2.1 生態農田養分來源
農田中金屬類礦質元素養分最初來源于土壤，而土壤來自巖石風化；非金屬元素中碳和氮來源于大氣，碳來自綠色植物的光合作用，氮來自雷電氮合成作用及微生物的生物固氮作用。如果土壤足夠健康，尤其土壤生物多樣性豐富，那些固氮、解鉀、解磷的微生物發揮重要的作用，是能夠滿足作物養分需求的，不需要人類化學合成肥料，這樣大部分環境污染可從源頭得到控制。一些在沼澤地或者森林地新開墾的耕地基本不使用化肥或有機肥，也能有較高的產量，就是利用了大自然儲存的有效營養元素的緣故。
土壤是各類成土因素綜合作用下的產物，不同地區形成相應的土壤類型。土壤在地理位置上的分布，既與生物氣候條件相適應，表現為廣域的水平分布規律和垂直分布規律；又與地方性的母質、地形、水文、地質和成土時間等因素相適應，表現為微域分布規律；同時，在耕種、灌溉等人為條件下形成不同類型的土壤。土壤緯向地帶性在我國表現為：在東部形成濕潤海洋性地帶譜，由北向南依次分布著暗棕壤、棕壤、黃棕壤、紅壤、黃壤、磚紅壤。土壤經向地帶性在我國由沿海到內陸表現為：干旱內陸性地帶譜，由東向西依次分布著黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土、荒漠土。在這兩個土壤地帶譜之間，自東北向西南則形成一個過渡性地帶譜，順序分布著黑土、黑鈣土、栗鈣土、褐土、黑壚土（史學正 等，2007）。
土壤結構是指土壤固相顆粒的排列形式、孔隙度及團聚體的大小、多少和穩定的程度等物理構成。這些都能影響土壤中固體、液體、氣體三相的比例，從而影響土壤供應水分、養分的能力，以及通氣和熱量狀況。土壤結構可分為微團粒結構（直徑小于 0.25 毫米）、團粒結構（0.25～10 毫米）、塊狀結構、核狀結構、柱狀結構和片狀結構6 種，其中以團粒結構最為重要（熊順貴，2001）。團粒結構是土壤中的腐殖質把礦質土粒相互黏結成 0.25～10 毫米的小團塊，具有泡水不散的水穩定性特點，常被稱為水穩定性團粒（李勇，2013）。無結構和結構不良的土壤，土體堅實，通氣透水性差，植物根系發育不良，土壤微生物和土壤動物的活動也受限制。
植物正常生長發育需要量或含量較大的必需營養元素為大量元素，在正常生長條件下，這些元素的單體含量占植物干物質質量的1%以上。磷素除外，一般為 0.2%～1%，超過 1%可能會出現磷中毒現象。碳、氫、氧主要來自空氣和水，是植物有機體的主要成分，三者占植物干物質總質量的90%以上，是植物中含量最多的幾種元素。它們可形成多種多樣的碳水化合物，在植物中所起的作用往往不能分割，如木質素、纖維素、半纖維素和果膠質等。這些物質是細胞壁的主要組成成分。植物光合作用的產物糖是由碳、氫、氧構成的，而糖是植物呼吸作用和體內一系列代謝作用的基礎物質，同時也是代謝作用所需能量的原料。碳水化合物不僅構成植物永久的骨架，還是植物臨時儲存的食物，并積極參與體內的各種代謝活動。氫和氧在植物體內的生物氧化還原過程中也起著很重要的作用。一般地，碳、氫、氧、氮、磷、鉀、硫、鎂、鈣這 9 種元素，因其植物需要量相對較大，研究者將之稱為大量元素；而鐵、氯、錳、鋅、硼、銅、鉬、鎳這8 種元素植物需要量極微，稍多即會發生毒害，故稱為微量元素。上述 17 種元素為植物生長的必需元素（李合生，2012）。
植物從土壤中吸收的礦質元素來源于礦物質和有機物質的礦物分解過程。植物對元素的需求量有最適范圍，缺少和過多均屬于脅迫。需要指出的是，植物需求的不僅是某種元素絕對量，還在于各種元素的相對關系，即比例。具有合適的比例時，植物的生長發育最好，反之有害。植物通常有主動吸收離子的能力，會選擇性的吸收、富集或者逆濃度梯度吸收離子在具有不同元素含量的土壤中分布著不同植物。如果某些元素含量異常高，生長有特殊植物，就可將其作為指示植物（蔣高明，2004）。
在講到生態農田的養分來源時，必須指出有機質的重要性。有機質包括非腐殖質和腐殖質兩大類。非腐殖質是動植物的死組織和部分分解組織。腐殖質是土壤微生物分解有機質時，重新合成的具有相對穩定性的多聚體化合物，腐殖質可占有機質的80%～90%。在生態農田中，土壤有機質對植物十分重要，因為它是植物礦質營養的重要來源，并可增加元素的有效性；土壤有機質還可改善土壤物理、化學性質，促使團粒結構形成，調節土壤水、氣、熱條件；促進植物的生長和養分吸收（Guo et al.，2016）。本團隊經過 10 年的連續觀察，當不使用化肥、農藥、除草劑和地膜，保護合理的土壤結構，土壤有機質達到5%時，即使一兩年不施肥，其周年產量依然能夠保持在噸糧的水平，即小麥和玉米周年畝產量為1 000 千克以上（Liu et al.，2016）。可見，有機質含量高是生態農田的重要指標之一。
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