第一章 经济作物营养特征及营养诊断
第一节 作物生长与营养元素
作物生长需要的营养元素被作物吸收进入体内后，还需要经过一系列的转化和运输过程才能被作物利用，但并不是每种营养元素对作物都是必需的，因此可分为必需营养元素、有益营养元素、有害营养元素等。
一、作物必需营养元素
作物体内的各种元素含量差异很大，作物对营养元素的吸收，一方面受作物的基因所决定，另一方面受环境条件所制约。作物体内现有的几十种元素，只有一部分是作物必需的。
1.作物必需营养元素的种类
根据上述标准，到目前为止，已经确定为作物生长发育所必需的营养元素有16种，即碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、钼（Mo）、硼（B）、氯（Cl）。其中，碳、氢、氧主要从水分和空气中吸收，一般不会缺乏；其余13种必需营养元素大都从土壤中吸收，由于土壤中这13种元素难以满足作物生长发育需要，需要通过施肥加以补充。
通常根据作物对16种必需营养元素的需要量不同，可以分为大量营养元素、中量营养元素和微量营养元素。大量营养元素主要是碳、氢、氧、氮、磷、钾6种，中量营养元素主要是钙、镁、硫3种。微量营养元素是铁、硼、锰、铜、锌、钼、氯7种。
氮、磷、钾是作物需要量和收获时带走较多的营养元素，而它们通过残茬和根的形式归还给土壤的数量却不多，常常表现为土壤中有效含量较少，需要通过施肥加以调节，以供作物吸收利用，因此，氮、磷、钾被称为“肥料三要素”。
2.作物必需营养元素的主要生理功能
16种必需营养元素在作物体内有着各自独特的作用，不同的作物必需营养元素在作物体内具有独特的生理作用（表1-1）。
表1-1 作物必需营养元素的生理作用
二、作物有益营养元素
某些元素并非是所有作物都必需的，但能促进某些作物的生长发育，这些元素被称为作物有益营养元素。常见的主要有钠、硅、钴、硒、钒、镍、钛、稀土元素等。
1.钠
艾伦（Allen，1995）研究固氮蓝藻时发现柱状鱼腥藻是需钠的作物；布劳内尔（Brownell，1975）用藜科作物做试验，证明钠是该作物生长的必需营养元素，作物缺钠后出现黄化病。此外，许多实验证明，苋科、矶松科等盐生作物及甜菜、芜菁、芹菜、大麦、棉花、亚麻、胡萝卜、番茄等作物缺钾时，如果土壤有钠存在，则这些作物的生长发育仍可正常进行。
钠在作物生命活动中的作用，目前还不十分清楚。盐生作物中钠可调节渗透势，降低细胞水势，促进细胞吸水，因此高盐条件下促进细胞伸长，使作物叶片面积、厚度、储水量和肉质性都有所增加，出现多汁性。某些作物（如糖用甜菜、萝卜、芜菁等）供钾不足时，钠可有限度替代钾的功能。
2.硅
硅在土壤中含量最多，通常以二氧化硅（SiO2）形式存在，而作物能够吸收的硅形态是单硅酸［Si（OH）4］。硅在木贼科、禾本科作物中含量很高，特别是水稻。
硅多集中在表皮细胞内，使细胞壁硅质化，增强作物各种组织的机械强度和稳固性，提高作物（如水稻）对病虫害的抵抗力和抗倒伏的能力。硅有助于叶片直立，使植株保持良好的受光姿态，间接增强群体的光合作用。硅可以减少作物的蒸腾，提高作物对水的利用率。硅有助于水稻等作物抵抗盐害、铁毒、锰毒的能力。硅对水稻的生殖器官的形成有促进作用，如对水稻穗数、小穗数和籽粒重都是有益的。
3.钴
许多作物都需要钴，作物一般含钴0.05～0.5毫克/千克，豆科作物含量较高，禾本科作物含量较低。钴是维生素B12的成分，在豆科作物共生固氮中起重要作用。钴是黄素激酶、葡萄糖磷酸变位酶、焦磷酸酶、酸性磷酸酶、异柠檬酸脱氢酶、草酰乙酸脱羧酶、肽酶、精氨酸酶等酶的活化剂，可以调节这些酶催化的代谢反应。
