2.1 生态农田养分来源
农田中金属类矿质元素养分最初来源于土壤，而土壤来自岩石风化；非金属元素中碳和氮来源于大气，碳来自绿色植物的光合作用，氮来自雷电氮合成作用及微生物的生物固氮作用。如果土壤足够健康，尤其土壤生物多样性丰富，那些固氮、解钾、解磷的微生物发挥重要的作用，是能够满足作物养分需求的，不需要人类化学合成肥料，这样大部分环境污染可从源头得到控制。一些在沼泽地或者森林地新开垦的耕地基本不使用化肥或有机肥，也能有较高的产量，就是利用了大自然储存的有效营养元素的缘故。
土壤是各类成土因素综合作用下的产物，不同地区形成相应的土壤类型。土壤在地理位置上的分布，既与生物气候条件相适应，表现为广域的水平分布规律和垂直分布规律；又与地方性的母质、地形、水文、地质和成土时间等因素相适应，表现为微域分布规律；同时，在耕种、灌溉等人为条件下形成不同类型的土壤。土壤纬向地带性在我国表现为：在东部形成湿润海洋性地带谱，由北向南依次分布着暗棕壤、棕壤、黄棕壤、红壤、黄壤、砖红壤。土壤经向地带性在我国由沿海到内陆表现为：干旱内陆性地带谱，由东向西依次分布着黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰钙土、荒漠土。在这两个土壤地带谱之间，自东北向西南则形成一个过渡性地带谱，顺序分布着黑土、黑钙土、栗钙土、褐土、黑垆土（史学正 等，2007）。
土壤结构是指土壤固相颗粒的排列形式、孔隙度及团聚体的大小、多少和稳定的程度等物理构成。这些都能影响土壤中固体、液体、气体三相的比例，从而影响土壤供应水分、养分的能力，以及通气和热量状况。土壤结构可分为微团粒结构（直径小于 0.25 毫米）、团粒结构（0.25～10 毫米）、块状结构、核状结构、柱状结构和片状结构6 种，其中以团粒结构最为重要（熊顺贵，2001）。团粒结构是土壤中的腐殖质把矿质土粒相互黏结成 0.25～10 毫米的小团块，具有泡水不散的水稳定性特点，常被称为水稳定性团粒（李勇，2013）。无结构和结构不良的土壤，土体坚实，通气透水性差，植物根系发育不良，土壤微生物和土壤动物的活动也受限制。
植物正常生长发育需要量或含量较大的必需营养元素为大量元素，在正常生长条件下，这些元素的单体含量占植物干物质质量的1%以上。磷素除外，一般为 0.2%～1%，超过 1%可能会出现磷中毒现象。碳、氢、氧主要来自空气和水，是植物有机体的主要成分，三者占植物干物质总质量的90%以上，是植物中含量最多的几种元素。它们可形成多种多样的碳水化合物，在植物中所起的作用往往不能分割，如木质素、纤维素、半纤维素和果胶质等。这些物质是细胞壁的主要组成成分。植物光合作用的产物糖是由碳、氢、氧构成的，而糖是植物呼吸作用和体内一系列代谢作用的基础物质，同时也是代谢作用所需能量的原料。碳水化合物不仅构成植物永久的骨架，还是植物临时储存的食物，并积极参与体内的各种代谢活动。氢和氧在植物体内的生物氧化还原过程中也起着很重要的作用。一般地，碳、氢、氧、氮、磷、钾、硫、镁、钙这 9 种元素，因其植物需要量相对较大，研究者将之称为大量元素；而铁、氯、锰、锌、硼、铜、钼、镍这8 种元素植物需要量极微，稍多即会发生毒害，故称为微量元素。上述 17 种元素为植物生长的必需元素（李合生，2012）。
植物从土壤中吸收的矿质元素来源于矿物质和有机物质的矿物分解过程。植物对元素的需求量有最适范围，缺少和过多均属于胁迫。需要指出的是，植物需求的不仅是某种元素绝对量，还在于各种元素的相对关系，即比例。具有合适的比例时，植物的生长发育最好，反之有害。植物通常有主动吸收离子的能力，会选择性的吸收、富集或者逆浓度梯度吸收离子在具有不同元素含量的土壤中分布着不同植物。如果某些元素含量异常高，生长有特殊植物，就可将其作为指示植物（蒋高明，2004）。
在讲到生态农田的养分来源时，必须指出有机质的重要性。有机质包括非腐殖质和腐殖质两大类。非腐殖质是动植物的死组织和部分分解组织。腐殖质是土壤微生物分解有机质时，重新合成的具有相对稳定性的多聚体化合物，腐殖质可占有机质的80%～90%。在生态农田中，土壤有机质对植物十分重要，因为它是植物矿质营养的重要来源，并可增加元素的有效性；土壤有机质还可改善土壤物理、化学性质，促使团粒结构形成，调节土壤水、气、热条件；促进植物的生长和养分吸收（Guo et al.，2016）。本团队经过 10 年的连续观察，当不使用化肥、农药、除草剂和地膜，保护合理的土壤结构，土壤有机质达到5%时，即使一两年不施肥，其周年产量依然能够保持在吨粮的水平，即小麦和玉米周年亩产量为1 000 千克以上（Liu et al.，2016）。可见，有机质含量高是生态农田的重要指标之一。
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