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　　農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)是地學(xué)和農(nóng)學(xué)相結(jié)合的橋梁

地學(xué)和農(nóng)學(xué)從學(xué)科及服務(wù)領(lǐng)域都是不同的，但它們都以地球表層為研究對(duì)象。按科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，要求多學(xué)科交叉，因?yàn)閷W(xué)科交叉本身就是一種科技創(chuàng)新，但是它們必須有可以交叉的空間，能夠相互切入，融合一體構(gòu)造新的學(xué)科，又能促進(jìn)各自的深化和拓寬服務(wù)領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)就是以土壤研究為主要切入點(diǎn)的農(nóng)學(xué)與地學(xué)的交叉，是地學(xué)和農(nóng)學(xué)相結(jié)合的橋梁。下面將從三個(gè)方面論述之。

（一）土壤質(zhì)地

1.概念

土壤質(zhì)地是根據(jù)其機(jī)械組成劃分的土壤類型，有人主張“土壤機(jī)械組成就是土壤質(zhì)地”。土壤質(zhì)地的類別和特點(diǎn)，主要繼承了成土母巖母質(zhì)的類別和特點(diǎn)，又受自然的及人為的耕作、施肥、排灌、土地平整等成土作用的影響。故土壤質(zhì)地是土壤的一種穩(wěn)定的自然屬性，反映了母質(zhì)來(lái)源和成土過(guò)程的某些特征。因而常被作為土壤分類系統(tǒng)中基層分類依據(jù)之一，在制定土壤利用規(guī)劃、土壤改良和管理時(shí)，必須考慮土壤質(zhì)地特點(diǎn)。

2.不同質(zhì)地土壤的肥力特點(diǎn)

按土壤的質(zhì)地土壤一般分為砂土、壤地、粘土三種類型，它們的肥力等基本性質(zhì)不同，因而在作物種植、管理和工程施工上就有很大差別。

（1）砂質(zhì)土

以砂土為代表，也包括缺少粘粒的其他輕質(zhì)土壤（粗骨土、砂壤），它們都有一個(gè)松散的土壤固相骨架，砂粒很多而粘粒很少，粒間孔隙大，降水和灌溉水容易輸入，內(nèi)部排水快，但蓄水量少而蒸發(fā)失水強(qiáng)烈，水汽由大孔隙擴(kuò)散至土表而丟失。砂質(zhì)土的毛細(xì)管較粗，毛細(xì)管水上升高度小，如地下水位較低，則不能依靠地下水通過(guò)毛細(xì)管上升作用來(lái)回潤(rùn)表土，所以抗旱力弱。只有在河灘地上，地下水位接近土表，砂質(zhì)土才不致受旱。因此，砂質(zhì)土在利用管理上要注意選擇種植耐旱品種，保證水源供應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行小定額灌溉，要防止漏水漏肥，采用土表覆蓋以減少土表水分蒸發(fā)。

砂質(zhì)土的養(yǎng)分少，又因缺少粘粒和有機(jī)質(zhì)而保肥性弱，人畜糞尿和硫酸銨等速效肥料易隨雨水和灌溉水流失。砂質(zhì)土上施用速效肥料往往肥效猛而不穩(wěn)長(zhǎng)，前勁大而后勁不足，農(nóng)民稱為“少施肥、一把草，多施肥、立即倒”。所以，砂質(zhì)土上要強(qiáng)調(diào)增施有機(jī)肥，適時(shí)施追肥，并掌握勤澆薄施的原則。

砂質(zhì)土含水少，熱容量比粘質(zhì)土小，白天接受太陽(yáng)輻射而增溫快，夜間散熱而降溫也快，因而晝夜溫差大，對(duì)塊莖、塊根作用的生長(zhǎng)有利。早春時(shí)砂質(zhì)土的溫度上升較快，稱為“暖土”，在晚秋和冬季，一遇寒潮則砂質(zhì)土的溫度就迅速下降。

由于砂質(zhì)土的通氣好，好氣微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，有機(jī)質(zhì)迅速分散并釋放出養(yǎng)分，使農(nóng)作物早發(fā)，但有機(jī)質(zhì)累積難而其含量常較低。

砂質(zhì)土體雖松散，但有的（如細(xì)砂壤和粗粉質(zhì)砂壤）在泡水耕耙后易結(jié)板閉結(jié)，農(nóng)民稱為“閉砂”。因?yàn)檫@些土壤中細(xì)砂粒和粗粉粒含量特別高，粘粒和有機(jī)質(zhì)很少，不能粘結(jié)成微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體，大小均勻而較粗的單粒在水中迅速沉降并排列整齊緊密，呈現(xiàn)汀漿板結(jié)性。這種質(zhì)地的水田在插秧時(shí)要邊耘邊插，混水插秧，但因土粒沉實(shí)，稻苗發(fā)棵難、分蘗少。

