2田间作物产量的影响因素

2.1简介

世界各地种植的农作物都受到环境压力，这限制了它们的生长，发育以及其农艺产量遗传潜力的充分表达（Burker等人，）。将平均作物单产与报告的创纪录单产进行比较表明，由于不利的环境条件，美国主要农作物的年平均单产比创纪录的单产低三至七倍（Boyer，）。玉米（ZeamaysL.），小麦（TriticumaestivumL.），大豆（GlycinemaxL.Merr。），高粱（SorghumvulgareL.），马铃薯（SolanumtuberosumL.），甜菜（Beta）的产量分析燕麦，大麦（燕麦）和大麦（普通大麦）显示，平均产量仅占平均记录产量的22％（Burke等人，年）。矿物质营养是影响一年生作物产量的最重要的单一因素之一（Fageria，）。在大多数农业情况下，在作物生长周期中，有几种因素与矿物质营养相互作用，从而限制了作物的生长和经济产量（Fageria，）。农民可以在一定程度上控制一些因素，例如水，品种特性，养分，昆虫和疾病，并且大多数作物管理实践都旨在平衡控制水平以获得最大的经济回报。当这样的控制取得成功，并且这些因素并不仅限于适合于主要气候的植物生长时，最大生产率主要取决于作物表面的光截留率和二氧化碳吸收率（Loomis和Williams，年；Sinclair）和Muchow，；Fageria等，）。本章旨在简要回顾可能限制田间作物产量的许多因素。下一章将更详细地讨论矿物质营养对世界主要田间作物的生长和经济产量的限制。

在讨论影响大田作物生产的因素之前，重要的是定义术语作物生产力。作物的生产力或单产是一种可测量的农作物（ZadoksandSchein，）。根据韦斯特莱克（年），光合作用在一段时间内产生的新有机物的重量（表示为速率）成为作物的生产力。作物生产力或生物量产量是环境，植物，管理，社会经济因素及其相互作用的函数。从数学上讲，农作物的产量可以用以下等式表示：

Y=f（E，P，M，S）

其中Y=产量f=因子E=环境P=植物M=管理S=社会经济图2.1显示了影响作物产量的因素。只有当所有这些因素都处于最佳水平时，才能在给定环境中实现农作物的最大生物量产量。如果这些因素中的任何一个受到限制，则作物生物量的产量将下降。同样，农作物的经济产量（例如种子产量）也受到相同的环境和文化因素的影响。

图2.1影响作物产量的因素。

显然，无论是用生物量还是经济产量表示的农作物生产力都是一个非常复杂的现象，提高和/或稳定它不是一件容易的事。在过去的十年中，重要的大田作物的生物量和经济产量都通过使用改良的栽培品种，肥料，灌溉，杀真菌剂，杀虫剂和除草剂以及改良的耕作方式得到改善（Fageria等，；Fageria，）。）。所有这些都可以归类为技术因素。本章讨论了不同因素如何影响作物产量。

2.2环境因素

植物的环境可以定义为影响植物生长，结构和繁殖的所有外力和物质的总和（Billings，；Fageria，）。作物环境由气候和土壤因素组成，这些因素对植物的生长和产量产生重大影响。温度，太阳辐射和水分供应等气候因素在农作物生产中起着重要作用。同样，土壤的物理，化学和生物特性与农作物生产力直接相关（Fageria，；Fageria和Stone，）。

2.2.1气候

气候是最重要的因素之一，它决定了可以在哪里种植农作物，自然植被的自然构成，土壤的特性以及在特定农业生态区中可以实行的耕种方式。从农业的角度来看，主要有两种气候类型：热带气候和温带气候。有时认为温带气候是指寒冷的天气，而热带气候是炎热的天气。但是，在温带地区，温度并不总是低于热带地区。根据年平均温度，各种工人报告的热带和温带气候之间的界限从18°C（64.4°F）到23°C（73.4°F）不等。高于该温度范围，则可认为是热带气候；低于该温度范围，则可认为是温带气候。但是，更合适的热带气候指标是一年中大部分时间的温度稳定性。在热带地区，三个最温暖月份的平均温度与三个最寒冷月份的平均温度之间的平均每月温度变化通常为5°C（9°F）或更低（Sanchez，）。实际上，在热带高海拔地区，全年的温度可能太低，以至于无法在温带地区种植许多农作物。下面将讨论影响作物生长的气候的重要组成部分。

