肥料与水的有效利用综述.docx
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肥料与水的有效利用综述
肥料与水的有效利用
作物生长不良时常轻率地被归咎于缺水，其实与养分缺乏、病虫害和其他因素也密切相关。
人们常谈论年景好坏，大多数情况下可将无灌溉地区的好年景理解为丰雨年份。
其实，生育期中雨量分配与总雨量同等重要。
迄今，水一般首先满足农业灌溉。
但随着工业、旅游和城市用水压力的增大，这也许不再会无限地继续下去了。
农业将被证明值得用水，并且农业用水将与其他用水进行综合平衡。
以上这些都意味着必须尽可能有效地利用水分。
找出提高水分利用率的途径是对农业的主要挑战。
根据现有的知识来估计，灌溉农业中水分利用率仅约50%。
此值可能远远低于非灌溉地区的效率。
任何增产的生长因素一般都会提高水分利用率。
这些因素包括耕作、品种、种植密度、病虫防治、播种期和植物养分供应。
施肥对作物需水量的重要影响很早已被认识。
1913年USDA的科学家Briggs和Shantz做出这样的描述：
在此引用的试验几乎毫无例外地说明，使用肥料会减少需水量。
在生产力高的土壤上，这一减少量只占很小比例。
在贫瘠土壤上，施入肥料可能使需水量减少1/2甚至2/3。
通常缺乏某种植物营养元素导致高需水量。
当该元素的供应趋于耗竭时，由CO2同化测定的生长速率大大降低而蒸腾并无明显变化。
其结果必然是需水增加。
大约50年后，另一位USDA科学家Viets（1962）说：
无论是根本没增加肥料的消耗性利用，还是只略有增加，总能证明以下结论：
如果肥料提高了产量，水分利用效率（即单位耗水生产的干物质）便会大大提高。
所以，给所有作物施足肥料在水分有效利用和保护水资源上都至关重要。
肥料还会增加土壤中的根系发育，使土壤水在高吸力下和更深的层次得以利用。
旱地农业，甚至湿润地区农业在干旱期内，这种效应十分重要。
很明显，肥力充足有助于作物更有效地利用水分，而且每毫米水生产更多作物。
改善作物耐干旱环境的能力可部分地解释如下：
（a）肥力充足可加深根系扎入土壤。
肥力充足有利于扩大根系的生长和繁茂。
根系每深扎入土壤1厘米，就能多获得0.85~1.7毫米水。
（b）大部分磷和钾沿包裹土粒的水膜扩散向根移动。
缺水时，水膜薄，离子运动路程加长。
因此磷、钾向根的运移减少。
增加土壤中磷和钾的浓度（即增加其在土壤溶液中的浓度）可增进其向根的输送。
（c）高土壤水吸力（低湿度）对根系施加生理影响。
随着吸力增加，根毛的长度缩短、膨压降低且数量减少。
线粒体发育减缓，载体浓度和磷酸化过程降低。
所有这些都会减少养分的吸收。
（d）肥力充足降低水分需求，蒸腾减少。
业已证明，钾帮助关闭气孔，因而减少失水。
（e）植冠增加，加快覆盖土壤。
这样直接从土壤蒸发到空气的水分减少，而大部分被植物利用。
在美国佐治亚州进行的调查表明，9月份只有35%的大豆田植冠覆盖完全。
化验结果，69%的田块土壤pH值小于6.9，另39%的田块磷含量中等偏低，79%的田块钾含量中等偏低。
（f）肥力充足可加速成熟。
这对玉米特别重要，有助于其在夏旱前保证授粉。
同样，生长延迟的小粒谷物因在抽穗期及其后出现夏旱，也受到不利影响。
（g）植物及根系残体量增加。
在任何一种耕作措施下，较多量的残茬都会阻止雨滴的冲击，减缓水流运动，增加水分入渗。
风蚀影响也因残茬而减弱。
第一节土壤含水量和养分吸收
一、水对养分吸收机制的影响
水在三种养分吸收机制中都是关键因素。
（一）截留
因为在湿润土壤比在水分含量低的土壤中生长的根系范围更广，所以能截获更多的养分离子。
这对钙和镁尤其重要。
（二）质流
供应蒸腾流的土壤水质流能向根系运送大部分的硝酸盐、硫酸盐、钙和镁。
（三）扩散
通过前两种方式，根系一般不能得到足够的磷和钾。
扩散作为第三种方式就显得很重要。