（2）粘質(zhì)土

包括粘土和粘壤（重壤）等質(zhì)地粘重的土壤，而其中以重粘土和鈉質(zhì)粘土（堿化粘土、堿土）的粘韌性表現(xiàn)最為明顯。此類土壤的細(xì)粒（尤其是粘粒）含量最高而粗粒（砂粒、粗粉粒）含量極少，常呈緊實(shí)粘結(jié)的固相骨架。粒間孔隙數(shù)目比砂質(zhì)土多但甚為狹小，有大量非活性孔（被束縛水占據(jù)的）阻止毛管水移動(dòng)，雨水和灌溉水難以下滲而排水困難，易在犁底層或粘粒積聚層形成上層滯水，影響植物根系下伸。所以，采用深溝、密溝、高畦，或通過(guò)深耕和開(kāi)深線溝破壞緊實(shí)的心土層以及采用暗管和暗溝排水管，以避免或減輕澇害。

粘質(zhì)土含礦質(zhì)養(yǎng)分（尤其是鉀、鈣等鹽基離子）豐富，而且有機(jī)質(zhì)含量較高。它們對(duì)帶正電荷的離子態(tài)養(yǎng)分（如

）有強(qiáng)大的吸附能力，使其不致被雨水和灌溉水淋洗損失。農(nóng)民群眾說(shuō)“大糞不過(guò)丘，清水淌肥田”，正是說(shuō)明粘質(zhì)土的這一特性。

粘質(zhì)土的孔細(xì)而往往為水占據(jù)，通氣不暢，好氣性微生物活動(dòng)受到抑制，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，腐殖質(zhì)與粘粒結(jié)合緊密而難以分解，因而容易積累。所以，粘質(zhì)土的保肥能力強(qiáng)，氮素等養(yǎng)分含量比砂質(zhì)土中要多得多，但“死水”（植物不能利用的束縛水）容積和難效養(yǎng)分也多。

粘質(zhì)土蓄水多，熱容量大，晝夜溫度變幅較小。在早春，水分飽和的粘質(zhì)土（尤其是有機(jī)質(zhì)含量高的粘質(zhì)土），土溫上升慢，農(nóng)民稱之為“冷土”。反之，在受短期寒潮侵襲時(shí)，粘質(zhì)土降溫也較慢，作物受凍害較輕。

缺少有機(jī)質(zhì)的粘土，往往粘結(jié)成大土塊，俗稱大泥土，其中有機(jī)質(zhì)特別缺乏者，稱死泥土。這種土壤的耕性特別差，干時(shí)硬結(jié)，濕時(shí)泥濘，對(duì)肥料的反應(yīng)呆滯，即所謂“少施不應(yīng)，多施勿靈”。粘質(zhì)土的犁耕阻力大，所以也叫“重土”，它干后龜裂，易損傷植物根系。對(duì)于這類土壤，要增施有機(jī)肥，注意排水，選擇在適宜含水量條件下精耕細(xì)作，以改善結(jié)構(gòu)性和耕性。

此外，由于粘土的濕脹干縮劇烈，常造成土地裂縫和建筑物倒塌。

（3）壤質(zhì)土

它兼有砂質(zhì)土和粘質(zhì)土之優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的土壤，其耕性優(yōu)良，適種的作物種類多。不過(guò)，以粗粉粒占優(yōu)勢(shì)（60%～80%以上）而又缺乏有機(jī)質(zhì)的壤質(zhì)土，即粗粉壤，汀板性強(qiáng)，不利于幼苗扎根和發(fā)育。

3.控制不同質(zhì)地土壤的主要因素

（1）組成土壤土粒的粗細(xì)決定土壤質(zhì)地

如前所述，土壤的機(jī)械組成就是土壤質(zhì)地，這里的“機(jī)械”是指構(gòu)成土壤固相骨架的基本顆粒即土粒。據(jù)此可以認(rèn)為土壤質(zhì)地就是粗細(xì)不一的土粒組構(gòu)。因此農(nóng)學(xué)對(duì)土壤的土粒很重視，按其粗細(xì)對(duì)土粒的粒徑進(jìn)行了分級(jí)，建立了土壤的粒級(jí)制（表2-2）。

表2-2 常見(jiàn)的土壤粒級(jí)制此表引自：黃昌勇，2001，土壤學(xué)，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社。

土壤質(zhì)地就是按粒級(jí)劃分出砂土、壤土、粘土三個(gè)類型（表2-3）。

（2）土粒粗細(xì)（粒級(jí)）由組成的礦物控制

組成土粒的礦物分原生和次生兩類。原生礦物質(zhì)直接來(lái)源于母巖，其中巖漿巖類是其主要來(lái)源，其次為變質(zhì)巖類；次生礦物是在巖石風(fēng)化過(guò)程和成土過(guò)程中由原生礦物分解轉(zhuǎn)化而成的。如鋁硅酸鹽類巖石的原生礦物風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊V物如圖2-2所示。

由于兩類礦物來(lái)源的差異，在土壤土粒中顆粒大小也就有差異，一般是原生礦物主要存在粗粒級(jí)土粒中，次生礦物主要存在于細(xì)粒級(jí)土粒中。1986年殷細(xì)寬對(duì)華南的成土母巖為花崗巖的紅壤的礦物組成的研究表明，粗粒級(jí)者多為原生礦物，細(xì)粒級(jí)者則多為次生礦物（表2-4）。