2.2.1.1温度

土壤和气温是植物生长和生产力的重要且通常是至关重要的环境因素。在温带地区，温度通常决定生长季节的长度，春季和秋季的凉爽温度限制了暖季作物的生长季节，而炎热的夏季温度限制了凉季作物的季节。在热带地区，平均温度与海拔高度呈负相关，与在较低温度下生长较好的农作物相比，具有最佳最佳温度的农作物在较低的海拔高度生长。根温度受强度，质量和太阳辐射的持续时间，空气温度，表面植被以及土壤的颜色和导热性的影响。在温带气候下，根温通常会限制暖季作物的播种日期。由于春季土壤比空气升温更慢，因此土壤温度通常是农民认为最重要的因素，它决定了夏季作物的播种日期（Nielsen，）。对于几种物种，最大程度地增加根系物质生成的最佳温度范围为20°C至30°C（Voorhees等，）。表2.1列出了重要田间作物最大产量的最佳土壤温度。

表2.1：重要田间作物最大产量的最佳土壤温度

庄稼

最适温度(°C)

参考文献

大麦（HordeumvulgareL.）

18

Poweretal.()

燕麦（AvenasativaL.）

15–20

Caseetal.()

小麦（TriticumaestivumL.）

20

WhitfieldandSmika()

玉米（ZeamaysL.）

25–30

DormaarandKetcheson()

棉（GossypiumhirsutumL.）

28–30

Pearsonetal.()

马铃薯（SolanumtuberosumL.）

20–23

Epstein()

水稻（OryzasativaL.）

25–30

Owen()

豆（PhaseolusvulgarisL.）

28

Macketal.()

大豆（GlycinemaxL.Merr。）

30

Voorheesetal.()

甜菜（BetavulgarisL.）

24

RadkeandBauer()

甘蔗（SaccharumofficinarumL.）

25–30

Hartt()

紫花苜蓿（MedicagosativaL.）

28

HeinrichsandNielsen()

通常，当温度过低时，植物过程中的速率会受到限制，在温度较高时会达到最大值，而温度过高时会再次降低。图2.2显示了在冠层温度从30°C升高到38.5°C时，水稻籽粒产量之间的强烈负相关关系。尽管有例外，但具有C4光合作用的农作物比具有C3光合作用的农作物对高温的耐受性更高，并且对低温更敏感（Edwards等，）。例如，C4植物（如甘蔗和玉米）在高温下的生长能力优于C3植物（如小麦和大麦）。C3植物对低温的耐受性以及因此在这些条件下与C4植物相比通常具有更好的光合作用性能，可能部分是由于某些光合酶水平的差异，C4某些关键酶的低温稳定性途径，以及膜中脂质的相变差异（Edwards等，）。图2.3显示了典型C3和C4植物中温度与光合作用之间的关系。

图2.2开花50％时水稻籽粒产量与冠层温度之间的关系。

图2.3：C3和C4植物的温度与光合作用之间的关系。C3植物在25°C左右具有光合作用的最佳温度，而C4植物在35°C左右具有最佳的光合作用温度。

2.2.1.2水分供应

水分供应是决定作物产量的最重要因素之一。在农业生态区域中，植被的分布更多地受到水的控制，而不是任何其他单一因素所控制。植物需要水来转运矿质元素，生产碳水化合物和维持原生质的水合作用。在非常低和非常高的湿度下，农作物的产量都会降低。过多的水分会减少土壤通气，从而减少根系可利用的氧气供应。通风不良时，尽管水生植物和稻米即使在土壤饱和的情况下也能适应并发挥良好的功能，但仍会严重抑制有益微生物和水的活动以及植物对养分的吸收。土壤水分不足会导致叶片气孔关闭，减少蒸腾作用并帮助维持原生质的水合作用，但也会减少光合作用。水分胁迫还引起细胞分裂和细胞伸长的减少，并因此导致生长的减少。图2.4显示了向日葵头的直径与供水之间的关系。随着灌溉水量的增加，头的大小增加到大约35cm。然后随着施加的水量增加到46厘米/厘米而趋于平稳。

