投入品有机组合—有机物、矿物质和有益微生物
The following article is from 九孚生态科技 Author 梁鸣早 张淑香
2 中国农业大学资源与环境学院）
众所周知，地球表面有90多种元素，目前在植物体内已知有60多种元素，约占地球元素总量的70%。那么到底有多少元素对植物来说是不可或缺的呢？人类用数百年时间来研究植物营养元素，确定植物必需元素需同时满足3个条件，①完成植物整个生长周期所不可缺少的元素；②在植物体内功能是不可替代的，植物缺乏该元素时会表现出专一的症状，只有补充这一元素后症状才会消失；③对植物代谢所起的作用是直接的，而不是通过改变植物的生长条件或其他元素的有效性所产生的间接作用。遵照这原则确认植物必需元素有17种。
研究表明，作物必需元素中，碳、氢、氧、氮、硫组成有机体的结构物质和生活物质，也是组成辅酶的基本元素；磷参与羟基脂化和磷脂键能量的转移；钾、镁、钙、氯产生渗透势、参与平衡阴离子、活化酶类、是反应物的桥梁、控制膜的透性和电化学势；硼能与富含羟基的糖生成硼脂化合物、刺激花粉萌发、和钙一起作用于细胞间的胶结、保持细胞壁结构完整；铁、铜、锌、钼、锰、镍是各类酶的金属辅基，并通过化合价变化进行电子转移[3]。上述必需元素在植物初生代谢和次生代谢中承担着不同的角色，协同完成了支持生命的全过程[4]。
按照养分归还定律给作物补充营养，应注意植物对各种元素需求上的差异巨大，共同遵循少量有效、适量最佳、过量有害的原则（见表1）。补给营养若偏离了适宜区域，会造成农作物易感病、抗性低、品质差、不耐贮存、风味不足。
符号 | 可利用的形态 | 占干物重% | |
碳 | C | CH2O HCO3- CO2 | 45 |
氧 | O | O2、H2O | 45 |
氢 | H | H2O | 6 |
氮 | N | CH2O-N NO3- NH4+ N2 | 1.5 |
钾 | K | K＋ | 1 |
钙 | Ca | Ca2+ | 0.5 |
镁 | Mg | Mg2+ | 0.2 |
磷 | P | H2PO4- HPO42－ | 0.2 |
硫 | S | SO42－ | 0.1 |
以下的计量单位 占干物重（mg/kg） | |||
氯 | Cl | Cl- | 100 |
铁 | Fe | Fe2+ Fe3+ | 100 |
锰 | Mn | Mn2+ | 50 |
硼 | B | H2BO3- B4O72－ | 20 |
锌 | Zn | Zn2＋ | 20 |
铜 | Cu | Cu2+ Cu－ | 6 |
钼 | Mo | MoO42－ | 0.1 |
镍 | Ni | Ni－ | 0.005 |
碳被称为地球上最重要的元素，它有4个电子空位可与氢、氧、氮、磷、硫结合成有机碳骨架，生成糖类、脂质、蛋白质、核酸等有机化合物。植物需要的碳靠光合作用同化大气中的CO2，一般只能满足植物1/5的需要量。多渠道补碳才能解决作物对碳的需要，秸秆在耕层发酵中产生的CO2可增加冠层的CO2浓度，有机物被微生物降解成有机碳CH2O和土壤中的碳酸根HCO3-可为根系吸收，作物生长过程中通过叶面补充有机碳，如，氨基酸液肥、腐殖酸和多糖类是重要的碳源物资。