表2-3 中國(guó)土壤質(zhì)地分類此表來(lái)源同表2-2。

圖2-2 粘粒礦物一般的風(fēng)化順序

（3）土壤（粒）礦物與母質(zhì)母巖礦物有繼承性

原生礦物的主要種類有石英、長(zhǎng)石類、云母類、鐵鎂礦物類、碳酸鹽類和硫化物類，它們風(fēng)化后在土壤中的表現(xiàn)：

石英：只有物理風(fēng)化使其破碎，故是土壤中礫石和砂粒的主要組成礦物。

長(zhǎng)石類：各類長(zhǎng)石均易化學(xué)風(fēng)化，受二氧化碳及水的作用后正長(zhǎng)石就會(huì)形成以高嶺石為主的粘土礦物，斜長(zhǎng)石除形成高嶺石粘土礦物外，還可形成蒙脫石和埃洛石等粘土礦物；在某些條件下如干旱區(qū)，長(zhǎng)石類受物理風(fēng)化、崩解，在土壤中，特別在幼年期土壤中也可成為砂粒成分。

表2-4 我國(guó)華南幾種主要土壤中各粒組之礦物組成

云母類：黑云母易于風(fēng)化，在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中常被分解，在土壤中形成鐵的氧化物及粘土礦物；白云母較黑云母穩(wěn)定，常裂成薄碎片出現(xiàn)在土壤中，只是當(dāng)其處于強(qiáng)風(fēng)化時(shí)才變?yōu)樗颇?、高嶺石和其他簡(jiǎn)單物質(zhì)存在于土壤中。

鐵鎂礦物：易于化學(xué)風(fēng)化，風(fēng)化后鐵、鎂游離成為氧化物在土壤中留下紅棕色的氧化鐵痕跡，其他部分則在土壤中形成蛋白石與埃洛石等。

碳酸鹽類：是造巖礦物中最易溶解的礦物，尤其在生物活動(dòng)繁盛、水中含CO2較多的地方，可形成易溶的重碳酸鹽隨水移走，故在土壤中常被全部淋失；但是當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，CO2析出，重碳酸鹽又變?yōu)樘妓猁}沉淀在土壤中而形成“假菌絲體”的新生體和碳酸鹽結(jié)核。

硫化物：較易化學(xué)風(fēng)化，一般是通過(guò)氧化作物形成硫酸鹽和硫鹽，同時(shí)強(qiáng)烈降低土壤的pH值。

上述礦物通過(guò)化學(xué)風(fēng)化可在土壤中形成粘土礦物，常見(jiàn)的粘土礦物類如表2-5所列。

表2-5 我國(guó)土壤中常見(jiàn)的次生粘粒礦物[13]

在各類巖石中的原生礦物（也可稱造巖礦物）的種類、含量是不同的，當(dāng)其成為成土母巖受到風(fēng)化作用和成土作用形成土壤后，土壤（粒）的礦物對(duì)母質(zhì)母巖的礦物有繼承性。主要表現(xiàn)：一是土壤（粒）的砂粒礦物，如石英、長(zhǎng)石、白云母等自然來(lái)自母質(zhì)母巖；二是土壤（粒）的粘粒礦物為原生礦物次生變化而來(lái)，其種類和含量與母質(zhì)母巖的原生礦物種類和含量有關(guān)。因此土壤的粘粒礦物和母質(zhì)母巖的原生礦物也具有繼承性，只不過(guò)不像砂粒礦物那樣直接。

（二）土壤養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分是土壤化學(xué)組成中對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育形成產(chǎn)量所必需的那些元素，它是構(gòu)成土壤肥力的基本成分。土壤養(yǎng)分與其成土母質(zhì)母巖有直接和間接的繼承性。

土壤的原生礦物含有豐富的常量和微量元素（表2-6），它們是作物養(yǎng)分的重要來(lái)源，如原生礦物中含有豐富的Ca,Mg,K,Na,P,S等元素是供給作物和土壤中的微生物所需養(yǎng)分。前已述及，原生礦物來(lái)自成土母巖，成土母巖類型不同，所含原生礦物也就不同，因而土壤的養(yǎng)分就不同。這一點(diǎn)，土壤工作者的有關(guān)研究有充分的說(shuō)明，例如《湖南土壤》[4]一書在論述母巖對(duì)土壤化學(xué)組成時(shí)認(rèn)為“母巖的礦物組成不同，其風(fēng)化物發(fā)育而成的土壤在化學(xué)成分和礦質(zhì)養(yǎng)分的含量上有顯著差異”，指出湖南省主要的七大類成土母巖類型所形成的土壤在SiO2,Al2O3,Fe2O3,TiO2,MnO,CaO,MgO,Na2O,K2O,P2O5等有顯著差異。并由此得出結(jié)論：花崗巖發(fā)育的土壤Al,K含量較高，Si,Mg,Mn較低；淺變質(zhì)板頁(yè)巖類發(fā)育的土壤P,K較豐富；砂巖類發(fā)育的土壤Si含量豐富，紫紅色碎屑巖類發(fā)育的土壤礦質(zhì)養(yǎng)分含量一般；石灰?guī)r類發(fā)育的土壤P,K一般而富Mg，等等。

