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微量元素肥料与现代农业生产 (上)

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发布时间: 2016-01-12
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微量元素肥料与现代农业生产 (上)

江苏省如皋轻工研究所  邵建华

    摘 要 文章阐述了微量元素与农作物生长的关系,在自然界的循环过程,以及对植物体的生理功能;分析了农作物缺乏微量元素的原因、症状、诊断方法以及微量元素肥料合理施用的措施和发展前景。

    关键词 微量元素肥料 自然循环 生理功能 症状 防治

    1 微量元素肥料与农作物生长

地球上自然存在的元素为82种,其余为人工合成。然而植物体内却有60余种化学元素,到目前为止被证实是必需元素的有 20 多种,在必须元素中,C、H、O三种元素占作物体干重量的 95%以上,它们主要来源于空气和水。N、P、K 三种元素占物体干重的千分之几或百分之几,它们主要来源于土壤和空气。这两类元素对农作物来说需要量大,称为大量元素,Ca、Mg、S、Si 的含量约为作物干重的千分之几,称为中量元素。而含量在 0. 001% ~ 0. 0001% 的元素称为微量元素。大量元素和中量元素早已为人们所熟知并已进入正常的使用,而微量元素因其量 “微”一直处在被遗忘的角落,直到最近几十年,才被人们逐步认识,其量虽微,但和大量元素一样却都各自承担着生命过程的重要角色。微量元素是酶、维生素、激素的重要组成部分,直接参与机体的代谢过程。一旦缺少,轻则影响农作物生长发育,造成减产欠收,重则颗粒无收。农业科学家把必需元素肥料的这种相互关系归纳为肥料的三大定律:①同等重要律,即大量元素与微量元素同等重要,缺一不可。②不可替代律,各种必须营养元素不能相互替代,缺什么元素就得施什么元素肥料。③ 最小养分律,要保证作物正常生长发育而获得高产,必须满足它所需要的一切营养元素,其中一个达不到需要的数量,生产就会受到影响,产量就受这一最少的营养元素所制约。

作为植物生长的必须微量元素,还必须具备三个条件:①这种元素是完成作物生长周期所不可缺少的。②缺少时表现专一的缺素症,唯有补充后才能恢复正常生长,其它元素不能代替。③在作物营养上具有直接作用的效果,而并非由于该元素改善了作物生长条件所产生的间接效果。满足以上条件称为微量营养元素。需要向土壤补充含这种微量元素的物质叫微量元素肥料。

到目前为止,按照上述三种准则,被世界公认的微量元素有 Fe、Mn、Zn、Cu、B、MO、Cl 等七种元素。

必须微量元素的平衡供应是农作物持续高产的基本保证,土壤营养元素能按农作物需要平衡供应,植物就能按比例吸收,产量就高,肥料利用率也高;反之产量就低,肥料利用率也低。而某一元素吸收过多,则可引起代谢紊乱。偏施氮肥,作物病害增加,容易引起 Fe、Cu、Mg、K、S 的缺乏而造成减产;同时,蔬菜中亚硝酸盐含量升高,对人体健康不利,磷过多就会引起 Zn、Fe、Cu、Mg 的缺乏。德国科学家李希比最早提出最小营养分律:”当营养环境中缺乏某个必需元素时,作物产量首先受这个元素的制约,产量则随着它的增加而提高。”如果把农作物所需的各种元素比作组成木桶的木板,那么,这个木桶的盛水量,决定于那块最短的木板。由此可见,微量元素并不因其量 “微”,而认为是 “微不足道”,它是农业生产可持续发展的重要因素。

美国是世界上生产和施用微量元素肥料最多的国家,产品达 50 多个,产量近 200 kt / a。前苏联仅次于美国,其次是日本,德国。我国微量元素肥料生产起步较晚,1960 年代开始实验研究,1970 年代农业部和中国科学院相继发现作物有缺Zn、B、Mn 的症状,引起重视,1980 ~ 1981 年配有微量元素的复合肥进行田间试验,取得了明显的增产效果。1981 年,国家经委联合召开了全国第一次微量元素肥料会议,从此,微量元素肥料的发展步入了正常轨道,微量元素肥料成了肥料家族的重要一员,在化肥工业中占有重要的一席之地。

    2 微量元素在自然界的循环

土壤是植物所需微量营养元素的天然宝库,植物从土壤中吸收必须的养分,维持其生命运动的过程,并储存于茎、叶、果实中。植物的果实作为动物的食品,微量元素则从植物转移到人和动物体内,一部分随粪便排出体外,最终归还土壤。动物一部分成了人的食品,一部分死亡后尸体腐烂,其微量元素又进入了土壤。如此形成了一个自然循环体系,如图 l。