植物吸收根附近的养分，造成浓度梯度。
然后养分从高浓度区缓慢地向低浓度区扩散，但其距离不超过3.2~6.4毫米。
因该过程通过水膜发生，故扩散速率部分地取决于土壤含水量。
水膜越厚或土壤养分浓度越高，营养元素扩散越快。
在建立土壤湿度和植物吸收养分的关系式上已做了大量工作。
养分吸收直接受土壤含水量影响，也间接受水分对植物代谢活动、土壤通气和土壤溶液中盐浓度的影响。
在美国衣阿华州，湿度亏缺增加，则玉米叶片中氮、磷、钾浓度降低。
施用氮、磷、钾增加了植株中养分含量，但仍低于最佳浓度范围。
二、水对植物吸收矿质营养元素的影响
（一）钾
土壤水分减少（pF值增高）对降低玉米生长的影响示于图16-1。
但随着钾饱和度的增加，所有三个湿度水平上的生长量都增加。
因此，足量的养分（此例中为钾）有助于克服水分供应差造成的某些胁迫。
（图：
图16-1生长21天后玉米干物质产量与钾饱和度及水分供应的关系）
降雨（6月、7月、8月）与玉米对钾的反应有关。
降雨越少，反应越大。
这至少涉及两个因素：
（a）大多数被吸收的钾必须从根附近向根移动，并借助水膜通过。
含水量越低，钾移动越难。
故土壤湿度低时，植物吸收的钾可能只来自距根极近的位置。
土壤湿度高时，可能来自距根较远的位置。
（b）一些土壤底土中含钾低于表土。
干旱时表土水分耗竭，植物根必须从不能吸收到那么多钾的底土中吸收养分。
在极湿年份（季节性降雨约635毫米）反应又增大。
这与通气受限有关。
植物根系通过呼吸获得能量来吸收养分，而这一过程需氧。
即使根系呼吸受限，施足钾也有助于满足植物所需。
大豆对磷的产量反应因不同年份而异。
18年的研究发现，其产量变化与播种后12周内的降雨量变化非常接近（图16-2）。
雨量越低，对磷反应的百分比越大。
钾也存在这种关系。
（图：
图16-2播后84天雨量越少，大豆产量对磷的反应越高）
玉米和大豆对钾的反应受丰雨年和旱年的影响如表16-1所示。
在钾土壤测试值中等的土壤上，丰雨年也只有很低产量或根本无产量效应或利润；而在缺水年份，施钾能获得200公斤/亩的玉米和80公斤/亩大豆的增产效应，利润丰厚。
（表：
表16-1丰水年和旱年钾对玉米、大豆产量和利润的影响）
施K2O（公斤/亩）
玉米产量（公斤/亩）
大豆产量（公斤/亩）
K土壤测试值（公斤/亩）*
丰雨年
旱年
丰雨年
旱年
0
681
339
251
134
9.7
3.75
681
472
264
188
11.4
7.5
698
506
269
215
14.7
15
681
539
260
215
17.7
增产效应
0
201
18
81
-
利润（美元/亩）
0
14.33
2.97
17.13
-
注释：
*初始值为12.15公斤/亩。
资料来源：
Johnson和Wallingford.CropsandSoils,36（6）:
15（1983）.
在干旱年份，施用高量钾不能使玉米或大豆叶片中的钾达到充足水平。
作物无法吸收足量养分可能是干旱年份产量较低的原因。
表16-2说明了在干、湿年份中增加肥力和花生壳对玉米增产的影响。
即使在干旱年份，增加的肥力和花生壳都能使产量增加到656公斤/亩。
降雨充足时，产量为1112公斤/亩。
花生壳大大增加了钾的吸收，由于减少了蒸发和径流，增加了入渗，0~15厘米土层含水量有所增加。
（表：
表16-2丰水年和旱年充足肥力对玉米产量的影响）
花生壳用量（吨/亩/年）
1975丰雨年（公斤/亩）
1976旱年（公斤/亩）
不施肥
100-100-100
不施肥
100-100-100
0
527
857
222
464
1.4
786
819
418
539
2.8
673
999
447
577
5.6
966
1112
568
656
平均
736
945
414
560
注释：
资料来源：
Luts和Jones.Agron.J.70:
784（1978）.