氢是碳骨架的组成成分，是能量交换的关键元素，细胞靠消耗ATP把H＋泵出细胞膜外，形成植物细胞胞内负、胞外正的跨膜电势，植物就靠氢离子泵把细胞化学能转化成细胞电势能，由此推动了细胞膜内外的物质交换。氢还参与光合作用能量转换的各级反应。
氧是构成有机物碳骨架的组成成分，氧给植物的呼吸作用提供原料、保证生命正常。水是植物必须氢和氧元素的原材料。植物体内的氢和氧主要来源于植物光合作用水的光解。（注释：作物体内水是物质运输、保持固态、维持体温的载体，作物需要的水来源于大气降水和土壤水，土壤中有效水是毛管悬浮水是农田水的储存方式。因此水是农业的命脉。）
氮是植物体蛋白质、核酸、磷脂和细胞生物膜的重要组成；参与酶、辅酶、辅基的构成；是叶绿素的成分；与光合作用有密切关系。氮是生长素和细胞分裂素、多种维生素的成分。研究发现内生固氮菌定殖于植物根表的细胞间隙不形成特异的结构，可为非豆科作物提供氮素养分。2012年山西临汾的王天喜从农田中获取强固氮菌株—地衣芽孢杆菌，属于一种内生菌，经测定其固氮酶活性是圆褐固氮菌的3倍多，且易于培养。作物施用氮素化肥的时效短，耕层发酵的有机氮在土壤中的时效要长一些，固氮微生物的固氮利用率高。
磷是植物细胞中核酸、核蛋白和磷脂的主要成分，与蛋白质合成、细胞分裂、细胞生长有密切关系；是许多辅酶的成分，由磷形成的辅酶参与光合作用和呼吸作用；磷是生命体能量代谢的重要元素，磷生成磷酸腺苷参与ATP、ADP、AMP能量代谢和转移；磷参与碳水化合物的代谢和运输；磷参与氮代谢和脂肪转化。磷在果实和种子中生成肌醇六磷酸参与种子萌发和幼苗生长。磷的作用如此重要，一般在生命早期就出现需磷高峰。但土壤中的磷很难被作物利用，因为酸性土壤磷易被铁和铝固定，碱性土壤磷易被钙固定。磷在土壤中不易移动，植物吸收磷不容易靠增加根毛主动搜索。磷在植物体内可以被再利用，所以磷肥越早施用越好，最好在耕层发酵过程中与其他矿物质一起施用。有机质丰富可增加磷在土壤中的有效性。
钾是植物细胞中最丰富最活跃的阳离子，能平衡阴离子电荷、增强光合作用、促进能量代谢、蛋白合成和光合产物的运输，是60多种酶的激活剂；钾对细胞渗透势、气孔开合调节、作物抗倒、抗病虫有影响。土壤中的速效钾和缓效钾不能满足作物生长的需要，需要年年补充，而土壤含量达90%以上的矿物钾却不能被作物直接利用。研究发现，胶质芽孢杆菌可解矿物钾，可解决作物对钾的需求。钾在植物体内可以被再利用，因此钾肥最好随底肥施入。
钙构成植物体内果胶酸钙、钙调素蛋白、肌醇六磷酸钙镁等；是细胞伸长所必需的元素，影响细胞壁和纺锤丝形成、保证细胞分裂；钙对植株挺立和秸秆的硬度有作用，也影响籽粒形成。固氮菌需要大量钙。钙是植物细胞代谢的总调节者，钙能稳定细胞膜抵抗非生物胁迫带来的自由基攻击，当逆境信号由乙烯传给钙离子，钙与钙调蛋白共同作为第二信使激活细胞的转录因子，使抗逆基因表达。钙可加强碳水化合物运输。作物对钙的需要量是磷的2.5倍，而土壤中的钙是土壤有机无机胶体复合体的搭桥物质，可以说钙是土壤和作物都需要的元素。异常天气下作物易出现缺钙症状，进一步说明钙对于作物的重要，但作物吸收钙比较困难，只能靠根尖吸收蒸腾拉动，作物果实和顶部易缺钙，现在还不好估计农作物由于长期缺钙所造成的经济损失。目前作物利用的大多是土壤中的储备钙，所以土壤缺钙很普遍。施钙需考虑作物和土壤的双重需要。建议在底肥中重施钙肥。在作物幼果期及时在果面喷液体钙是不错的补救措施。