表2-6 土壤中主要的原生礦物組成

（三）微量元素科學(xué)的發(fā)育促進(jìn)了地學(xué)與農(nóng)學(xué)的結(jié)合

微量元素科學(xué)20世紀(jì)后期至21世紀(jì)初有了長(zhǎng)足發(fā)展，涉及了許多領(lǐng)域，其中關(guān)于巖石－土壤－生物的相關(guān)性即地學(xué)與農(nóng)學(xué)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)地質(zhì)研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面。

1.微量元素與生物的關(guān)系

1）為生物所需要的一切元素都包含在地球表面上的（巖石圈）92個(gè)天然元素中，即位于周期表前面的元素。就人體而言，周期表中前面的12個(gè)元素占其總重的99.954%[6],0.006%為微量元素，則是位于周期表靠后面的元素。微量元素對(duì)于生物的作用，如以它的營(yíng)養(yǎng)性和毒性來(lái)衡量，則在同一周期內(nèi)（同一族內(nèi)），自左至右（自上而下）其毒性隨著原子序數(shù)的增大而增大，營(yíng)養(yǎng)作用則隨其增大而減少。因此，元素對(duì)于生物的作用服從元素周期律[7]，而地殼中的元素分配與分布也服從元素周期律。

2）微量元素在生物體中所占比重雖然非常微小，但它在新陳代謝過(guò)程中對(duì)某些酶，蛋白質(zhì)和激素的構(gòu)成起著十分重要的作用，如鋅至少有80種酶的活性與它有關(guān)[8]。

3）微量元素的營(yíng)養(yǎng)學(xué)意義，就其重要性來(lái)說(shuō)，并不亞于蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素，特別是它不能像維生素等那樣能夠在體內(nèi)合成，因此它更是不能缺少的[8]。

4）作物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素在作物體內(nèi)不論數(shù)量多少，都是同等重要的，任何一種營(yíng)養(yǎng)微量元素的特殊功能都不能被其他元素所代替，這就是土壤學(xué)中的營(yíng)養(yǎng)元素的同等重要律和不可代替律。

5）微量元素對(duì)于生物的作用服從伯特蘭德最適營(yíng)養(yǎng)濃度定律。這條定律是由法國(guó)生物學(xué)家G.伯特蘭德（Bcrtrand）創(chuàng)立的，其內(nèi)容是“植物缺少某種必須的元素時(shí)就不能成活，當(dāng)元素適量時(shí)就能茁壯成長(zhǎng)，但過(guò)量時(shí)又是有毒的”。

20世紀(jì)70年代初，英國(guó)地球化學(xué)家埃利克?漢密爾頓（Eric.Hamilton）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組分析了幾乎所有東西的最常見(jiàn)的60個(gè)元素，分析精度達(dá)10-9～10-12g，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“地殼的元素豐度與任何一種人體組織中的元素豐度是相似的，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中比較了巖石與人體血液中各元素的豐度，除了原生質(zhì)中的主要成分碳、氫、氧、氮和巖石中主要成分硅外，兩種樣品中元素豐度的相關(guān)性是驚人的”（圖2-3）。

漢密爾頓的發(fā)現(xiàn)表明：第一，人體組織的元素組成與巖石的元素組成息息相關(guān)，前者受制于后者。第二，人體組織獲得元素是通過(guò)食物鏈，食物是大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)品及其加工而成，其元素的獲得過(guò)程有如李正積所總結(jié)的營(yíng)養(yǎng)元素動(dòng)態(tài)平衡模式所示，即“巖石是元素的天然供應(yīng)庫(kù)→衍生成土壤對(duì)母質(zhì)元素的繼承性→植物選擇性吸取元素生長(zhǎng)發(fā)育”。這個(gè)模式最重要之點(diǎn)是指出巖石是各類作物所需元素的天然供應(yīng)庫(kù)。這一點(diǎn)與前蘇聯(lián)學(xué)者B.B.得伯羅烏利斯基所指出的“對(duì)于地面植物來(lái)說(shuō)，分散元素的主要儲(chǔ)備基地是成土母巖”是一致的[10]。第三，根據(jù)元素動(dòng)態(tài)平衡模式，植物的元素是由巖石供給的，而巖石中的元素種類及其含量有差異，而此是決定于環(huán)境的地球化學(xué)條件的，在不同的地球化學(xué)環(huán)境中，元素及其組合是不同的，因而它供給的元素在其他條件相同的情況下，按伯特蘭德最適營(yíng)養(yǎng)濃度定律一般存在三種情況。第一種情況，在一些地區(qū)，能夠適量供給某些作物使其茁壯成長(zhǎng)而形成該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)作物；第二種情況是在另一些地區(qū)，元素的供應(yīng)不適量，使作物不能正常生長(zhǎng)而形成該區(qū)的劣勢(shì)作物；第三種情況則是在一些具有某些特殊元素或特殊的元素組合的地區(qū)，它能夠滿足某種作物的特殊需要而使作物具有獨(dú)特的風(fēng)味，即形成所謂名優(yōu)特產(chǎn)。第四，由于微量元素對(duì)于生物有如此重要的作用，因此近年來(lái)從醫(yī)學(xué)，營(yíng)養(yǎng)學(xué)（包括對(duì)動(dòng)物，植物）的角度出發(fā)，研制和生產(chǎn)了品種繁多的微量元素制劑，主要有微量元素藥劑、微量元素營(yíng)養(yǎng)劑、微量元素飼料添加劑、微量元素肥料等。其中微量元素肥料已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少。我國(guó)使用的微肥種類主要是銅、鉬、鋅、硼和稀土，它們的增產(chǎn)效應(yīng)都很顯著，如稀土微肥在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)施用其增產(chǎn)幅度和經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