用水文预算表示的水供应量（W）等于降水量（P）加上灌溉量（I）以及蓄水量的变化（S），减少的径流量（R）和排水量（D）（Loomis，）：

W=P+I+SR-D

存储术语仅与植物可利用的土壤水分部分有关。田间持水量和枯萎系数或永久枯萎点是农作物可用水的实际上限和下限。植物的土壤水分可用上限通常被认为是饱和土壤自由排水2–3天或湿润土壤承受5–30kPa（千帕斯卡）或0.05–0.3bar（Unger等，）。较低的值通常适用于质地轻的土壤，较高的值适用于质地较重的土壤。

植物的用水效率差异很大。干物质生产与农作物蒸发的水量之比称为用水效率。通常，在用水方面，C4植物的效率约为C3植物的两倍。这些植物有效利用可利用的水是由于通过光合作用的C4途径气孔对气体交换的抵抗力略高（Edwards等，）。

半干旱和干旱地区的干旱压力通常很严重，这是因为无雨期长和土壤水储量有限。但是，由于短期干旱，在半湿润和潮湿的地区也可能出现水分胁迫。降雨的分布和数量很重要。有时，一个地区降雨充沛，但由于降雨分布不均，农作物歉收并不少见。例如，在巴西中部，平均降雨量为-1年毫米-1年，如果分布均匀，至少足以种植两种农作物。但是在雨季，2-3周的干旱很普遍。这些短暂的干旱有时会导致作物完全歉收（Fageria，）。图2.5显示了P含量升高的地区的旱稻产量。从图中可以清楚地看出，在降雨分布正常的一年中，当P-1达到kg时，单产约为5Mgha-1。。但是对于从花原基萌发到开花的40天遭受干旱影响的农作物，单产降低了约90％。与繁殖期相比，大多数田间作物在繁殖期和灌浆期对水分胁迫更为敏感（Fageria，）。在谷物中，缺水最敏感的生长阶段是开花期（Yoshida，；Fageria，，）。

图2.4向日葵籽盘大小与各种水量的关系。

2.2.1.3太阳辐射

太阳辐射是植物生长发育的重要气候因素（Kiniry等，；Sinclair和Horie，；Sinclair和Muchow，）。太阳辐射的强度（通常表示为每单位时间每平方米的焦耳Jm-2，或每单位时间每平方厘米的卡路里，calcm-2）随纬度和季节而变化。在赤道，全年白天和夜晚的长度几乎相等。每年太阳辐射的最大输入发生在20°–30°纬度的亚热带地区，云量很少，降雨量相应较低。在干燥季节没有延长的潮湿热带地区，能量输入的季节性变化相对较小，经常经历稳定值-calcm-2·day-1（Cooper，）。在热带和亚热带，净同化率和相对增长率可以大大超过寒冷地区的记录，而这些差异归因于日照和温度的升高（Blackman和Black，年）。

图2.5：巴西中部氧化土地区磷和降雨对旱稻产量的影响。

太阳辐射会影响光合作用，进而影响农作物的生产力。在大气的上边界以及地球与太阳的平均距离处，总辐照度为Jm-2s-1，其中包括紫外线和红外线波长（Salisbury和Ross，年）。当辐射穿过大气层到达地球表面时，水蒸气，灰尘，CO2和臭氧引起的吸收和散射会损失大量能量。取决于纬度，一天中的时间，海拔和其他因素，大约有焦耳/米2秒到达植物（Salisbury和Ross，年）。大约一半的辐射在光谱的红外区域，大约5％在紫外线，其余的大约approximatelyJm-2s-1，波长在至nm之间，能够引起光合作用。这被称为光合有效辐射（McCree，）。