镁是植物体叶绿素的中心原子，镁离子是多种酶的活化剂，在植物光合作用、糖酵解、三羧酸循环、氮和硫的同化、ATP的合成、脂肪和类脂的合成等过程中，有几十种酶都需要镁激活，镁参与调控信号传递、能量代谢、蛋白质和核酸的合成。镁的吸收和钙有协同关系，也就是说，土壤缺镁影响作物对钙的吸收。镁在植物体内可以被再利用。生长后期缺镁是由于钾的过量拮抗了镁，作物表现出缺镁症，同时也使得氮的作用不得发挥。施肥时需考虑钙和镁的协同关系，底肥中补足镁是关键。
硫是植物体内蛋白质和酶的成分，参与呼吸作用、碳水化合物合成、脂肪和氮代谢、固氮过程。硫是很多抗性物质的组成和人体不可或缺的营养素的成分，硫是维生素B1、维生素H、辅酶A、乙酰辅酶A、谷胱甘肽等组成，蛋氨酸（甲硫氨酸）是次生代谢启动前乙烯的前体物质，没有乙烯的信号传递给第二信使钙离子，植物就无法开启次生代谢。作物缺硫症状类似缺氮，生产上常因误判贻误战机，以前使用单质肥时，氮肥—硫酸铵、磷肥—过磷酸钙、钾肥—硫酸钾都含有硫，碱性土的改良剂硫酸钙（石膏）也含硫。现在的肥料中硫的含量下降，底肥中需要考虑加入泻盐（硫酸镁）。
铜对叶绿素有稳定作用，能防止叶绿素过早被破坏；铜是很多酶的组分，参与形成超氧化物歧化酶（CuZn-SOD），参与解除由光合作用产生的分子氧自由基O2-的毒害作用。铜参与光合作用、糖代谢，呼吸作用；参与固氮根瘤的形成，影响木质化过程、铜对花粉形成有促进作用，抑制真菌，抗旱，抗击灾害天气。铜主要以Cu2+、Cu-吸收，土壤有机质可使铜的活性增加。
铁是很多酶的金属辅基，如，铁硫蛋白酶、铁钼蛋白酶、固氮酶、超氧化物歧化酶（Fe-SOD）；铁在光合作用和呼吸作用两个代谢中起氧化还原作用。铁与铜和锰一起参与叶绿素的形成，铁抑制真菌。铁主要以Fe2+、Fe3+吸收。
锰是许多酶的组成和催化成分，锰是超氧化物歧化酶（Mn-SOD）的金属辅基，Mn-SOD存在于厌氧组织中。锰参与光合作用、水的光解、二氧化碳的吸收、种子发芽、幼苗生长、花粉管发育伸长和植物茎的机械强度等都有一定的作用。缺锰会抑制植物蛋白质合成，造成硝酸盐在植物体内积累，最终在果实中形成亚硝酸盐使生命体中毒。锰以Mn2+吸收。
锌存在于植物体内59种复合酶中，锌是超氧化物歧化酶（CuZn-SOD）的金属辅基；锌保护根表和根内细胞膜，提高植物抗旱能力。锌在植物的光合作用、呼吸作用、氮代谢、蛋白质的合成、内源激素合成和植物生长方面都有作用；锌促进生长素（吲哚乙酸）合成和参与细胞分裂促进新器官生长，缺锌不能合成生长素。锌以Zn2+形式被植物吸收。锌以离子吸收。早春较易发生缺锌。
硼可增强细胞壁对水分的控制，硼维持细胞膜功能；通过调节淀粉合成影响蒸腾；影响细胞的发育和伸长；影响碳水化合物代谢并在氨基酸和蛋白质合成中起作用；与酚类化合物络合调控激素的活性，促进糖和生长素运输，产生花蜜吸引昆虫授粉。缺硼将导致油菜开花而不结籽实。与钙共同作用形成细胞间的胶结，保持细胞壁结构完整，增强植物抗寒、抗病和抗击灾害天气的能力。植物以硼酸盐H2BO3-、B4O72－吸收硼。硼是靠根尖吸收靠蒸腾拉动，土壤有机质中的硼被微生物分解释放出来是供应植物需要的主要来源。