3.jpg

在自然循环体系中,植物营养体系是一种低水平的物质循环,依靠植物的残花、落叶、动物的粪便、尸体等自然物质归还土壤,在这一循环过程中只是部分参与循环,还有一部分由于各种因素,变为植物不能吸收的矿物质,原始的平衡不断遭到破坏,随着世界人口的迅速膨胀和人类生活水平的迅速提高,人们需要从土壤中获得比过去更多更好的粮、棉、油、菜、果等各种农作物产品。土壤中的微量元素与其它元素一样,已无法满足这种迅速增长的需要。N、P、K 等常量元素肥料的大量使用,更加剧了这种原始平衡的破坏,人类只有设法向土壤补充日益贫乏的微量营养元素,才可能维持这种平衡,以保证土壤能为作物正常生长发育提供足够的微量元素。所以,及时适量地施用微量元素肥料,成了维持这种平衡的重要手段。

表 l 动植物所必需的营养元素

元素

高等植物

人和动物

常量元素

C、H、O、N、Ca

C、H、O、N、Ca

P、Mg、K、S、Si

P、Mg、K、S、Na Cl

微量元素

B、Cl、Mo、Na、Mn

Fe、F、Br、Co、I、Ni、Cu、Se、Sn、

Co、Zn、V、Cu、Fe

Mn、V、As、Mo、Cr、Al、Zn、Ba、Sr

土壤的微量元素不足,常引起植物体含量的不足,植物体含量的不足将引起动物和人体的微量元素不足,最终导致人类疾病的发生,形成恶性循环。类似这种情况,在国内外都曾发生过。l960 年代初期,在伊朗有一种青春期营养性侏儒综合症。病人身材矮小,肝脾肿大,食欲低下,贫血,性发育不良等。经科学考察分析,原来是这一地区土壤缺锌,这些病人以当地谷物为主食,加上食物中大量的植酸盐和纤维更影响了微量锌元素的吸收利用,使这一类地区都发现有锌缺乏引起的营养性侏儒综合症。土壤中严重缺乏某种元素时,常常导致一些地方性疾病的发生。在食物中各种微量元素补给的量与人体健康的关系见表 2。

由此可见,土壤中可给性微量元素是否充足、平衡,关系到农作物能否稳产高产,更关系到这个循环中人畜的健康。某一元素的不足都可引起生理机能的失调。

一些发达国家的经验告诉我们,不仅应该将作物从土壤中取走的营养归还土壤,而且应该把土壤肥力提高到与植物生理特性和经济制度相适应的最高水平,近几年来,归还土壤的 N、P 量已多于正常需要量。而微量元素的补给尚未达到相应的水平。

表 2 食物中微量元素补给与人体健康关系

元素

适量的作用

量不足的影响

量过多的影响

铜 Cu

血红蛋白的生成,血红球成熟,细胞内氧化代谢正常

贫血、心脏肥大、婴儿发育慢

低血压,呕血、黄疸

锌 Zn

活化碳酸酐酶,羟基肽酶,有益皮肤,骨骼,生殖

骨骼发育不良伤口愈合慢

恶心、呕吐、腹泻、便血

锰 Mn

活化精氨酸酶,磷酸酶,活化酶

骨骼生长不正常,生殖功能紊乱

肌肉活动不协调,神经衰弱

铁 Fe

形成血红蛋白,肌红蛋白,帮助O2运输

贫血

肠道出血,肝大

由于生态学、环境科学、生物地球化学、酶学、地方病学的发展,微量元素已成为土壤科学的生长点,土壤是保持微量元素平衡的首要环节,是微量元素参于自然循环的出发点,向土壤补充微量元素肥料,已成为现代化农业集约生锄的重要标志。

3 土壤及农作物缺乏微量元素的原因

引起土壤及农作物缺乏微量元素的原因很多,主要有以下几个方面:

