元素,并形成分布面积较大的区域性元素的富集或贫化。研究表明,常量元素在各圈层(除大气圈外)变化不大,如Si、Ca、Mg、K、Na等,微量元素则变化各异,主要取决于原岩中元素富集程度。这些微量元素的多寡,往往是造成作物优质高产或劣质低产的根本原因之一。随着我国人民生活水平的提高和粮食产量的不断增加,人们对“两高一优”作物的需求量不断增加。为此,农业专家培育了大量的良种。但由于对微量元素在作物生长过程中的作用认识不系统,对一些传统优良品种的品质退化原因认识不清,有的好品种质量不断退化。如不适时加大科技投入,因地制宜、因土制宜、因土壤地球化学制宜,不断调整农业结构,提高作物的质和量,就会出现增产不增收的被动局面。1.部分微量元素与农业生产及人体健康的关系随着地球化学服务领域的不断扩大,很多学者、专家对数十种微量元素与农作物生长的关系进行了研究。除传统农肥元素N、P、K外,近年来对几种微量元素与大宗农作物(粮、棉、油等作物)和名、特、优经济作物及瓜果类的关系研究,取得了一批具有实质性进展的成果。1.1硼(B)硼对作物根、茎等器官的生长,幼小分生组织的发育及作物的开花结果均有重要作用。世界土壤中硼含量平均为20×10-6,我国土壤平均为64×10-6。需硼较多的农作物有:油菜、甜菜、大豆、花生、蚕豆、豆科绿肥、棉花、小麦、水稻、玉米、高粱、马铃薯及各种果树。缺硼既能使作物的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱,又能使作物细胞器官的结构破坏导致作物的病态生长。如缺硼能使麦类雄蕊发育不良,雌蕊子房枯萎;棉花叶脉突出呈木质坏死,棉蕾易脱落;油菜心叶卷曲,下部叶片枯萎,主根萎缩,顶芽死亡等。1.2锌(Zn)锌是作物生长不可缺少的元素,它是作物多种酶的组成部分,也是一些酶的激活剂和抑制剂,而且是氮代谢和蛋白质合成的核心。世界土壤中锌含量平均为50×10-6,我国土壤平均为163×10-6,人体内正常含1.5～3.0g。缺锌常使氮化物的转化和蛋白质的合成受阻,严重缺锌的土壤,作物体内氮化物多聚集在营养器官中,影响籽实形成,直接影响产量。不同作物缺锌的主要症状为:水稻不长苗,主脉失绿,植株矮小(或称“僵苗”),严重时死亡;棉花叶片变厚变脆,易破裂,叶缘卷曲,生长停滞,植株矮小,豆类、水果(苹果、梨)落花、落果等。锌过量时伤害作物根系,根的生长受阻,老叶坏死;对大豆毒害,叶子卷曲茎轴枯死等。缺锌现象较明显的石灰性土壤中的玉米、小麦、水稻、甘薯及瓜果等需补锌。对于人体健康来说,缺锌可导致生殖力下降,形成性发育不完全的株儒,引起味觉不灵敏,食欲不振,视力减退,形成暗视盲。锌过多会引起恶心、呕吐、痉挛、下痢。锌的毒性极小,即是高浓度毒性也不大。1.3锰(Mn)锰是许多酶的活化剂。研究表明有23种金属-酶复合物需要锰激活。锰参与光合作用与氮代谢,有维持叶绿体膜正常结构的作用。锰还有调节作物体内氧化还原电位的作用,而且能促进和提高作物组织的持水能力,降低蒸腾强度。世界土壤中锰含量平均为100×10-6,我国土壤平均为845×10-6,人体内含锰20mg。粮、棉、油、糖、果树、蔬菜等作物都需要锰。作物缺锰时,叶片脉间失绿,失绿部分渐变为灰色或局部坏死,叶片向内弯曲,形成枯叶。人体内锰不足可导致软骨、生长障碍、易患动脉硬化症并影响造血功能。过量锰会引起中枢神经受损。1.4钼(Mo)钼是作物的必需元素,是构成作物体内硝酸还原酶和氮酶的组成成分,对氮的代谢和果胶酶物质的代谢有重要影响,适量锰能提高作物对二氧化碳的吸收,促进碳素的同化。世界土壤中钼含量平均为1.2×10-6,我国土壤平均为1.7×10-6,人体内含钼12～20mg。豆科和十字花科作物需钼较多。