（二）磷
USDA的Black发现，在干旱年份，美国蒙大拿州春小麦对N-P肥的反应中，83%是磷的效应。
丰雨年产量高出3.3倍多，而磷只占施用N-P所得效益的43%。
在法国进行的研究表明，谷物对磷和降雨反应呈相反关系（图16-3）。
谷物对磷的百分比产量效应在低雨量时更大。
在叙利亚，施磷改善了谷物在低磷土壤上的耐酸能力。
（图：
图16-3a谷物对磷的反应对降雨的反应呈相反关系）
（图：
图16-3b谷物对磷的反应对降雨的反应呈相反关系）
（三）氮
虽然干燥土壤中氮的吸收肯定降低，但通常不像吸收磷、钾降低得那么多。
铵态氮不易移动，但硝态氮是阴离子在土壤水中随水运动。
下大雨时，硝酸盐在土壤中向下移动，只要不移出根区，就为氮提供了储备便于以后利用。
另一方面，在干旱条件下，有机质分解减慢，故而氮释放减慢。
（四）微量元素
关于土壤墒情对微量元素吸收的影响尚需更多的资料。
干旱时常常见到暂时性缺硼，其原因可能是：
（a）大多数硼存于有机质中，干旱条件下有机质分解和硼释放减慢。
（b）某些地区底层土壤中硼含量低于表层。
受旱时表层土壤根系活动减弱，因而植物吸收硼减少。
另一方面，在砂性土壤中，降雨过多和淋洗可移走一些土壤有效硼。
土壤湿度低也会引致或加重缺锰和缺钼。
与此相反，缺铁和缺锌常与土壤湿度高有关。
业已证明，土壤湿度增加会导致杂三叶草吸收钼和钴增多。
这两种元素在土壤溶液中较多，蒸腾的加强和高浓度溶液大量流入植株体内解释了其在植株中数量较多的原因。
土壤水分不影响铜的吸收。
锰在潮湿条件下有效性增强，因其转化为更易溶的还原态。
三、施肥位置和养分吸收
一般认为，在干旱条件下最好将肥料置于在生育期大部分时间都能保持水分的区域。
如图16-4所示，干旱条件下肥料深施使氮吸收增加，而在湿润条件下深施则无效。
这项研究还表明，施肥深度对干旱条件下磷的吸收无影响，而且吸收量很低。
对钾来说，施在30厘米比施在5厘米处使其吸收量更大。
总之，深施养分，使其在生育期大部分时间处于湿土中，会使养分更有效地利用。
当然，假若土壤太干，深施也无效。
关于深条施对水分利用效率的影响将在后面加以讨论。
（图：
图16-4湿度、肥料和施肥深度对粒用高粱吸氮的影响）
第二节养分与水分的相互关系及水分的损失
一、养分、水分相互关系
植物中的养分、水分相互关系反映在许多方面，下面是其中几种。
（a）在缺磷土壤上，施磷加速成熟。
这会使植物生育期缩短，其余条件相同时，用水较少。
假如提前7天成熟而植物每天耗水5毫米，将节水3.6厘米。
（b）缺钾植物软弱。
施钾增加膨压并帮助保持内部水分平衡和原生质水合。
膨压减弱后，气孔开张度减小以保持水分。
美国蒙大拿州的研究发现，施足钾的大麦暴露于干热风环境5分钟后蒸腾速率下降。
而严重缺钾时，蒸腾速率大大增加，约需45分钟蒸腾才能显著降低。
（c）气孔开张受钾主动输入保卫细胞的控制。
气孔关闭比气孔张开的保卫细胞含钾少。
因此，缺钾叶片的CO2吸收和光合作用较弱。
（d）细胞中的高离子浓度可提高细胞溶质的渗透压，结果植物可耐较高的土壤水张力。
（e）植物缺水影响细胞生长的所有过程，包括细胞的分裂、伸长和成熟。
（f）缺水造成光合速率下降，这与因气孔关闭降低CO2的供应有关。
由于淀粉水解增强，使淀粉对糖的比值下降。