圖2-3 人體血液和地殼中元素含量的相關(guān)性[9]

按上述各點(diǎn)，微量元素科學(xué)已經(jīng)涉及許多領(lǐng)域，特別在生命科學(xué)中，微量元素已成為人體的必需。這些微量元素，經(jīng)過(guò)了由巖石到土壤到植物及食物鏈構(gòu)成的循環(huán)，因而微量元素科學(xué)的發(fā)展會(huì)促進(jìn)它們之間的結(jié)合，首先是巖石與土壤的結(jié)合。

2.影響土壤微量元素的第一位因子是母質(zhì)母巖

湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心湖南土壤背景研項(xiàng)目在全省21.8萬(wàn)km2面積上采集土壤樣、巖石樣，共獲有效數(shù)據(jù)21300個(gè)，以其分析土壤微量元素影響因子的重要性時(shí)，大多數(shù)微量元素是母巖母質(zhì)為第一位（表2-7）。

表2-7 湖南土壤微量元素影響因子重要性順序表

（四）農(nóng)業(yè)化學(xué)和地球化學(xué)[5]

1.基本概念

（1）農(nóng)業(yè)化學(xué)

農(nóng)業(yè)化學(xué)誕生于19世紀(jì)40年代，是研究植物營(yíng)養(yǎng)、土壤養(yǎng)分、肥料性質(zhì)及其合理施用的理論和技術(shù)的科學(xué)。

“植物營(yíng)養(yǎng)”是指植物在生長(zhǎng)發(fā)育和形成產(chǎn)量的過(guò)程中，必須從環(huán)境中吸取的礦質(zhì)元素。礦質(zhì)元素分為常量元素（C,H,O,N,P,K,Ca,Mg,S）和微量元素（Fe,B,Mn,Zn,Mo,Cu,Cl等），它們對(duì)植物的營(yíng)養(yǎng)作用主要在三個(gè)方面：一是在代謝過(guò)程中轉(zhuǎn)化為植物體內(nèi)結(jié)構(gòu)并構(gòu)成其重要化合物的組分；二是參與生化反應(yīng)和能量代謝；三是在生化過(guò)程中起緩沖和調(diào)節(jié)作用。以上對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的觀點(diǎn)稱之為“植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)說(shuō)”。這之前一種廣為流傳的觀點(diǎn)是腐殖質(zhì)為植物唯一營(yíng)養(yǎng)給源；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為水是植物唯一的營(yíng)養(yǎng)要素；還有一種觀點(diǎn)則認(rèn)為鹽分是一切作物生活和生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。這些觀點(diǎn)是在當(dāng)時(shí)化學(xué)分析方法很不完善，測(cè)試技術(shù)精度很不高的情況下得出的，是片面的甚至是荒謬的?！爸参锏V質(zhì)營(yíng)養(yǎng)說(shuō)”的創(chuàng)立者是德國(guó)化學(xué)家、農(nóng)業(yè)化學(xué)家、當(dāng)代農(nóng)業(yè)化學(xué)奠基人李比希（Justus Von Liebig,1803～1873），他通過(guò)大量的化學(xué)分析，指出能為植物吸收的養(yǎng)分是礦物質(zhì)，在當(dāng)時(shí)即稱為“植物礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”；進(jìn)一步的研究得出不斷栽培作物，土壤中礦物質(zhì)養(yǎng)分勢(shì)必被消耗，如不把作物從土壤中攝取的那些養(yǎng)分歸還給土壤，則土壤會(huì)變得貧瘠，這一論點(diǎn)被稱之為“養(yǎng)分歸還說(shuō)”；李比希繼礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)說(shuō)和養(yǎng)分歸還說(shuō)之后還創(chuàng)立了“最小養(yǎng)分律”。他指出，在作物生長(zhǎng)所需各種礦質(zhì)養(yǎng)分中，如有一個(gè)礦質(zhì)養(yǎng)分含量最少，即使其他礦質(zhì)養(yǎng)分雖然很豐富，也難以提高作物的產(chǎn)量，亦即作物產(chǎn)量受最小養(yǎng)分的限制。