干物质的积累可以看作是吸收的光合作用活性辐射量（PARA）与其使用效率的乘积（Monteith，）。吸收的辐射量取决于冠层大小，通常用叶面积指数（LAI，每平方米土壤表面积的叶面积m2）和辐射消光系数（k）表示。通过比尔定律，PARA与叶面积指数（LAI）和k有关（Goyne等，）：

PARA=PAR0[1-exp（-kLAI）]

其中PAR0是树冠上方或入射辐射。

当土壤水分，养分，温度和活跃生长点的数量不限制干物质积累时，干物质积累和PARA通常呈线性关系（Gallagher和Biscoe，）。这种线性关系的斜率称为辐射利用效率（RUE）（StockleandKiniry，）。在回顾影响谷物产量的因素时，Green（）得出结论，RUE是一个相对稳定的参数，并且生物量生产中的大多数变化是由于截获的辐射量的变化引起的。表2.2显示了不同作物的光合有效辐射（PAR）的增长率和利用率。从表2.2中的数据可以清楚地看出，作物生长速率与总辐射输入直接相关，光合作用中仅利用约4％–10％的PAR。在热带和亚热带气候中，太阳辐射要比在温带气候中要高。同样，在热带和亚热带气候中，干物质生产要比在温带气候中高。表2.3显示了如果将3％的入射太阳辐射转换为干物质，则在不同的气候区域中可以积累多少干物质。

19FactorsAffectingProductionofFieldCrops表2.2某些农作物的最大增长率和太阳能利用率

庄稼

地点

(卡/厘米2日)

生长速度(克/米2日)

全部辐射吸收量

PAR

利用率a

参考文献

大麦

英国

23

4.3

BlackmanandBlack()

大麦

荷兰

17.7

3.7

Sibma()

小麦

荷兰

17.5

3.7

Sibma()

玉米

荷兰

17.1

4.6

Sibma()

玉米

纽约州伊萨卡

52

9.8

WrightandLemon()

玉米

加利福尼亚戴维斯

52

6.4

Williamsetal.()

玉米

新西兰

29.2

6.1

Brougham()

高粱

加利福尼亚戴维斯

51

6.7

LoomisandWilliams()

土豆

荷兰

23

5.4

Sibma()

珍珠小米

澳大利亚

54

9.5

Begg()

aPAR=photosyntheticallyactiveradiation（光合有效辐射）,–nm.

表2.3不同气候下的年度估计能源输入量和潜在转化率

气候

地点

全部输入的辐射

(千卡/厘米2年)

吸收光的3%转化的干物质重(千公斤/公顷年)

热带

波多黎各

51

新加坡

49

尼日利亚拉各斯

41

澳大利亚汤斯维尔

57

夏威夷

49

亚热带

阿尔及尔

52

加利福尼亚戴维斯

51

阿根廷布宜诺斯艾利斯

46

澳大利亚布里斯班

54

温带

荷兰瓦赫宁根

90

9

新西兰惠灵顿

37

威斯康星州

38

A假设1g干物质=cal.在温带和热带植物物种中，光饱和度存在差异，因此最大的光合作用也存在差异。最大光合速率的显着变化发生在品种之间，甚至在个体基因型之间，并且通常与叶肉叶结构或羧化酶活性的差异有关。在一些具有C4光合作用代谢的草（例如玉米和甘蔗）中，光合速率响应于光强度而持续增加，直至最高CO2dm?2ha-1超过最大值，相当于5％–6％的转化率在高光强度下截获的太阳辐射的变化（Hesketh和Moss，年）。对于大多数热带草而言，每生产1微克干物质相当于固定约4至大卡的化学结合能，而对于大多数温带草而言，其对应于大卡（Golley，；Butterworth，）。