（g）芹菜、莴苣和黄瓜等多汁蔬菜的品质有赖于膨压状况，施用增加膨压的养分能改善品质。
二、水分如何从土壤损失
土壤失水有三条途径：
①土表蒸发；②植物蒸腾；③渗漏出根区。
蒸腾与从土壤和截留降水的蒸发所耗水的总和叫蒸散。
覆盖越完全，土壤直接蒸发的水越少，经由植物蒸腾散发的水分越多。
充足的肥力和良好的植物群体有助于迅速提供更多植物覆盖因而从水中更多地获益。
蒸散可根据净辐射很好地描述。
入射辐射与土壤及作物表面辐射损失之差值即为蒸散。
净辐射用于：
①从土壤和植物蒸发水分；②为空气、土壤和植物加热；③光合作用。
植株密度低或生长稀疏时，许多阳光直射土壤，大量水分不经作物直接从湿土蒸发。
浓密的作物冠层为阳光提供了绿毯，能量到达土壤较少，土温较低；作物提供绝缘使近地表保持较高湿度；空气流动减弱。
这都有助于降低土壤蒸发。
但须记住，即使植物冠层茂密，也有大量太阳能到达土壤。
肥料影响植株大小、总叶面积，且常影响叶片颜色。
行距窄、苗全且施足肥料有助于迅速获得茂盛的作物冠层。
如在美国衣阿华州，行距53厘米的玉米耗水比行距为107厘米的少。
一旦植物覆盖完全，作物之间蒸散的差异可能不大。
土壤上生长的作物日耗水量逐日变化很大。
这种变化取决于土壤及大气环境条件，如温度、湿度和风速。
但一般日耗水为0.4~1.2毫米/亩/天。
在湿润地区或土壤潮湿的情况下，一个作物生产年中土壤蒸发可占总失水的1/3~2/3。
美国伊利诺斯州的试验表明，用塑料覆盖土壤以减少蒸发时，玉米生育期用水155毫米，而不覆盖的用340毫米。
在这种情况下，茂密的作物冠层能提高水分利用效率。
在干旱地区，土壤表层很干，从土壤损失的水微不足道。
土粒间水膜很薄，几乎没有水通过毛管或水蒸气扩散运移到地表。
因此，干燥土壤的大部分水被蒸腾散失，一般以低密度种植来降低植物耗水量。
热对流，包括空气以湍流形式的水平和垂直运动，能带来更多的热。
在有强风的干热地区，空气中的热可用于总蒸散的25%~50%。
干旱和半干旱地区，对流很强，因此蒸散量变化可能相当大。
第三节植物养分对需水量的影响
需水量被定义为生育期植物吸收的水量与植物生产的干物质的比值。
1912年，美国内布拉斯加州的研究人员就指出，有机肥大大提高玉米水分利用的效率（表16-3）。
（表：
表16-3有机肥对玉米水分利用率的影响）
每公斤玉米干穗需水量（公斤）
无有机肥
施有机肥
低肥力
2136
629
中肥力
1160
679
高肥力
799
682
充足的氮能降低牧草每公斤干物质的耗水量（表16-4）。
除俯仰马唐外（这种草在施15公斤氮/亩时发生缺苗问题），施氮15公斤/亩时牧草每公斤干物质耗水只为施3.75公斤/亩时的35%~40%。
牧草间差异十分显著，普通狗牙根用水是苏瓦尼狗牙根的5倍。
（表：
表16-4氮对单位重量干物质耗水的影响）
不同施氮量下公斤干物质耗水量（公斤）
3.75公斤/亩
7.5公斤/亩
15公斤/亩
普通狗牙根
8275
3962
2941
岸杂狗牙根
2012
1206
722
苏瓦尼狗牙根
1515
915
572
彭萨科拉巴喜亚雀稗
2652
1633
1054
俯仰马唐
2546
2049
2625
注释：
资料来源：
Burton等.Agron.J.,48:
498（1957）.
