北达科他州粘土矿物学对作物钾营养和耕作系统的影响

北达科他州的土壤几乎都被归类为“矿物”土壤. 除了北达科他州西南部的斯洛普县和鲍曼县, 在过去100年的大部分时间里，该州都被冰川覆盖,千年(布卢姆勒, 1991).

最近的冰川边界近似于密苏里河. 密苏里河以西的大部分冰川沉积物已经被侵蚀掉了, 暴露出了更多距今8000万年的古老沉积物. 该州的冰川历史很重要，因为冰川在加拿大地盾岩石上移动, 其中一些是地球上最古老的岩石.

冰川给北达科他州带来了钾长石, 云母和其他矿物来源于这些岩石, 以及与阿尔伯塔省南部和萨斯喀彻温省海底基岩相关的页岩衍生沉积物, 以及红河谷, 来自马尼托巴省石灰岩基岩的富含碳酸盐的沉积物.

土壤矿物根据其颗粒大小分为砂、粉和粘土. 土壤的粘土部分由最小的颗粒组成, 定义为任何小于0的数.尺寸为002毫米(mm). 粘土大小的颗粒部分包括小有机化合物的材料, 没有结晶结构的化合物称为“无定形”,以及具有晶体结构的化合物，适当地归类为粘土矿物.

含钾并影响钾作物营养的晶体化合物分为两类:钾长石, 云母和从云母中提取的矿物质.

仅仅通过观察北达科他州不同的土壤来确定哪种矿物质最丰富是不可能的. 然而, 不同的矿物质具有不同的化学性质，影响钾在土壤中的行为.

北达科他州土壤中粘土大小的主要矿物是蒙脱石、伊利石和高岭石. 在少数土壤中发现了绿泥石. 这些矿物可由长石和云母矿物风化形成, 也可能是遗传自母体物质, 或者它们可以在一定的化学和物理条件下“新形成”.

人们通常对云母很熟悉，因为它是花岗岩中闪亮的片状矿物. 长石也存在于花岗岩中，是较暗的灰色或粉红色矿物.

云母可以风化形成伊利石、蒙脱石或高岭石. 后两种矿物也可由长石风化形成. 伊利石最像云母，两者有许多共同的特性. 像云母一样，伊利石也能风化形成蒙脱石. 长石风化也可形成蒙脱石和高岭石 (图1).

图片来源:

S. Murrel, IPNI，西拉斐特，印第安纳州.

图1. 云母和长石向伊利石转变的描述, 蒙脱石和高岭石是基于Allen和Hajek(1989)和Wilson(1999)综述中总结的信息。.

蒙脱石一旦形成，就会随着时间的推移，风化变成高岭石，而这个过程是不可逆的. 高岭石是云母风化的最终产物之一，通常存在于高度风化的土壤中.

并不是所有的蒙脱石都会风化形成高岭石. 在某些条件下, 蒙脱石会变回伊利石, 当条件改变时, 可以再换回蒙脱石吗. 蒙脱石和伊利石这种动态性质的机理将在后面讨论.

云母、伊利石、蒙脱石和高岭石的组成部分是氧化硅的分子薄片 (图2) 还有氢氧化铝片. 矿物是根据这些薄片的排列来分类的.

图片来源:

卡尔平斯基和斯科多，2015年，经许可使用

图2. 从侧面(A)和顶部(b)方向的单个氧化硅片. 硅(Si4+)离子位于四面体的中心，四面体的四角处是氧化物.

如果一块氧化硅片附着在一块氢氧化铝片上，则该矿物被分类为1:1. 北达科他州土壤中突出的1:1矿物是高岭石 (图3). 如果将氢氧化铝片夹在两片氧化硅片之间，则是2:1. 北达科他州土壤中最突出的2:1矿物是伊利石和蒙脱石 (图4).

图片来源:

地球科学图书馆，2014

图3. 两片高岭石片的示意图, 每个都有一层SiO4(氧化硅)和一层Al2(OH)6(氢氧化铝). 这些薄片通过1:1的OH-H键结合在一起(键没有显示出来).