图2.6大麦的产量与籽粒充实阶段截获的辐射的函数关系。

当其他环境因素（例如温度，土壤含水量，土壤肥力和疾病以及昆虫压力）没有限制植物生长时，就会应用光拦截与生物量积累之间的关系。当拦截光是限制作物生长速度的主要因素时，该速度被称为“受光源限制”。但是，谷物和豆类作物在灌浆期的干物质积累也可能受到可用于积累干物质的种子数量的限制。例如，如果干旱，疾病或昆虫减少了存活谷物的数量，则谷物填充过程中植物生物量的积累速率可能会受到可种植的谷物数量的限制。在这种情况下，农作物的生长被认为是“受限制的”。图2.6显示了在灌浆过程中截获的太阳辐射与大麦籽粒产量之间的关系。在这项研究中，随着截获的太阳辐射的增加，谷物的产量几乎呈线性增长，直至谷物的产量约为μgm-2，这表明在曲线的下部，谷物的产量受到来源的限制。对于高于μgm-2的谷物单产，曲线较为平坦，这表明在这些单产水平下，作物的库位受到限制。或者，土壤肥力可能足以产生较低的产量，但成为较高产量水平的限制因素。在许多情况下，可以在收获后通过分析种子的数量，每颗种子的重量以及谷物和农作物残留物中养分的浓度来推断出谷物产量的限制因素。

2.2.2土壤

土壤是地球直接表面上未固结的矿物材料，是植物生长的天然媒介。只有在生长培养基中的条件最佳或有利的情况下，才能期望获得更好的农作物收成。难以定义最佳的植物生长条件，因为它们随植物种类，土壤类型和农业气候区而变化。影响植物生长的某些条件或因素可能与土壤的物理，化学和生物学特性有关。这些因素直接或间接影响植物根系的生长，水分和养分的吸收，进而影响植物的生长和产量。本节将讨论这些因素如何影响植物的生长。2.2.2.1物理性质

物理性质是由物理力引起的土壤的特性，过程或反应，可以用物理或化学方程式描述或表达。土壤的物理性质在植物的生长和发育中起着重要的作用。影响植物生长的重要土壤物理特性是质地，结构，稠度，孔隙空间和密度，土壤倾斜度和土壤颜色。这些物理性质是相互关联的，一个方面的变化可能会导致其他方面的变化，这可能是有利的也可能是不利的。为植物生长创造有利的土壤物理条件是一个非常复杂的现象。

2.2.2.1.1质地

土壤质地是指土壤中各种土壤分离物（例如沙子，淤泥和粘土）的相对比例。大多数土壤是各种大小颗粒的混合物。为便于描述这些混合物，已根据沙子，淤泥和粘土的相对比例定义了类别。农业中最常用的分类是美国农业部（USDA）给出的分类（土壤调查人员，年）。根据此分类，土壤材料中含有85％或更多的沙子和一定比例的淤泥加1.5倍不超过15％的粘土的土壤被称为沙子。淤泥是包含85％或更多的淤泥和少于12％的粘土的土壤物质。粘土是包含40％或更多的粘土，少于45％的沙子和少于40％的淤泥的土壤材料。沙粒的直径为0.05–2mm，粉砂为0.05–0.mm，黏土小于0.mm。直径大于2mm的颗粒称为粗碎屑。

土壤质地以多种方式影响农作物的生产力。它影响土壤的持水量，通气量，温度，阳离子交换量（CEC），养分供应能力，进而影响生长和生产。一般的趋势是，在中等质地的土壤上，生产力要比轻质（沙质）或重质（黏土）的土壤更好。土壤质地是一种相对永久的土壤性质，除非进行大刀阔斧的耕作，否则耕作或其他操作几乎不会对其产生影响。可以通过侵蚀使土壤流失或通过风或水沉积新材料来改变这种状况。