“土壤養(yǎng)分”是指土壤中所含的植物所需的礦質(zhì)元素。礦質(zhì)元素在土壤中的含量稱全量，全量只反映土壤對(duì)植物養(yǎng)分的供應(yīng)潛力，而不是實(shí)際的供應(yīng)水平。實(shí)際供應(yīng)水平?jīng)Q定于礦質(zhì)元素的形態(tài)，其形態(tài)可分四類：第一類為自由態(tài)，是可以溶解在土壤水溶液中的離子，稱水溶態(tài)養(yǎng)分；第二類是弱結(jié)合態(tài)，是吸附于土壤顆粒表面，通過(guò)解吸可與自由態(tài)養(yǎng)分處于平衡狀態(tài)，稱可交換態(tài)養(yǎng)分；第三類為易活化的結(jié)合態(tài)，稱易活化態(tài)養(yǎng)分；第四類為難活化的結(jié)合態(tài)養(yǎng)分。以上四類養(yǎng)分，第一類和第二類為有效養(yǎng)分，第三類為中等有效性養(yǎng)分，第四類為土壤儲(chǔ)備養(yǎng)分。

“肥料”是用以調(diào)節(jié)植物與土壤間養(yǎng)分供需矛盾，為植物生長(zhǎng)提供良好營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的物料。肥料一般分為直接肥料和間接肥料，直接肥料是含有植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)植物具有直接營(yíng)養(yǎng)作用的一類肥料；間接肥料系用以調(diào)節(jié)土壤酸堿度、改良土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤理化性質(zhì)為主要功效的肥料。

“肥料合理施用”是指能夠適度提高土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素以保障作物所需養(yǎng)分，是建立在作物營(yíng)養(yǎng)診斷基礎(chǔ)之上的。作物營(yíng)養(yǎng)診斷是通過(guò)研究作物的形態(tài)、生理、生化等的變化，用以判斷作物的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。作物的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)可以分為缺乏、適宜和毒害三個(gè)范圍。缺乏范圍是指營(yíng)養(yǎng)元素含量達(dá)到臨界濃度之前，作物產(chǎn)量隨元素補(bǔ)給而上升的范圍；適宜范圍是指作物產(chǎn)量不隨營(yíng)養(yǎng)元素含量提高而上升；毒害范圍是營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)剩，使作物生長(zhǎng)受阻，產(chǎn)量下降，甚至死亡。因此，根據(jù)作物診斷結(jié)果對(duì)缺乏范圍應(yīng)適宜施以直接肥料，對(duì)毒害范圍應(yīng)施以間接肥料降低元素的毒害作用。

綜上所述，農(nóng)業(yè)化學(xué)研究?jī)?nèi)容主要是植物營(yíng)養(yǎng)、土壤養(yǎng)分、肥料和作物營(yíng)養(yǎng)診斷。在現(xiàn)階段還提出了對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)遺傳學(xué)的研究，即是將植物營(yíng)養(yǎng)生理、生物技術(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)緊密結(jié)合在一起，使植物營(yíng)養(yǎng)遺傳學(xué)水平，由不同基因型營(yíng)養(yǎng)特性差異的比較提高到分子生物學(xué)水平，為耐營(yíng)養(yǎng)脅迫和耐逆境土壤的植物種類的栽培，即充分利用土壤的宜種性提供依據(jù)。

（2）地球化學(xué)

地球化學(xué)是研究地殼的化學(xué)成分和元素在其中的分布、分配、集中、分散、共生組合、遷移規(guī)律和演化歷史的科學(xué)，特別強(qiáng)調(diào)元素的遷移集散。以農(nóng)業(yè)（植物為主體）為目的的地球化學(xué)主要是表生作用地球化學(xué)，即風(fēng)化帶和土壤的地球化學(xué)，也就是元素在風(fēng)化帶和土壤中的遷移集散。風(fēng)化帶是指地殼巖石在風(fēng)化過(guò)程中，活動(dòng)組分被淋溶遷出后殘留在原處的且被逐漸富集起來(lái)的穩(wěn)定組分。土壤是風(fēng)化帶經(jīng)過(guò)成土作用逐漸發(fā)育起來(lái)的產(chǎn)物。一般將風(fēng)化帶稱成土母質(zhì)，而緊靠其下未風(fēng)化的基巖稱成土母巖，但如果風(fēng)化物經(jīng)遷移在異地沉積或淤積，則其沉積物或淤積物也可經(jīng)成土作用形成土壤，那么沉積物或淤積物就是成土母質(zhì)，其下的基巖就不是成土母巖。例如第四紀(jì)更新統(tǒng)紅土是第四紀(jì)紅壤的成土母質(zhì)；第四紀(jì)全新統(tǒng)河、湖沖積物是第四紀(jì)潮土的成土母質(zhì)。