图片来源:

Guimaraes等人., 2016

图4. 蒙脱石(蒙脱石和贝德尔石变种存在于北达科他州的土壤中，属于粘土矿物蒙脱石家族)和伊利石的示意图. 图中“T”表示硅四面体薄片，“O”表示铝八面体薄片.

1:1和2:1的矿物带净负电荷, 因此, 吸引正离子, 称为阳离子. 在伊利石中，带负电荷的2:1矿物薄片由钾(K)紧紧地结合在一起⁺)阳离子 (图4). 在蒙脱石中，2:1层之间的距离比在伊利石中更远，从而允许K的移动⁺ 离子以及铵(NH4)⁺)、钙(Ca2⁺)、镁(Mg2)⁺)，钠(Na⁺)和铝(Al3)⁺)层间.

水和酸(H⁺)也可以在蒙脱石层之间进出. 2:1薄片之间的阳离子称为“层间”阳离子. 在蒙脱石, 这些层间阳离子被水包围, 而伊利石中的钾没有水环绕 (图5).

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Ras等人.， 2007年经许可使用

图5. 蒙脱石是一种蒙脱石矿物. 该图像显示了2:1薄片的三维厚度(约为0.96纳米[nm]), 层间间距范围(0 ~ 4nm), 以及2:1晶体的内部构成(Al, Mg, 铁II或铁III).

粘土矿物不是以单独的薄片或成对的薄片的形式存在，而是像书中的书页一样组合在一起的许多薄片，并且经常与其他类型的粘土矿物混合在一个小空间内. 图6为高岭石、伊利石和蒙脱石矿物的电子显微图.

在高岭石中，单个1:1的层粘合在一起形成六角形板. 蒙脱石是一种松散的、难以形容的薄片. 伊利石 looks more structured than smectite because it more closely resembles mica; however, 单个晶体尺寸通常比云母小，可能不像云母那样发育良好 (图6).

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Tovey 1971. 经许可使用

图6. 高岭石(左)、伊利石(中)和蒙脱石(右)的电子显微图.

蒙脱石和伊利石的负电荷来自于它们形成过程中的不完善条件. 2:1矿物的理想化学式是不产生负电荷的. 然而，不同的阳离子经常在矿物结构中替代. 这个过程被称为“同构替换”.”

在四面体薄片中，Al³⁺ 有时是Si的替代品⁴⁺ 因为它们的大小相似. 美联³⁺ 比Si少一个正电荷⁴⁺. 在八面体中，Fe²⁺ 和/或毫克²⁺ 同样可以代替人工智能³⁺. Fe²⁺ 和毫克²⁺ 比Al少一个正电荷³⁺.

在矿物结构中, 不管是四面体还是八面体, 当正电荷较少的阳离子取代正电荷较多的阳离子时, 矿物的负电荷变大. 用低正电荷取代高正电荷的离子是比较常见的, 使2:1粘土矿物具有更大的阳离子交换容量(CEC), 与1:1粘土矿物高岭石相比, 它的同构取代少得多而且没有层间间距.

重要的是要记住，同构取代发生在矿物层内, 改变矿物的晶体结构. 这与阳离子交换不同, 阳离子在矿物暴露的表面相互替代，而不是在晶体结构中.

北达科他州的蒙脱石有两种变体:蒙脱石(Ross and 亨德里克斯, 1945)和贝德尔石. 钾更紧密地保存在贝德尔晶体的中间层中. 这是因为在贝德尔, 同构取代主要发生在四面体薄片中, 使这张纸带负电 (图4) (Baouabid等人., 1991; Bouna et al., 2012).

这张纸和它的负电荷在物理上更接近K⁺ 当阳离子与表面结合时. 正电荷和负电荷的接近使K保持不变⁺ 有更强的联系.

在蒙脱土中，同形取代主要发生在八面体薄片中 (图5). 这张纸离K更远⁺ 因为在它和K之间有一个不带电的四面体薄片⁺ 阳离子. 正电荷和负电荷之间的距离越大，K就越大⁺ 化学键较弱.