2.2.2.1.2结构

土壤颗粒结合成聚集体导致结构。土壤结构与质地共同控制土壤的孔隙率，从而影响通气，水分渗透，根系渗透以及土壤动植物的微生物活动。土壤结构发展的主要因素是湿润和干燥过程中的收缩和膨胀现象。植物根部也施加压力。土壤分离物通过粘土，铁，铝化合物和有机物质（如腐殖质，聚脲醛酸酯，多糖和蛋白质）结合在一起（Baver等，）。土壤结构在植物生长中因而在作物生产中起着重要作用。土壤必须具有有利于高生产率的良好结构。良好的土壤结构可提供足够的通气和排水，足够的蓄水能力，良好的根系生长以及获取养分的途径（Russell，）。但是，没有一种结构是完全理想的，因为农作物的要求不同。此外，农作物在一系列结构条件下通常都能令人满意地生长（Low，）。

通过栽培实践，土壤结构比质地更容易被修改。在细纹土壤中，土壤结构对于根系生长极为重要，但在沙质土壤中，土壤强度通常比土壤结构更为重要。土壤强度定义为在特定条件下特定土壤抵抗或承受外力的能力（GillandVandenberg，）。

2.2.2.1.3一致性

土壤稠度是土壤团块的凝聚或粘附程度。作为表面现象的内聚力和粘附力很大程度上取决于土壤中粘土或有机物的含量以及土壤的结构状态。土壤一致性在农业中的重要性与土壤结构的稳定性，耕作土壤的适宜性及其对侵蚀的敏感性有关。

2.2.2.1.4空隙度和密度

孔隙空间是未被土壤颗粒占据的土壤总空间，而密度是包括孔隙空间在内的每单位体积的质量。包括孔隙在内的土壤密度称为堆积密度。如果将通过称重确定的土壤质量除以测得的构成土壤的固体体积，则可以得到表示固体密度或颗粒密度的值（Hausenbuiller，年）。土壤结构在很大程度上决定了土壤的容重。通常，堆密度越高，土壤越密实，结构越差，孔隙空间越小。堆积密度实际上是土壤中孔隙空间的量度。对于给定的纹理类别，堆积密度越高，则存在的孔空间越小。颗粒密度变化很大，但是在大多数土壤中最普遍的颗粒类型的密度值在2.6–2.7μgcm-3之间，平均约为2.65μgcm-3。需要有关颗粒密度的信息来估算孔隙率，空气填充的空隙，流体中颗粒的沉降速率以及通过风或水的颗粒传输。如果堆积密度和颗粒密度已知，则土壤的孔隙度可以根据以下公式计算

Bd孔隙率（％）=1-×?Pd??

其中Bd代表堆积密度Pd代表颗粒密度

土壤孔隙率和堆积密度成反比。因此，任何影响一个的实践也会影响另一个。最佳孔隙率存在差异，但文献报道的苏丹草为6％–10％，小麦和燕麦为10％–15％，大麦和甜菜为15％–20％（Grable，）。

高土壤强度和堆积密度可以限制作物的根系生长（Laboski等，），改变根系分布（Kaspar等，），并导致较浅的根系（Oussible等，）。当土壤压实抑制总根长时，芽的生长也可能减少（Montagu等，）。在黏土上，通过大田交通进行单次压实会降低产量和农作物对氮的吸收（Alakukku和Elonen，）。高土壤容重可以减少大豆植株的结瘤，从而减少种子的产量和蛋白质含量（Katoch等，）。Sweeney等。（年）报道高粱产量随着土壤压实或土壤容重的增加而降低。

2.2.2.1.5耕作

耕作（Tilth）描述了土壤的物理状况，涉及其耕作的难易程度，作为苗床的适应性以及对幼苗出苗和根系渗透的阻抗。具有良好耕作的土壤通常可为植物提供充足的水和空气。土壤结构，特别是初级颗粒的聚集程度，对耕作有贡献。良好的耕作在质地较细的土壤中比在质地较粗的土壤中更为关键，并且会受到耕作的影响。作物生产中耕作的具体目标是（1）物理疏松土壤并打破硬锅，以促进水和空气的渗透；（2）改善发芽和根系发育；（3）将大的骨料减少至所需的大小范围（4）掺入农作物残渣，石灰和肥料，以及（5）整平土壤以利于灌溉，杂草控制以及播种和收割作业。2.2.2.2改善土壤物理性质的策略