3.l 不同土壤可给性微量元素不同

易缺硼的土壤:一般干旱地区含硼量较高,湿润地区含硼量较低,因此,我国南方红壤含硼量常处于较低水平,而北方地区分布最广的黄土和黄土性物质以及长江中下游地区的下蜀黄土含硼量中等。易缺钼的土壤: 石灰岩和黄土母质发育而成的灰性土壤,黄河冲击物淤积而成的黄泛平原及花岗岩发育而成的酸性土壤。易缺锰的土壤: 石灰性土壤,尤其是质地轻、有机质少、通透性良好的石灰性土壤,如石灰岩和黄土母质发育的普通褐土,以及黄河冲积物发育的潮土。易缺锌的土壤:石灰性土壤,低湿涝洼 、土质过粘的土壤,有机质较多的泥炭土或腐泥土,土壤含有效磷过高或大量施用磷肥的土壤。易缺铜的土壤: 含有机质丰富的泥炭土、沼泽土、沙质土以及新开垦的土壤,酸性土壤,红壤山区的冷浸田。易缺铁的土壤: 主要分布在我国北方,包括各种石灰性土壤以及盐碱土。

3.2 由于高产品种的应用而产生微量元素缺乏

湖北等省 l960 年代末应用甘兰型高产油菜品种取代本地白菜型油菜品种时,部分地区出现 “花而不实”的油菜缺硼症。吉林等省推广玉米高产良种,因而普遍出现 “花白蕾”等缺锌症。

随着科学技术的发展,各种高产新品种不断问世,这些高产作物,从土壤中吸收微量元素成比例增加,如土壤中的微量元素无法满足高产作物对微量元素的需要,高产作物品种施用再多的常量元素肥料,也无法达到高产目的。

3.3 由于耕作制度的改革而出现的缺乏

为了使有限的土地生产更多的粮食,我国多数地区实行了耕作制度的改革。如大面积发展双季稻,则出现水稻 “白叶倒苗”、“矮缩苗”等缺锌症,试用锌肥增产效果明显。我国北方一般不缺锌,但近 20 年由于发展水稻,缺锌问题也比较普遍。北京市郊大面积施用锌肥都取得良好的增产效果。复种指数的增加,有效地提高了农产品的产量,但由于同一种植物所需的敏感元素的大量消耗,造成某一地区的某些微量元素奇缺。如硼为油菜的敏感元素,但如果连续几年在同一块地里都种油菜,会因硼的供应不足而减产,如果及时补充,则可稳产高产。不同的农作物所需的敏感元素不同,科学的安排轮作也是防止微量元素奇缺的有效手段。

3.4 施肥方法不当,直接影响微量元素的吸收

平衡施肥是使各种必需元素发挥最佳增产状态的科学施肥方法,某种营养元素在土壤中有效量过高或施用量过多,即可造成严重的流失而导致浪费,如高量磷酸可诱发水稻缺锌,缺铜。高量硫可减少植物对铜的吸收,高量钾会加重棉花对硼肥的需要,作物诱发缺素的各种因素,见表3。只有根据不同的农作物,不同的土壤,科学施肥,才可达到最经济有效的补充微量元素的目的。

表 3 作物诱发缺素的各种因素

诱发因子

缺锌

缺锰

缺硼

缺铁

缺铜

缺钼

氮过量

+



+

++


磷过量

++

+


+

+


钙过量



++

++



镁过量







锰过量




+

+

+

铁过量


+



+

+

铜过量


+





锌过量


+



+


硫过量

+





+

钠过量

+

+





有机质过量

+

+



+


高pH

++

++

+

+

+


低pH






+

低有机质



+

+

+


注:包括土壤高含量及施肥过量引起,+ 表示缺乏,+ + 表示严重缺乏。

3.5 农作物生长环境条件对微量元素的影响

作物生长离不开它所在的生长环境,而不同的生长条件都直接影响作物对营养元素的吸收和利用,加重或诱发微量元素的缺乏。例如低温可限制作物根系生长,减少锌、铁、锰的吸收;光照强度大,可减少硼和铜的吸收;气候和土壤干旱可减少锰、铜、硼的吸收。

3.6 土壤中微量元素可给性的影响

土壤中许多微量元素并不缺,可是一般均以稳定的化合物形态存在,不能被植物吸收。如土壤中 50% 以上是 SiO2,但我国仍出现大面积缺硅。几乎所有的土壤都不缺铁,Fe2O3是土壤的重要组成部分,但这些 SiO2 和 Fe2O3 中的 Si、Fe 都不能被植物直接吸收,只有能被植物直接吸收的元素,才是可可给性的。土壤中微量元素的可给性受许多因素的影响,如酸碱度,氧化还原电位,通透性,有机物和微生物活动都会影响可给性。