作物缺钼时,叶脉间叶色变谈、发黄,与缺氮和缺硫的病症相似,但缺钼的叶片易出现斑点,典型缺钼的症状是花椰菜“鞭尾病”和柑桔的“黄斑病”。人体中钼过多患痛风病,可引起甲状腺肿大。干扰机体的钙、磷代谢,影响骨、齿的生长,形成佝偻病、软骨病和龋齿。缺钼肝解毒功能下降,以致肝损伤。1.5铜(Cu)铜主要参与光合作用和作物的氮代谢,它是质体青的必要组分。铜还能增强叶绿蛋白的稳定性,减少在黑暗中的叶绿体的降解。铜参与硝酸还原作用,还可能参与豆白红蛋白的合成。铜能调节生长氧化酶的活性和增强作物抗性。世界土壤中铜含量平均为30×10-6,我国土壤平均为27×10-6,人体内含铜100～150mg。玉米、谷子、油菜、棉花生长需要铜元素。作物缺铜时,新叶失绿发黄,叶尖发白并卷曲,叶脉间出现坏死斑点。适量铜可保证人体造血机能正常活动。缺铜会引起贫血造成局部皮肤脱色(白癫风)。引起白发。过低可导致主动脉血管弹性降低。过量铜严重影响机体的正常代谢。1.6铁(Fe)铁不是微量元素,其在土壤中的含量为1.0%～5.0%,一般情况下不会出现缺铁。只有在一些特殊岩层风化的土壤(如石灰性土壤)中才发生。葡萄、草莓、苹果、桃、枣等的生长需要较多的铁。缺铁易得传染病和贫血症。人体内铁过量可引起中毒,表现为肝、肾受损,婴儿铁中毒表现为呕吐、胃肠道出血、末梢神经衰弱,重者死亡。1.7硒(Se)硒对作物产量和品质的提高有多大作用目前还未见实例,但其对人体健康的作用已被公认。低硒引起心肌病和多种癌症,营养性肌无力,肌萎缩以及龋齿、白内障等,儿童恶性营养不良及婴儿猝死。分布面积很大的克山病、大骨节病区主要是缺硒。对约占我国国土面积一半的1094个县市取样分析表明,我国土壤中含硒量大于国际上公认正常值0.1×10-6的县市只占9%,低于0.1×10-6的县市占91%,其中低于0.05×10-6的县市占71.75%,严重缺硒的县市约占30%以上。高硒引起脱发、指甲畸形或变软和神经中毒。2.开展土壤微量元素调查,查明元素的丰缺状况及其地球化学机理2.1土壤中元素的丰缺状况原地矿部门自70年代以来已投入大量人力、物力,完成了457万km21∶20万以找矿为主的区域地球化学扫面工作。一般要求分析39种元素,尽管所取的样品为水系沉积物,但经国土资源部物化探所在部分地区试验,与土壤中元素全量及有效态含量之间存在明显的相关性。根据区域化探扫面资料,编制了农业地球化学图,依据作物生长所需营养元素的多寡圈定正常区、过剩区、缺乏区及潜在缺乏区,以指导当地农业的区划、种植结构调整及针对性补施矿物肥料,取得了较好的效果。由于1∶20万区域地球化学扫面主要在山区、丘陵地区进行,这些地区可在进行对比试验的基础上充分利用已有资料。平原地区一般是区域地球化学扫面的空白区,但平原区是我国主要的粮、棉、油及经济作物的主产区,且人口众多、工业发达,往往存在一定的环境污染问题。经国土资源部物化探所及有关单位在部分地区试验成果表明,以0～20cm深,1km2取1个样,4km2组合分析,研究耕作层地球化学信息;以60～120cm深,4km2采1个样,16km2组合分析,研究深层地球化学信息均取得较满意的效果。分析元素主要包括作物生长的营养、有益和有害元素的全量和有效态含量等。根据分析资料并结合地质环境特征,研究微量元素的全量、有效态含量的丰缺状况、地理分布及其相互关系,用以指导种植结构调整和科学施肥。2.2土壤中元素丰缺的地球化学机理就目前看来,微量元素在提高作物产量、品质及在生命科学中的重要作用已在地球化学界、农学界和医学界取得了共识。但土壤中的地球化学机理研究方面尚处于初级阶段,很多地方的经验和理论还有很多相悖之处,尚需继续积累和验证。实践中人们也发现,有时土壤中全量高的元素其有效态含量却缺乏;有的地段明明缺某种元素,也适时补施了有关微肥,但效果不甚明显。其根本原因是对土壤中元素的地球化学机理了解不够。