4.硒
大多数情况下土壤含硒量很低，平均为0.2毫克/千克。硒在土壤中以Se6+、Se4+、Se0、Se2-等存在，形成硒盐、亚硒酸盐、元素硒、硒化物及有机态硒。硒与人体和动物的健康密切有关。硒可以增强作物体的抗氧化作用，提高谷胱甘肽过氧化物酶活性，从而消除氧自由基。低浓度硒可促进百合科、十字花科、豆科、禾本科作物种子萌发和幼苗生长。
5.钒
钒是动物的一个必需元素，钒对高等作物是否必需，至今尚无确切证据。适量的钒可以促进番茄、甘蓝、玉米、水稻等作物的生长，并增加产量和改进品质。钒能促进大麦、松树种子的萌芽，促进其生长发育。钒对生物固氮有利，提高光合效率，促进叶绿素的合成，促进铁的吸收和利用。钒可提高某些酶的活性，以及种子发芽。
6.镍
作物干物质正常含镍0.1～5毫克/千克。镍在作物体内可移动，作物种子和果实中含量较高。镍是脲酶的金属辅基，是脲酶的结构和催化功能所必需的。在作物的氮代谢中起重要作用，能催化尿素降解；有利于种子发芽和幼苗生长。
7.钛
作物体内普遍含有钛元素，不同作物含量也不同。玉米含量一般在20毫克/千克左右，豆科作物一般在25毫克/千克以上。钛主要与光合作用和豆科作物固氮有关。钛能促进作物对某些养分的吸收和运转，促进作物体内多种酶的活性，提高作物叶片中叶绿素的含量，提高作物产量，并能明显改善作物品质。
8.稀土元素
稀土元素是元素周期表中原子序数为57～71的镧系元素——镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的元素——钇（Y）和钪（Sc）共17种元素的统称。作物中稀土元素的含量一般在25～570毫克/千克。
低浓度稀土元素可促进种子萌发和幼苗生长，如用稀土元素拌种小麦，种子发芽率可提高8%～19%。稀土元素对作物扦插生根有特殊作用，同时还可提高作物叶绿素含量和光合速率。稀土元素可促进大豆根系生长，增加结瘤数，提高根瘤的固氮活性，增加结荚数和粒荚数。稀土元素已广泛应用与农作物、果树、林业、花卉、畜牧和养殖等方面。
三、作物有害营养元素
1.必需营养元素过量施用
必需营养元素施用过量会对作物产生有害作用。常见症状有叶片黄白化、褐斑；茎叶畸形、扭曲；根弯曲、变粗或尖端死亡；出现狮尾、鸡爪等畸形根。其中微量元素与大量元素不同，由于最适需要量与中毒水平比较接近，过量会导致作物中毒，甚至引起人畜的某些疾病发生。如硼过剩，叶缘大多成黄或褐色镶边；饲料植物含钼>10毫克/千克，长期饲喂可引起家畜钼毒症。由于元素之间会互相抗衡，有些元素的缺素症是因某一元素的过剩吸收产生的，如磷过多，常以缺铁、锌、镁等失绿症表现；酸性土壤锰过多可引起缺钼。
2.作物有害营养元素
有些元素存在于作物体内，在极低浓度下未能表现出已知的生理功能，却产生了毒害作用，称之为有害营养元素，如铝、砷、氟、锡、铬、镍、汞、铅等。
（1）铝中毒 植物根系生长减少，根尖和侧根变粗变褐，叶片暗绿，茎秆发紫。常伴随植物组织中高量铁、锰和低浓度钙、镁。
（2）砷中毒 水稻中度中毒时茎叶扭曲，无效分蘖增多，严重时植株地上部发黄，根系发黑、稀疏。甘薯受害叶片出现褐色斑点，叶脉基部和茎部呈褐色，逐渐发黑死亡。苹果则树皮和木质部变色，叶片产生斑点。
（3）氟中毒 在大田生产中，很少出现氟毒害。但在氟氢酸工业污染区，植物暴露在只有几个微克/千克氟氢酸的环境下，几个月后就会出现中毒症状。轻微中毒叶缘和叶脉失绿，严重时叶缘坏死。葡萄和果树比其他植物更敏感。
（4）镉中毒 水稻下部叶片和叶鞘变为黄褐色；大豆叶片黄化，叶脉呈棕褐色。镉污染食物危及人类健康，长期食用含镉米（含镉水、含镉水产品）易患骨痛病。