一、水分利用效率
水分利用效率是指来自土壤、降雨和灌溉的单位耗水生产的作物产量。
当栽培措施增产时也就增加了水分利用率。
在过去20年中，在基本相同用水量的基础上，作物产量大大增加。
这是通过改进土壤和作物管理措施获得的。
（一）保护耕作可节省用水
地表留下大量残茬和粗糙地表面有助于节约用水。
举例来说，美国内布拉斯加州保护性耕作的小麦地上节水71毫米，印第安纳州保护性耕作土壤有效水提高20%。
保护性耕作具有以下作用：
（a）增加水分的土壤入渗：
植物生长茁壮，作物残茬量大和根系生长范围广泛有助于增加土壤水分的入渗；
（b）降低地表蒸发；
（c）逐渐通过深松，加深根区，增加更多的有机质；
（d）增加土壤水的储存；
（e）多几十毫米土壤水，这将会帮助作物度过少雨期。
（二）产量高，水分利用率也高
在美国新泽西州，生育期中361毫米水获得了玉米773公斤/亩。
和大豆318公斤/亩的产量。
该州平均产量为：
玉米426公斤/亩，大豆112公斤/亩。
在印第安纳州，1016毫米总雨量，其中生育期雨量406毫米，可获得大豆381公斤/亩和玉米945公斤/亩的产量。
该州平均产量为：
大豆179公斤/亩，玉米539公斤/亩。
在密执安州，生育期中846毫米水获得了二年平均1.65吨/亩的苜蓿干草。
该州平均产量为0.56吨/亩。
在加利福尼亚州，施用氮肥将小麦产量从每亩376公斤提高到556公斤，水分利用效率从3.75公斤/毫米提高到5.57公斤/毫米（灌溉地），而该州平均产量为358公斤/亩（Robinson等。
1979）。
二、灌溉土壤
肥力是影响植物生长的重要的可调控因素之一，而且数量充足十分要紧。
这一原则在图16-5得到充分阐明。
足量的氮显著增加岸杂狗牙根的干草产量。
同时，每吨干草的需水量从不施氮的457毫米降低到每亩施氮75公斤时的76毫米。
（图：
图16-5氮对岸杂狗牙根干草水分利用率的影响）
在低磷土壤上，播种前条施磷肥增加了每毫米水所得苜蓿干草。
在每一水分处理上，每亩施磷19.8公斤比施磷3.3公斤处理的每毫米水增产35%~40%。
图16-6表明了苜蓿和氮对棉花与缺水有关的影响。
在高磷和低磷处理中，缺水加重几乎以同样比例降低苜蓿产量。
低氮的棉花产量如此之低以致缺水加重的影响不大。
（图：
图16-6亚利桑那州砂质土壤上棉花和苜蓿肥力与灌溉的关系）
在肥力极高、有灌溉的条件下，产量达到1250公斤/亩时，每毫米水生产玉米11.6公斤（表16-5）。
中等肥力条件下每毫米水生产玉米8.3公斤（注意增加的残茬量）。
（表：
表16-5肥力水平对玉米产量、残茬量和水分利用率的影响*）
玉米产量（公斤/亩）
还田残茬（吨/亩）
水分利用效率（公斤/毫米）
中等肥力，灌溉
895
0.82
8.3
极高肥力，灌溉
1250
1.05
11.6
注释：
*高磷、钾土壤，2年平均。
资料来源：
R.L.Flannery.NewJerseyAgriculturalExperimentStation,私人通信.