按以上敘述，表生帶是由土壤、風(fēng)化帶和基巖（有或無(wú)）組成的，自上而下分為：

湖南農(nóng)業(yè)地質(zhì)及其應(yīng)用

風(fēng)化帶――C層（土壤母質(zhì)層）土壤物質(zhì)的來(lái)源層。

基層――D層（土壤母巖層）土壤物質(zhì)的原始來(lái)源層。

在風(fēng)化和成土過(guò)程中，按地球化學(xué)原理，元素的遷移集散主要影響因素是巖石礦物本身的耐風(fēng)化性、氣候及地形條件，再就是生命活動(dòng)。對(duì)以農(nóng)業(yè)為目的的地球化學(xué)研究，必須強(qiáng)調(diào)生命活動(dòng)對(duì)元素遷移集散的作用，它主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是生命體（植物）對(duì)元素的吸收，早在20世紀(jì)初，B.N.維爾納茨基就發(fā)現(xiàn)50～60種元素被植物吸收存在于生命物質(zhì)中，到現(xiàn)在，通過(guò)研究，組成生命物質(zhì)的元素已達(dá)70余種；二是植物吸取元素有強(qiáng)烈的選擇性；三是植物的生命活動(dòng)產(chǎn)生CO2、O2、NH3、H2O和腐殖質(zhì)影響土壤環(huán)境的物理化學(xué)條件，進(jìn)而影響元素的遷移集散。例如腐殖質(zhì)的胡敏酸和富里酸可以形成pH 值為3～4，甚至更低的水溶液，致使許多金屬元素在這種酸性介質(zhì)中活化進(jìn)人土壤水溶液中。又如腐殖質(zhì)在地表常呈膠體狀態(tài)且一般帶負(fù)電荷，因而吸附金屬陽(yáng)離子；同時(shí)所有金屬離子都能與腐殖質(zhì)形成螯合物。膠體的吸附和螯合物能使金屬離子固定在土壤中，從而降低了金屬離子的活性。

2.農(nóng)業(yè)化學(xué)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)地球化學(xué)過(guò)程

農(nóng)業(yè)化學(xué)作為一門學(xué)科的誕生就是植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)說(shuō)的提出，植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)就是指植物所需要的元素。農(nóng)業(yè)化學(xué)對(duì)所需元素的研究，包括對(duì)它的來(lái)源、含量、分布和可給性等方面的研究。指出其來(lái)源主要是成土母巖和成土母質(zhì)，并由此決定了在土壤中的初始含量。經(jīng)過(guò)風(fēng)化和成土作用，對(duì)初始含量、結(jié)合特性、在剖面中的分布會(huì)有所改變，這一改變實(shí)質(zhì)上就是元素遷移、集散的地球化學(xué)過(guò)程。

農(nóng)業(yè)化學(xué)按土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素含量對(duì)植物的缺乏、適宜和過(guò)剩以研究其肥料施用品種及其合理施用量，是一種人為作用土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的遷移集散，實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)地球化學(xué)過(guò)程。

農(nóng)業(yè)化學(xué)目前強(qiáng)調(diào)對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)遺傳學(xué)的研究并作為該學(xué)科研究發(fā)展方向，就是通過(guò)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的選擇性吸收來(lái)了解其“吸取養(yǎng)分的顯著基因型差異”和“抗逆境條件的生理反應(yīng)存在極大基因型差異”，以合理開(kāi)發(fā)土壤資源，按作物的土宜性（宜種性）提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，其研究重點(diǎn)或突破點(diǎn)仍然是以土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素為主，故其實(shí)質(zhì)也仍然是一個(gè)地球化學(xué)過(guò)程。

綜上所述，在農(nóng)業(yè)化學(xué)中的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的變化過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)表生地球化學(xué)過(guò)程。因此，應(yīng)當(dāng)吸取地球化學(xué)學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地球化學(xué)特別是表生作用地球化學(xué)進(jìn)行研究，從而使農(nóng)業(yè)化學(xué)研究更加深入，上升到一個(gè)新的高度。

3.以農(nóng)業(yè)為目的地球化學(xué)研究的理論基礎(chǔ)是農(nóng)業(yè)化學(xué)

農(nóng)業(yè)化學(xué)的經(jīng)典理論“礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)說(shuō)”、“養(yǎng)分歸還說(shuō)”、“最少養(yǎng)分律”、“植物營(yíng)養(yǎng)遺傳”等是用以闡明礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素在成土母質(zhì)（母巖）―土壤―作物的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和形成產(chǎn)量和質(zhì)量的意義，它的最終目的是落實(shí)在作物的產(chǎn)量和質(zhì)量上。前已述及礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素在成土母質(zhì)（母巖）―土壤―作物的轉(zhuǎn)變過(guò)程實(shí)質(zhì)上是元素遷移集散的表生地球化學(xué)過(guò)程，因而農(nóng)業(yè)化學(xué)應(yīng)引進(jìn)地球化學(xué)，主要又是表生地球化學(xué)。如此，按農(nóng)業(yè)化學(xué)進(jìn)行的地球化學(xué)研究與以往的地球化學(xué)研究有什么不同呢？以往的地球化學(xué)，包括表生地球化學(xué)主要對(duì)各類地質(zhì)體的元素分配分布的研究，是以礦產(chǎn)為目的的，如果涉及了對(duì)植物的研究，那么也只強(qiáng)調(diào)它作為一種生命活動(dòng)對(duì)元素分布分配的影響，而不考慮對(duì)植（作）物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響?，F(xiàn)在將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，也要以植（作）物產(chǎn)量和質(zhì)量為目的，那么就要與農(nóng)業(yè)化學(xué)相結(jié)合，要以其經(jīng)典理論為基礎(chǔ)來(lái)論述表生地球化學(xué)過(guò)程，只有這樣服務(wù)于農(nóng)業(yè)才能有的放矢、具有實(shí)用價(jià)值，并能為農(nóng)業(yè)部門所認(rèn)同。