适当的土壤管理方法可以改善土壤的物理性质，如结构，孔隙度，堆积密度和倾斜度。本节将讨论其中的一些管理实践。

2.2.2.2.1有机物质的维护。土壤有机物（SOM）一词是指在土壤中形成或添加到土壤中的所有动植物来源的物质，而与分解的阶段无关（Finkl，）。因此，土壤有机质包括高度腐烂的胶体土壤部分，称为腐殖质，以及尚未失去其解剖结构的有机残留物（BradyandWeil，）。此外，史蒂文森（年）将土壤有机物定义为包括土壤中的全部有机物，包括垃圾，轻质组分，微生物生物量，水溶性有机物和稳定的有机物。土壤有机碳（SOC）是这些库中的C分数。此外，稳定的有机物或腐殖质对应于美国土壤科学学会（）对土壤有机物的定义。腐殖质成分对土壤特性的贡献最大，在作物生产中非常重要。许多重要的土壤特性，包括水的吸收和保留，可交换阳离子的储备，向生长中植物提供N，P和S的能力，土壤结构的稳定性以及通气的充分程度，在某种程度上取决于土壤的肥力。存在的有机物的量（Broadbent，）。

图2.7显示了有机质（OM）与土壤阳离子交换能力之间的关系。有机物对土壤阳离子交换能力（CEC）的显着影响可以用有机物的高CEC来解释。图2.7中的CEC-OM关系显示，以干重计（从零开始），OM增量增加1％，导致土壤CEC（Kapland和Estes）相应增加1.7cmol（p+）kg-1（年）。同样，图2.8和2.9显示了有机物与土壤可提取的Zn和Mn之间的关系。随着土壤中有机质含量的增加，可提取的锌和锰呈线性增加。此外，有机物是土壤微生物的主要能源，并与添加到土壤中的肥料，农药和除草剂相互作用。

通过确定有机碳并使用因子1.将有机碳转化为有机物间接测量土壤样品中的有机物。此因素基于一个假设

图2.7阳离子交换容量与有机物之间的关系。（得自Kapland，D.I。和Estes，G.O.，Agron.J。，77，，。经许可。）有机物的C含量为58％（Stevenson，）。即使在非常局部的区域中，土壤形成因子起作用的多种组合也导致了土壤有机质含量的巨大变化。在未耕种的土壤中，存在的有机物的数量由土壤形成因素控制，其重要性顺序如下：气候植被地形=母体材料年龄（Jenny，）。

图2.8：Mehlich-1可萃取锌与有机物之间的关系。

图2.9：Mehlich-1可萃取锰与有机物之间的关系。

图2.-5cm土层中土壤有机碳浓度与植物残体添加量之间的关系。

从一种土壤到另一种土壤，C的绝对量相差很大，从某些粗纹理土壤（沙）中的C到不足1％，到草原草地土壤中的C到高达3.5％（Stevenson，）。排水不良的土壤（水体）中的C含量通常接近10％。在温暖的热带气候中，土壤中的有机物含量通常较低，这是由于这些土壤在全年经历的较高温度下微生物的活性较高。耕种土壤时，有机物含量通常会迅速下降。这是由于犁层的通气和混合得到改善，从而增加了微生物活性和有机化合物的分解。在从原始大草原或森林状态转换后的最初50年中，大多数农业用地的土壤被测量到有机碳净损失（20％至60％）（Janzen等，；Johnson等，）。在草原土壤中，上部景观位置的碳损失为17％，山坡位置的碳损失为70％（Slobodian等，）。

通过掺入农作物残留物，添加有机肥料（动物和绿色植物），将土地保留在牧场和森林中以及在轮作中包括草皮作物，可以维持或什至增加土壤中的有机物（Lal等，；Allmaras等，；Reicosky和Allmaras，；Johnson等，）。图2.10显示了植物残渣添加量与土壤表层（0-5cm）附近有机碳含量之间的典型二次关系。