钼是植物体内固氮酶和硝酸还原酶重要组成成分；使植物抗击灾害性天气；钼促进磷的吸收，促进植物体内维生素C的合成。作物生长早期易表现缺钼，是由于气温低和氮偏高引起，缺钼时导致硝酸盐在植物体内积累，使植物果实变得对食用者有害。植物以钼酸盐吸收钼。
氯是植物光合作用中水光解反应的必需元素，氯作物植物吸收的主要阴离子之一，与阳离子保持电荷平衡，维持细胞内的渗透压，与钾一起调节气孔开闭、参与渗透势的调节。抑制土壤70%～90%真菌；维持细胞膨大，叶和根细胞的分裂也需要Cl-参与。
镍是脲酶和固氮菌脱氢酶的金属辅基；镍参与种子萌发、氮代谢、帮助植物完成铁的吸收；维持脲酶的结构和功能；提高过氧化物酶、多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的活性。缺镍不能完成生命周期。镍以Ni－吸收。
对微量元素的补充应注意，如果使用单质肥，最好在秸秆还田耕层发酵时施入土中，以确保其有效性。叶面补充请尽量使用多元螯合态微肥。
有益元素又被称为农用必需元素，硅可增加植物体硬度、硅对水稻是必需元素，钛能提高作物对钙营养的吸收率、钴参与维生素B12的合成，调节酶和激素活性，豆科作物固氮离不开钴，钒能促进氮代谢促进铁的吸收，钠参与C4植物的光合作用，含硒的农产品对人类健康有益；稀土元素被称为生命元素，对农业有很多重要的作用[6]。
总而言之，作物必需元素在植物代谢中扮演着不同的角色，协同完成了一个生命过程。作物所需的各种元素在适宜需要量的前提下，一个都不能少。作物所需的各种营养元素，尽管在吸收数量和吸收方式上各有差异，但所有营养元素在有机质充足的土壤条件下最容易被利用，因此，提高土壤有机质含量是提高各种营养元素的有效性的重要一环。
我国土壤受到成土母质、生物和人类活动、大气环流、海陆分布和地形的共同影响，形成性状不同的各类土壤。土壤是自然界最复杂的生态系统之一，万物土中生，在土壤生态系统中，健康的土壤是粮食安全的重要保障。土壤生物之间及其与生态系统中动植物的相互作用形成生态活动的复杂网络，被称为土壤食物网。这些功能和相互作用构成了农业系统可持续管理的重要资源[7]。世界粮农组织（FAO）描绘的理想土壤的结构是45%的矿物质、5%的有机质、25%的水分、25%的空气（见图1）。
近几十年，我国土壤有机质下降、矿物质耗竭、土壤酸化等问题凸显，据农业部近两年测土调查结果显示：有机质含量2%以上的约占5%，有机质含量1.5%以下的占80%，有机质含量1%以下的约占15%，说明我国土壤有机质含量总体水平很低。我国土壤矿物质的失衡，可以从土壤酸化中看出，从20世纪80年代早期至今30年间，由于氮素化肥过量使用，几乎在中国发现的所有土壤类型的酸碱度都下降了0.1到0.8个单位，这种规模土壤酸化通常需要几十万年的时间[8]。土壤酸化也说明土壤矿物质中金属元素钙镁铜铁锰锌的不足。提升土壤质量措施如下：