綜上所述，土壤質(zhì)地決定了土壤的肥力特點(diǎn)；土壤質(zhì)地又決定于由其構(gòu)成的不同粒徑的土粒；土粒則是大小不一的礦物顆粒組成，其中原生礦物一般較粗成為土壤中的主要砂粒，由原生礦物衍變成的次生礦物成為土壤中的粘粒；原生礦物來(lái)源于巖石即成母巖，故成土母巖類型不同，原生礦物種類及含量就不同，以致使土壤質(zhì)地不同；土壤養(yǎng)分也受巖石即成土母巖的影響，特別是土壤微量元素的影響因子第一位的是母巖母質(zhì)，故成土母巖不同，土壤養(yǎng)分也就有差異。因此土壤的質(zhì)地和養(yǎng)分都受巖石即成土母巖的影響，它們之間有直接和間接的繼承關(guān)系。

巖石的礦物和化學(xué)組成是地學(xué)的巖礦學(xué)、地球化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，由巖石風(fēng)化到形成土壤是表生地球化學(xué)研究?jī)?nèi)容。作為地學(xué)原有領(lǐng)域講其目的是為找礦服務(wù)，從而積累了非常豐富的系統(tǒng)的且時(shí)常更新的資料，特別是近年來(lái)開(kāi)展的多目標(biāo)國(guó)土資源大調(diào)查，針對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境有目的地做了大量工作。

土壤的礦物和化學(xué)組成即養(yǎng)分和質(zhì)地是農(nóng)學(xué)的土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)化學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，雖然對(duì)母巖也進(jìn)行研究，但只是一般性的了解，有關(guān)這方面的內(nèi)容多是引述地學(xué)的基礎(chǔ)資料。

從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)出發(fā)，引進(jìn)地學(xué)理論和應(yīng)用豐富的地質(zhì)資料，土壤學(xué)是首當(dāng)其沖的重要內(nèi)容，實(shí)際上只有這樣，土壤學(xué)才能注入活力得以發(fā)展；同時(shí)地學(xué)也只有將其有關(guān)理論和資料，應(yīng)用于涉及地球表層的其他學(xué)科如土壤學(xué)，也才能增加活力，拓寬服務(wù)領(lǐng)域，才能走出單一的為找礦服務(wù)而全方位地為社會(huì)服務(wù)。故而地學(xué)主動(dòng)服務(wù)于農(nóng)學(xué)，將其豐富的地質(zhì)資料為土壤學(xué)所認(rèn)同并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中予以實(shí)踐，地學(xué)才會(huì)發(fā)展。因此地學(xué)與農(nóng)學(xué)的結(jié)合使農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)就架構(gòu)地學(xué)與農(nóng)學(xué)相結(jié)合的橋梁，如圖2-4所示；這種橋梁作用也可以土壤圈的構(gòu)成得到說(shuō)明。土壤圈是在土壤形成因素說(shuō)及土壤地帶性學(xué)說(shuō)提出后，明確土壤是一個(gè)獨(dú)立的歷史自然體的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，趙其國(guó)院士提出“土壤是巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈相互作用的產(chǎn)物（圖2-5）；土壤圈內(nèi)各種土壤類型、特征和性質(zhì)，都是過(guò)去和現(xiàn)在的巖石、大氣、水及生物相互作用的記錄與反映；土壤圈與巖石圈的礦質(zhì)元素循環(huán)表現(xiàn)為以巖石為基礎(chǔ)的成土過(guò)程或地質(zhì)過(guò)程元素的遷移和物質(zhì)循環(huán)（圖2-6）”。顯然，土壤圈是農(nóng)學(xué)研究主要對(duì)象，巖石圈則是地學(xué)研究主要對(duì)象?，F(xiàn)代農(nóng)學(xué)（土壤學(xué)）和現(xiàn)代地學(xué)的發(fā)展需要共同地并同等重要地研究這兩個(gè)圈，這是農(nóng)業(yè)地質(zhì)的主要任務(wù)之一，由此也足可說(shuō)明農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)是架構(gòu)地學(xué)與農(nóng)學(xué)的橋梁。

圖2-4 農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)是地學(xué)與農(nóng)學(xué)結(jié)合的橋梁

圖2-5 土壤圈的地位

圖2-6 土壤圈的內(nèi)涵