2.2.2.2.2保护性耕作

耕作定义为对土壤进行机械处理以生产农作物。土壤耕作也许与定居农业一样古老，但它对土壤退化，土壤复原力，生态稳定性，环境质量和农业可持续性的影响现在比以往任何时候都更为重要。合理使用耕作可以成为重要的恢复性工具，可以减轻土壤对作物生产的限制。如果使用不当，耕作会导致一系列退化过程，例如土壤结构恶化，加速侵蚀，土壤有机质和肥力枯竭以及H2O，C和必需植物养分循环的破坏（Lal，）。）。此外，Lal（）指出有必要在农田上使用保护性耕作系统，以增强土壤有机碳（SOC）的存储量，并减少农业用地的温室气体排放总量。

保护性耕作已被定义为相对于传统耕作可减少土壤水分流失的任何耕作序列（Papendick和Elliott，；Tolk等人，）。另外，通常使用保护技术信息中心（CTIC）所采用的定义。CTIC（）将保护性耕作定义为“任何耕种和种植系统，在播种后至少保持土壤表面30％覆盖有残留物，以减少水土流失；或主要受到风蚀的土壤，在关键的风蚀时期，应在表面上至少保持kg的平面细小谷物残渣当量。”保护性耕作系统通常涉及较少的耕作操作和每个农作周期耕作所需的能源消耗，较少的农作物残留物进入土壤，以及增加对除草剂的除草控制。保护性耕作的主要结果是增加土壤表面粗糙度和维持土壤表面上的农作物残留。与传统的耕作系统相比，保护性耕作通常可减少土壤表层的水分蒸发，降低近地表土壤温度，减少风和水蚀以及减少能源消耗（Unger和McCalla，；Halvorson等，；Tarkalson等，）。在温带气候下土壤变暖缓慢，种子发芽差以及幼苗生长缓慢时常会遇到问题。保护性耕作系统的成功取决于土壤类型，排水，气候和管理实践（Papendick和Elliott，年）。专门适应保护性耕作环境的农作物品种的发展可能是增加和/或稳定农作物产量的一种方式（Kaspar等，；Tarkalson等，）。

保护有效的耕作的农艺和经济表现极具针对性。在半干旱地区重要的问题在潮湿的热带地区可能并不重要。因此，有效的保护性耕作计划需要足够灵活，以适应各种经济，地理和土地利用及相关变量（Benites和Ofori，）。在巴西，免耕种植的耕地面积为27％（1,万公顷），其中约70.5％位于南部地区，包括南里奥格兰德州，圣卡塔琳娜州和巴拉那州（Sá等（年）。近年来，免耕制度在巴西中部越来越流行。之所以发生这种情况，是因为农作物的生产成本低廉，而且该系统对土壤的保护作用很大。

2.2.2.2.3有机农业

有机耕作意味着在农作物生产中尽量减少使用化肥或农药。在有机作物系统中，不允许使用可溶性无机肥料，尽管在限制条件下允许使用某些可溶性无机钾肥（Torstensson等，）。这些系统中的营养输入要么来自各种有机来源（如动物和绿肥），要么来自溶解度极低的天然矿物质（如磷灰石）。与有机耕作系统中养分利用有关的其他特征包括共生固氮的生物学条件的增强和改善（Torstensson等，）。此外，还特别强调了动物粪便的回收利用，以及在动物数量和农作物耕种面积之间取得平衡（Kirchmann和Bergstrom，）。

在这种类型的耕作中，农民通过定期使用土壤覆盖的农作物来保持表层土壤处于良好的身体状态。通过轮作作物，及时耕种和生物防治来控制杂草，害虫和植物病害。自年代初以来，美国有数千名农民以有机农业的形式经营商业农场（Papendick和Elliott，年）。此后，有机农业在欧洲联盟（EU）和美国日益流行。年，欧盟用于有机农业的面积占农业总面积的3.9％，其中比例最高的国家为奥地利（11.0％），意大利（8.4％），捷克共和国和希腊（均为7.2％）（

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