提高土壤有机质含量就是要充分利用有机资源，有机资源包括秸秆、畜禽肥便、农业废弃物等，我国每年产生数十亿吨有机资源，利用率还不到50%，尚有很大的潜力可挖，有机资源如果能够就地变废为宝，可节约运输成本。土壤有机质和矿物质是人为可以参与调节的物质，通过耕层发酵（做底肥、用于25～30公分土层）和有机肥堆制发酵（做种肥、用于0～20公分土层），可以实现土壤整个耕层的有机质全覆盖，让土壤中有机质和矿物质达到一个新的水平，如果土壤有机质从1.5%增至2%，就提高14%的保肥能力；土壤有机质从1%增至3%，土壤保水能力就能增6倍。这一举措对土壤改良具有深远意义。
耕层发酵是一种广泛应用的技术，可在保护地种植中用，也可在大田作物收获时使用，在上茬收获后，将秸秆粉碎，在秸秆上撒上有益微生物菌剂、矿物质肥料和畜禽肥便，翻入25～30公分土中，根据土壤墒情适当补水，然后用旋耕机旋平（光立虎提供）。
有机物料通过微生物作用，被分解为小分子有机碳和有机氮，如葡萄糖、寡糖、氨基酸、维生素、生长素及其衍生物，能够被作物直接利用无需再消耗光能，一部分被矿化留在土壤中可被根系再利用，有机物料中结构稳定的木质素往往只是部分降解，而保留原来结构中的某些片断，在微生物和各种酶的作用下，合成是以芳香族为主体附以酚羟基、羧基、甲氧基的有机弱酸，最终演化成为腐殖质，腐殖质参与形成土壤的水稳性团粒结构。
有机物料的就地变废为宝还有堆肥的方法，自制有机肥是我国农村获取高质量有机肥的重要方法，很适用于目前分散经营小农经济的农业生产，其特点是取材广泛、简单易行、净化环境，变废为宝，改良土壤、培肥地力、成本低廉、养分全面的优点大棚堆制有机肥对环境条件要求简单，只需能遮风避雨的大棚和一台可行走的翻堆机。一个棚一次发酵有机肥50立方，一次生产周期时间是秋冬15～20天、春夏10～15天，周年生产可以满足周边数百亩耕地对有机肥的需要。
有机肥发酵操作规程：用畜禽粪便（新鲜鸡粪或猪粪或牛羊粪）与植物源的有机物料（秸秆、谷壳、农产品加工下脚料、剪下树枝和落叶等）各占一半的比例，加入天然矿物质约占总量5%，发酵有机肥中加入矿物质，如钙、镁、钾、磷、硫、微量元素和有益元素等，可采用有机种植国家标准允许投入的矿物质[9]，此标准已经涵盖了作物生长必需的所有矿物质元素，在有机肥发酵的发酵过程适量添加原生矿物，在微生物作用下成为有效态的营养元素。可为土壤营养平衡、作物营养平衡，提供全面的营养。有益微生物菌剂培养液（扩繁菌液：2公斤菌剂原液和2公斤糖蜜也可用半公斤红糖替代，加入20公斤水中进行菌液培养，12小时，可根据温度加减5小时，即可生成微生物菌的培养液）约占总量1%的，边搅拌边喷洒经培养的微生物菌液，当料堆的含水量达到60%左右（即手捏成团，指缝见水但不滴水，松手落地即散即可）。遮盖堆制、约3～4天，温度达到65℃以上就要进行翻堆，边翻堆边喷洒微生物菌的培养液，发酵过程需用翻堆机翻堆2～3遍。当堆肥无任何粪便臭味，而有淡淡的芳香味，晾干，此时全元生物有机肥发酵完成（见图2），发酵好的有机肥正处于营养腐殖质的阶段，可与种子和移栽苗木同时期使用（韩成龙提供）。