酸碱度 土壤中微量元素的可给性一般是在酸性条件下升高,在碱性条件下降低。只有 Mo、V、Cr 等少数元素是在碱性条件下升高。土壤中微量元素受酸碱度的影响是一种复杂的化学变化过程。例如,在酸性土壤中施用石灰是常用的调节 pH 措施,但施用石灰后土壤性质发生一系列变化,尤其是土壤中微量元素的可给性。过量石灰无疑会导致微量元素的缺乏,如诱发性缺锰、诱发性缺硼等。一般来说,将 pH 调至 6.5 是比较合适的,将有利于土壤可给性微量元素的增加。氧化还原电位 氧化还原电位对多种化合价的元素影响较为明显,如植物吸收的是 Mn,土壤处于还原状态时,有较多的 Mn 供植物吸收,水稻田和排水不良的土壤便是这样,而在质地很轻的呈碱性反应的旱地土壤锰处于高价状态,不能被植物吸收利用。有机质 土壤有机质含量高的土壤含有较多的微量元素,有机质的分解产物如腐植酸对微量元素具有一定螯合能力,而直接影响其可给性。

3.7 必需营养元素的拮抗作用

农作物所需的营养元素处于土壤的复杂体系中,各元素之间既有相互促进的作用,又有拮抗作用(如图 2)。

4.jpg 

土壤中富含磷或大量施用磷肥,往往会导致或加重农作物缺锌现象,而磷与钼之间又存在相互促进作用,两种元素同时施用的效果,大于分别施用的效果。在磷肥未能满足需要时,钼肥的效果往往表现不出来。为了提高肥料的效率,单一化肥的用量越来越少,含多种元素的复合肥越来越多。但现有的复合肥厂,只是简单地将各种元素的无机盐按比例混合加入,完全忽略各元素间的拮抗作用。这样虽然加入了不少微量元素,能被农作物吸收的却很少。为了防止各元素间的拮抗作用,发达国家将微量元素生成螯合物。以 EDTA、柠檬酸、腐植酸、氨基酸等作为螯合剂,则可有效防止相互间的拮抗作用,提高微量元素的利用率。

4 微量元素在植物体内的生理功能

4.l 微量元素的吸收形态
   植物只能吸收能溶于水的显离子态或螯合态的元素,见表4。

表 4 微量元素的吸收形态

元素

吸收态

确认年代

学者

铁(Fe)

Fe或金属螯合物

1844

Crise

锰(Mn)

Mn或金属螯合物

1922

J.S.Mclangne

锌(Zn)

Zn或金属螯合物

1926

A.L.Sommer

铜(Cu)

Cu或金属螯合物

1931

B.Lipman

硼(B)

H2BO3,HBO3

1923

K.Wamigton

钼(Mo)

MoO4

1939

D.I.Amon

氯(Cl)

Cl

1954

T.C.Brogor

钠(Na)

Na+

1957

P.F.Brouwnell

土壤中不溶于水含微量元素的各种盐类和氧化物,则不能被植物吸收。所以以离子态施入土壤的微量元素极易与土壤中的 CO3、PO4、SiO3等固定,成为难溶的盐,金属螯合物则可防止这一现象的发生。

4.2 锌的生理作用

锌参与生长素(吲哚乙酸)的形成;催化二氧化碳的水合作用(含锌的碳酸酐酶);促进碳水化合物(蔗糖等)向繁殖器官输送。锌是多种酶如谷氨酸脱氢酶、苹果脱氢酸、二肽酶、磷脂酶等的组成份,他们对植物体内的物质水解、氧化还原过程和蛋白质合成起重要作用。缺锌引起光合作用降低,氮素代谢紊乱,氨的大量积累,植株失绿。锌素营养与核糖核酸的形成有密切关系,缺锌则核糖核酸减少,植株生长发育不良,籽粒产量降低。

4.3 硼的生理作用

硼参与碳水化合物在植物体的分配与运转,缺硼叶片中光合产物运输不出去而使叶身增厚;硼参与细胞壁的形成,可促进分生组织迅速生长,缺硼对根尖和茎尖的细胞分化和伸长受阻,以至枯萎;硼对花粉萌发、花粉管生长和受精过程以及种子形成都有激发作用和较大影响,缺乏则产生油菜”花而不实”,麦类 “小花不孕”和棉花 “蕾而不花”等现象;硼促进维生素丙(抗坏血酸)的形成,可提高植物抗性。缺硼易发生洋芋疮痂病、甜菜腐心病、萝卜褐腐病、红薯褐斑病、芹菜折茎病、亚麻立枯病等。