世界上许多地方正花大笔钱用于灌溉却未充分重视栽培措施。
灌溉消除缺墒后，很多因素可能限制产量（图16-7）。
这些因素会带来许多失望。
必须牢记，如果玉米产量是1250公斤/亩而不是625公斤/亩，苜蓿是2.3吨/亩而不是1.15吨/亩，移走的养分至少会增加1倍。
这意味着无论是从天然土壤、有机肥，还是从化学肥料，作物必须从某些来源获取更多养分。
（图：
图16-7各种可能的因素对产量的限制作用）
三、非灌溉土壤
大多数农作地区都会出现缺墒期，美国大平原地区尤其如此。
每年从每毫米水中得到最高产量十分重要，植物营养充足起关键作用。
水分有限时，氮、磷对小麦高产至关重要。
美国内布拉斯加州的研究评估了4种作物的121个大田试验。
最佳施肥处理平均提高粮食作物水分利用效率29%。
这一增量几乎与产量对肥料的效应成正比。
应当强调，这代表了作物用水的主要节水环节，而且若考虑到水资源日益减少，这一点就更重要了。
在蒙大拿州，施氮提高了小麦产量、蒸散量和水分利用效率（表16-6）。
不施氮时，水的吸收主要局限在表层0.9米。
施氮可吸取到1.8米处的水。
（表：
表16-6施氮对小麦产量、蒸散量及水分利用率的影响）
施氮量
小麦产量
蒸散量
残留水量*
水分利用效率（公斤/毫米）
（公斤/亩）
（毫米）
0
108
221
180
5.5
4.5
206
272
132
7.2
18
242
315
97
6.9
注释：
*指2米土体中残留的水量。
美国北达科他州小麦也有这种趋势，但肥料对残留在土壤中的水量没什么影响。
产量、降雨和土壤可能对残留水有影响。
在一个无氮的玉米试验中，产量为447公斤/亩，施用15公斤氮/亩时产量为740公斤/亩。
每毫米水生产的玉米分别为3.7公斤和6.1公斤，仍相对较低。
在加拿大艾伯塔省，大麦的水分利用效率可因化肥和化肥+有机肥处理提高1倍以上。
第十三章已讨论了深条施或双料施肥的效应。
这在易缺墒的地区表现出正效应，因为养分被深施于更湿润的土壤中。
两种施肥技术对小麦水分利用效率影响的比较见图16-8。
每毫米水生产的小麦因双料注施肥料大大增加，水分利用效率从3.75公斤/毫米提高到施用最高量肥料5.8-4.5-0（N-P2O5-K2O）的6.64公斤/毫米。
（图：
图16-8施肥位置对小麦水分利用效率的影响）
还可以引用更多的资料，包括美国科罗拉多州的糖用甜菜、加利福尼亚州和亚拉巴马州的棉花、爱达荷州的马铃薯、得克萨斯州的粒用高粱、南达科他州的干草、华盛顿的玉米和加拿大萨斯喀彻温省及马尼托巴省的小麦。
但上面显示的数据已能够阐明养分充足对获得更大水分利用效率的影响。
第四节施肥和根系吸水
大多数作物利用较深层根区的水比利用上层土壤中的水分为慢。
根区上部1/4最先被耗尽有效水（图16-9）。
在缺水期植物必须从较深的3/4根区吸水。
（图：
图16-9作物根系对不同土层水分的利用）
当土壤瘠薄时施用植物养分对根量及其分布的有利影响是众所周知的。
第十三章曾讨论过这一问题，并可由图13-7和图13-8（参见第十三章）加以说明。
在需要施用植物养分的土壤上，植株的吸水深度可能仅为0.9~1.2米。
施肥后植物根系可能有效利用深至1.5~2.1米甚至更深处的水，因而增加了可供植物吸水的蓄水库有效深度。
如果植物能从更深处多利用100~150毫米水，作物就能在更长时间内忍受干旱而无灾难性后果。
在美国密苏里州的McCredie市中西部粘磐土壤试验农场上的研究表明，在8月17日，施肥充足的玉米田表层107厘米土壤内的有效水为26.4毫米，未施肥的有113毫米有效水（图16-10），在施肥充分的区域，每公斤玉米需水378.5升，而在低肥区则需水1419.4升。
种植者承受不了这种浪费现象。
（图：
图16-10营养不足的玉米根系不能充分发育而有效利用底土水分）
应当强调，在底土干燥的地区即使增加施肥，作物也无望更深地穿透土壤而获取更多的水。
土壤持水能力各异。
质地、结构和有机质含量影响土壤持水量。
土壤持水量范围可能从砂质土壤的83毫米水/厘米土以下到粉壤和粘壤土的166毫米水/厘米土以上。
美国伊利诺斯州代表性土壤表层1.5米的持水量见表16-7。
（表：
表16-7美国伊利诺斯州不同土壤表层1.5米的持水量）
Oquawka砂土
127毫米
Ridgeville细砂壤
178毫米
Swygert粉壤
229毫米
Muscatine粉壤
305毫米
但因存在紧实、
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