元素在土壤中的存在形式不同将明显影响其有效态含量,也就不能有足量的可供性。如以原生矿物形式赋存在微斜长石、正长石、白云母中的钾素,往往很难转换成可交换性钾;强石灰性土壤中由于硼易被钙盐吸收而明显降低了有效性等。土壤pH值与Zn、Mn、Fe、Cu的有效态含量呈反消长关系;而Mo的有效态含量则与pH呈正相关,这与碱性条件下钼的氧化物易转化为可溶性钼酸盐有关。土壤中有机质含量与Zn、B(Cu)有效态含量往往呈正消长关系。反映出有机质对Zn、B(Cu)的吸附作用,当有机质分解为植物提供养分时,也输送给作物生长所需的Zn、B(Cu)元素。粘土矿物铁、铝或锰的氧化物也可因阳离子代换、矿物结构的特殊性吸附Zn、B等元素,造成该类元素的缺乏。土壤中钼酸根离子也能被带正电荷的土壤胶体吸附造成缺钼现象。在排水不畅的条件下,特别是施用有机肥的土壤中,往往反映出还原、酸性地球化学环境,此时,Fe3+、Mn3+还原为Fe2+、Mn2+,从而降低其有效态含量。另外,元素之间还存在拮抗和协同现象,表现在某地区某种元素缺乏或超量,结果导致整个生态系统的不畅或破坏。如增加Ca、K、N供应时,植物对B的需求量相应增加;P含量高时会引起缺Zn;过量N、P会引起缺Cu,Cu过量会导致缺Fe;增加Cu、Mn等元素,可能会降低植物对Mo吸收;大量使用硫酸盐肥料(硫酸锌、硫酸锰、硫酸亚铁等)会引起缺钼;长期使用Zn、Mn、Cu肥,可使作物体内相对缺铁等等。3.根据自然地理条件及土壤中元素丰缺合理调整种植结构,科学选择和施用微肥3.1根据地球化学图合理调整种植结构在实测和利用现有资料的基础上,根据作物所需营养元素的多寡编制农业地球化学图,圈出作物生长元素的正常区、过剩区、缺乏区及潜在缺乏区,作出调整种植结构的农业区划图,并指导农民科学选择适宜农作物和科学选肥、施肥。使名特优作物品质不退化,低产作物增产,剔除不适宜作物,换种适宜作物。真正做到因地制宜、因土制宜、因土壤地球化学制宜。这方面的实例正在不断积累,并在当地产生巨大经济效益。如原长春科大对黑龙江农作物研究发现,钼、钴对大豆的产量和品质的影响十分明显,亩产在100kg以上大豆区,Mo多大于1.2×10-6,Co11.5×10-6;玉米亩产在190kg以上、小麦90kg以上、甜菜区900kg以上、水稻170kg以上地区,Zn均大于60×10-6。邵时雄等(1995)对河北献县金丝枣优质高产区研究发现,金丝枣优质高产土壤小、中有效铁、锰含量分别大于15.0×10-6和8.0×10-6。曹洪松(1995)对山东肥城桃种植区研究认为,Ca、K、P、N、Mg等大量元素,Zn、Cu、B、Mo等微量元素对肥桃生长和品质起促进作用,并根据当地的地质—地球化学特征将肥桃划分为优势区、中势区、劣势区及不宜区,对合理调整农业布局、科学规划土地资源提供了决策依据。此外,微量元素与柑桔、烟草、沙田柚、苹果、梨等经济作物,微量元素与地方病、癌症等生命科学方面的研究也日渐增多。3.2提高对微肥的认识,科学施肥目前,各地复混肥、专用肥种类很多,如硼肥、锌肥、锰肥、钼肥、铁肥、铜肥、硒肥等。但是如使用不当,不但无增产效果,反而增加生产成本,甚至造成污染。因此,正确指导农民因土、因作物施肥是微肥能否真正起到增产增收作用的重大问题。各种微肥都有一定的使用范围和施肥方法(表1)。只有在查明元素丰缺的前提下,针对不同土壤地球化学条件、水热条件、作物品种等特点选肥、施肥,才能取得实效。因我国农民文化水平普遍较低,不可能要求他们既了解当地土壤营养结构,又了解作物所需元素。这就要求化肥厂家根据当地土壤营养结构和作物生长所需营养成分,对化肥进行二次加工配料,生产出各种对本地作物需要的专用肥。由于微肥是微量元素,所以少了不起作用,多了则会造成环境污染。这就需要当地化肥生产厂