4.4 铁的生理作用

铁酶常居于某些重要氧化还原酶结构上的活性部位,起电子传递作用,促进各类物质(糖类、脂肪和蛋白质等)代谢中的氧化还原反应;铁参与叶绿素的形成,同时影响所有能捕获光能的器官,包括叶绿体、叶绿素蛋白络合物、类胡萝卜素以及与此相结合的电子载体,缺铁则叶片失绿;铁参与硝酸与亚硝酸的还原作用,铁氧蛋白是豆科作物根肿瘤中豆血红素的成分,铁又是 Fe - Mo 固氮酶的成分,缺铁时,生物固氮量减少,植株矮小;呼吸作用的传递体如细胞色素(包括 a、b、c)含有铁,如缺铁则呼吸作用受阻,影响 ATP的形成;铁也是磷酸蔗糖的活化剂,缺铁影响蔗糖的形成。

4.5 钼的生理作用

钼参与共生固氮和蛋白质的形成,钼是硝酸还原酶的组成份,促进植物体内 NO3-N 转变成 NH4-N,在合成蛋白质的整个过程中,钼都有作用;钼也是固氮酶的组成份,钼-铁蛋白起固氮作用,而钼处于固氮活性中心部位,所以,钼营养对共生固氮细菌和自生固氮细菌都具有特殊的意义,豆科作物含钼较多,且多集中在根瘤内,钼素不仅能促进根瘤的产生和发展,还直接影响根菌的固氮活性。缺钼豆科植物的根瘤发育不良,根瘤少而小,固氮能力弱。

4.6 锰的生理作用

锰参与光合系统Ⅱ中的光分解,与细胞膜牢固结合的锰是光合系统Ⅱ中电子供体的主要部分。锰能提高植株的呼吸强度,可增加二氧化碳的同化,也可促进碳水化合物的水解;锰能调节体内的氧化还原过程,如植物体吸入硝酸态氮时,锰起还原剂作用,而在吸入铵态氮时,则起氧化剂作用,锰是核糖核酸酶的活化剂,又是二肽酶,精氨酸酶的活化剂,它能促进氨基酸合成肽键,有利于蛋白质的合成,它也能使肽键水解,生成氨基酸,输送到新生器官或生殖器官,再合成为蛋白质。锰还能促进种子萌发和幼苗早期生长,它不仅对胚芽鞘延伸有刺激作用而且加快种子内淀粉和蛋白质的水解过程,促使单糖和氨基酸的供应及时,对幼苗生长有利。

4.7 铜的生理作用

铜在叶绿体中的浓度相当高,对叶绿素和其它色素起稳定作用,并参与植物的光合作用,铜是叶绿体蛋白质体兰素的组成份,质体兰素是构成联结光合作用的两个光化合系统的电子输运键的一部分。含铜的酶能催化分子氧中两个原子的还原反应,一个氧原子羟化,而另一个氧原子则生成水。含铜酶有催化脂肪酸的去饱和作用和羟化作用。铜参与蛋白质和碳水化合物的代谢,缺铜则植株体内 DNA 的含量低,还原糖的含量也低,有抗酸和天门冬酰铵积累,因而叶片失绿枯黄,铜参与豆血红蛋白的合成作用。

4.8 微量元素与酶的活性

表 5 与微量元素酶的活性相关的酶

铜蛋白质(酶)

抗坏血酸氧化酶;质体兰素;状兰素;二胺氧化酶;蓝-蛋白质;多酸氧化酶。

铁蛋白质(酶)

过氧化氢酶细胞色素a;铁氧还原蛋白;高铁色素;

过氧化物;琥珀酸脱氢酶;细胞色素b;细胞色素c;血红蛋白。

锌蛋白质(酶)

碳酸酐酶;乙醇脱氢酶;D-甘油醛-3-磷酸脱氢酶;尖氨酸脱氢酶;L-乳酸脱氢酶;D-乳酸脱氢酶;D-乳酸细胞色素C还原酶;苹果酶脱氢酶;醛缩酶。

钼(酶)

硫氢氧化酶;钼-醛-3-磷酸脱氢酶;黄嘌呤氧化酶;固氮酶;硝酸还原酶。

锰(酶)

丙酮羧酸羟化酶;核糖核酸聚合酶;羟胺还原酶。

近代研究证明,植物体中微量元素多为酶和辅酶的组成成份,具有多种生理功能,在物质代谢过程中起催化作用,铁蛋白起电子传递作用,钼—铁蛋白起固氮作用,而且只有两者同时存在才能起固氮作用,而有些时候,它们中的两个或两个以上的元素,又可能在一个生化过程中起作用。 (未完待续)

—— 来源:化工科技市场 2001年第5期


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