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土壤生态系统物质和能量流动的个人理解

已有 2852 次阅读 2016-8-31 10:04 |个人分类:科学问题初探|系统分类:科研笔记

——读门格尔的《植物营养学》、雷志栋的《土壤水动力学》部分章节以及张一平的《土壤养分热力学》第一章:土壤养分热力学基础  有感


一切能量来源于太阳,那么这些养分元素是如何生成的呢?我们从微观的角度上去探索,进入原子、电子,我们可以得到答案,然而我们来到这种程度的微观时候,又会对其最小粒子表示怀疑,我们急切要求得到一种规律,或者说是一种法则,它来自于何方?但是人类又会问此方来自于何方?永不得终,无穷尽也,所以,我的观点是建立在一个“固定的平面”考虑养分循环,因为在广义的宇宙中去分析这个循环,我认为是毫无意义的,我们不去管一个婴儿出生是为了什么,又是如何的一系列的问题。我们只去把这个婴儿命名为“张三”,这便是定义,所以,本读书报告是建立在某些人类默认的定义之上的,适用于实际的应用和指导,文中如有不适观点,纯属个人观点。­

首先,定义元素,元素是构成我们所谓的微观粒子的一种默认的最小命名,在有限的空间内,任何物质都是由元素组成,且基本是若干以上的元素组成,难以达到纯物质,而何为养分?作者思考许久,广义的说养分即为元素,两者无法区分,只是人类观念上讲,养分好比是原料,而元素好比是产物,但两者存在循环,无先后存在之意义,本报告从植物为起点讨论,因此从狭义的养分为主。即,植物所必需的元素(或者元素聚合体),统称为化学物质。

如上图,我们可以了解,具有生命的物质释放出Q,这图中包含着物质和能量的循环,任何一个方面的微小变化都可以放大(当然也可以缩小)。比如,植物剧增,要求的养分剧增,那么养分剧增所需要的分解者剧增,环境则要求剧增,有机质也要求剧增,植物剧增导致剩余有机质剧增,而动物呢?不能必然剧增,这个循环导致植物浪费,人类劳动力浪费,当然,如果动物剧增引起的植物剧增又是别论,但是其中又是讨论到储能和流动能的问题,

我们再次缩小研究范围,且具体分析,因为上图基本毫无指导意义。现在就土壤中发生的养分循环进行分析,这个循环由门格尔(德)提出。

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上述这个土壤-植物循环中,养分的周转受许多因素控制,特别是从土壤颗粒风化强度,土壤母质性质和表层土壤植物养分的淋溶速率而定,李比希(德)1841提出“养分归还”——必须记住,土壤中减少了什么,就必须全部地归还给它,此作为作物栽培的一个原则,下面详细讨论各因素。

1作物带走

作物生长期中吸收养分的数量在很大程度上取决于作物种类和产量,作物产量和养分吸收又紧紧依赖作物栽培品种的选择,这些证明可以从一系列实验统计数据分析得到,我们从植物营养学角度看,植物环境共同营养植物的生长,土壤本身就是环境一分子,而土壤特性与其他环境因素存在差异(养分为狭义,且为土壤中)

植物对应元素对应需求量因种各异,这是由个别品种决定的,这些可以指导我们如何配肥和施肥,因此研究品种差异,从数据指导实践是特别有意义的,当然有人会认为揭示吸收本质,岂不更有意义,但实际上,我们对于某一品种进行研究,都会发现变异,即使达到分子或更微观水平,这些复杂的计算将永远令我们头疼,当然如果能达到如此水平,是极其意义的所以现阶段植物营养的研究应该主要往这方面发展(本论作者认为),但作为应用指导,现阶段农业生产,较现实的方法便是以试验统计数据指导农业生产,达到高产、优质和高效,当然现代植物营养应该更注重环境友好,这部分本报告暂且不涉及。

2淋溶带走(垂直运动)

养分从土壤剖面向下移动,不同土壤差异很大,主要决定于气候,土壤类型和土壤中易溶态养分含量。

同样淋溶损失也以模拟实验为指导,了解淋溶情况才能寻找到一个植物生长平衡点,但毕竟是损失了,浪费了,现阶段如果能够迅速研究出易以普及的减少淋溶损失措施方法,也是很有意义的。

当然一味讲研究出新的方法很难,我们从淋溶原理(或者说模型)来了解它,然后我们能找出突破点。

 3淋溶以外随水运动流失(水平运动)

自然界的水是循环运动的,养分溶于水中才可以被利用,所以水一运动,养分就也运动起来,而能量则决定了水的运动状况,即水动力学上的“土水势”,包括:重力势、压力势、基质势、溶质势、温度势等等。

4、随气运动流失

在土壤表层与空气接触面,总发生水的吸收-蒸发,将会有一个类似于溶液表面水气界面平衡的一种平衡,水分将损失,那么饱和溶解在土壤中的养分将析出或被固定,养分有效性降低;另外某些养分发生氧化还原反应而转变为气态形式,这部分将损失。

5、养分无效性形态流失

在土壤中,因为土壤其本身是一个极其复杂的介质,表现了其物理化学生物的一种综合属性,我们把这种属性称为土壤肥力,土壤肥力随环境变化,有时空差异。利用气象数据,水文数据和土壤数据,套用适合的模型,可以计算出这部分有效形态的量。但是模型自身的理论存在着很大的漏洞,难于运用这个复杂的土壤系统中。计算结果和实际结果相差很大,因此如何改进模型,科学家们在不断探索。
  综上所述,养分流失理论上分为以上五部分,但是这五部分存在着量的差异,总流失量决定于1和2,在坡耕地等地形复杂的地区,3也占大的比例,4和5都和土壤物理化学生物性质有关。所以对于不同情况的下的土壤应该采用适应的估算方法对土壤补充养分。
   
 
热力学是研究物质系统能量变化趋势的科学,如养分循环图上的同时有能量的循环,而此图中其实是不全面的,能量也存在着输入与输出。而物质和能量的流动循环是相辅相成的,各自无法独立的,所以我觉得无论是土壤水分热力学还是土壤溶液热力学都应该加大热度进行研究,而到目前为止,国内外土壤热力学方面的研究少之又少。





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