作物成土母质是土壤形成的物质基础和植物矿质养分元素的最初来源，良好的土壤本应具有向植物生长提供必需的矿物质和维持土壤良好结构的功能。土壤在有机质和微生物的作用下形成疏松多孔的团粒结构，保证植物根系生长，土壤团粒结构还有保水保肥的功能。土壤形成团粒结构是土壤健康的标志。土壤的团粒结构的形成离不开二价阳离子的搭桥作用。成土母质中的黏土矿物带有阴电荷也被称为无机胶体，土壤中的腐殖质带有阴阳两种电荷也被称为有机胶体。土壤形成有机胶体和无机胶体的结合，需要二价矿物阳离子来搭桥。研究表明有团粒结构的土壤有下列三种结合方式（见图3）。
连年的种植，收获的作物从农田携带出了大量的矿物质，使得土壤矿物质的含量明显降低。化学农业进一步加快了土壤板结，因为土壤中原有起到有机胶体和无机胶体的搭桥作用的二价阳离子，被化肥中的化学性质更活跃的一价阳离子（铵离子、钾离子等）置换掉了（见图4）。当土壤中阳离子占土壤盐基代换量的12%～15%时，土壤结构中的二价阳离子（钙离子、镁离子、铁离子和锰离子）被置换掉，土壤结构就被破坏了[2]。
学者认为，对作物和土壤需要量都比较大的钙和镁矿物质元素，在施肥中要考虑作物和土壤对钙、镁的双重需要。给土壤补充的矿物质不仅需考虑作物移走量，还要考虑土壤矿物质的有效性，一般土壤有效钾（K）的临界值80 mg／kg，有效镁（Mg）的临界值120 mg／kg，有效钙（Ca）的临界值是400 mg／kg，土壤有效磷（P）的临界值是12 mg／kg。土壤中的有效镁与有效钾的比例是一个重要的土壤属性标志。研究表明，土壤中的Mg/K比在3.7～15：1比较合适，土壤中有效Ca／Mg比在2.4～7:1左右比较合适。从上述数据可以看出，土壤中需要的有效钙和有效镁的值应该远远大于有效钾的值。给土壤补充钙-镁-钾的比例大约为5:2:1更合理。
尽管作物对微量元素需要量不高，但也不可以长期被忽略。对微量元素补充用鳌合态肥料更容易被作物吸收。如果采用单质微肥，最好在底肥中与秸秆等有机物料一起用，当有机物料发酵后逐渐演变成腐殖质时，对微量元素有鳌合作用，鳌合态的微量元素有更好的生理活性、不容易被土壤固定，作物的利用率高。
（1）给作物提供充足的碳和水分调控，这是形成高产的物质基础。用耕层发酵方法深施底肥，和堆制的有机肥作为种肥，用有机小分子化合物比如氨基酸类、腐殖酸类肥料等作为叶面肥，以保障作物对碳的需要。
（2）使用有益微生物菌剂，让微生物成为土壤物质流和能量流的推动者。推荐王天喜的地力旺菌剂，其有强固氮和强解钾的特别功效。
（3）为作物提供全面的营养，要考虑到作物对大、中、微量元素的特别需要，同时还要考虑有益元素和生命元素的补充。尽管作物对于各种元素的需要量差异悬殊，但共同遵循少量有效、适量最佳、过量有害的原则。
（4）在生产过程中不断地胁迫，胁迫越早开始越好，目的是让作物多次开启次生代谢，胁迫的同时追加营养叶面喷施、根灌等，让次生代谢充分运转。在逆境天气到来之前也需要追加营养素，即使遇到病虫害也属于胁迫，用营养也比用农药强。追加的营养最好是小分子有机物和有益菌，可以保护细胞膜，免受自由基的攻击，起到外在补充、内在激活的作用。
投入品用有机物、矿物质和带有固氮菌等的有益菌，好处是兼顾了土壤和作物对营养的共同需要，一次性地解决了土壤养分平衡和作物生长对多种营养元素的需求，并且促进土壤的团粒结构的形成，从而提高了耕地的质量，同时也提高了作物抵抗病虫草害和不良天气的能力。