阳离子交换容量(CEC)是一种测量带负电荷的矿物在其暴露的表面和边缘可以容纳多少正电荷的方法. 和书中的比喻一样, 为伊利石, CEC测量每个盖子上能容纳多少正电荷, 还有书合上时的四边. 然而, 为蒙脱石, 不仅是这些表面, 而是因为层间空间更宽, 每一层的正电荷加到总电荷中. 对于蒙脱石，通常90%以上的CEC来自中间层(Bouabid et al .)., 1991).

因此, 在2:1粘土矿物中, 蒙脱石的CEC比伊利石大得多，因为蒙脱石的层间距更大, 允许角色进出层间空间 (表1). 除了, 更宽的层间间距增加了蒙脱石的表面积，因为每一暴露层的表面积都被加到了总数中(见内部) 表1).

对伊利特来说，只有“封皮”和“合上的书”的边缘是可以接触到的. 少量的内表面积列为伊利石 表1 可能反映出边缘已经磨损的矿物层, 暴露少量的中间层表面.

伊利石的另一个名称是“含水云母”,这意味着粘土的化学性质与原始的云母矿物非常相似，层间钾离子(K⁺)，但随着时间的推移，K损失的层间间距更大. 由伊利石和云母组成的2:1矿物层由钾离子(K)结合在一起⁺)，周围没有水. 层间空间太窄，不能容纳其他阳离子或水.

当伊利石在缺钾土壤中时，钾⁺ 开始从中间层移到周围的土壤中, 哪里可以被植物吸收和利用. 其他被水包围的阳离子开始从邻近的土壤进入伊利石夹层, 从K的边缘开始⁺ 先是丢失了.

水合阳离子进入层间的运动撬开了矿物的边缘, 就像书中的书页, 允许更多的K⁺ 移动出去，更多的水合阳离子移动进来. 用书本来类比，这个过程就像慢慢地翻开一页书.

当层间K丢失时, 伊利石变得更密似石，因为中间层没有紧密结合，并开始膨胀. 然而, 并不是伊利石的所有层都会受到影响, 甚至在受影响的图层内, 一些K⁺ 可能把矿物层紧紧地绑在一起, 导致只有部分层被撬开. 这就是为什么使用“smectitellike”这个术语的原因.

部分, 但并非全部, 伊利石变成了蒙脱石, 产生一种矿物，是两者的混合物, 蒙脱石更为普遍. 因为转换是不完全的，它可以被逆转，至少在某种程度上.

如果土壤通过施肥或从作物残渣中回收钾而变得富含钾，钾就会在土壤中生长⁺ 开始回到密特状的岩层，把它们变成伊利石. 所以当土壤中的钾含量下降时, 伊利特变得更有吸引力, 当土壤富含钾元素时, 蒙脱石矿物变得更像伊利石.

在中国，研究人员研究了长期种植紫花苜蓿的土壤粘土种类(De-Cheng et al .)., 2001). 在研究初期，地表粘土呈弱伊利石状. 随着苜蓿干草从系统中移除，土壤测试K (CEC可提取K)降低. 然而, 当苜蓿提取深层土壤钾并在土壤表面沉积钾时，表层土壤伊利石结晶性增强(富钾), 通过叶子和其他富含钾的植物材料.

在伊利诺斯州, 莫里尔地块是伊利诺斯大学校园内一项具有历史意义的作物轮作和施肥试验，可追溯到1876年. 124年后, 不添加改良剂的连续玉米处理使土壤具有蒙脱土, 这是由于持续的土壤钾流失和伊利石层间钾的耗竭. 然而, 在钾肥或钾肥中添加钾的处理, 土壤是赤褐色的(维尔德和派克), 2002).

从伊利石中除去K，最终得到蒙脱石, 在蒙脱石中加入K，最终得到具有伊利石性质的粘土矿物. 蒙脱石和伊利石之间粘土类型的变化也很明显，如转化后粘土电荷的变化(Sato等)., 1992).

土壤钾有效性的传统观点是:

土壤溶液钾→交换性钾→非交换性钾→矿质钾

图7. 作物季节性土壤钾有效性的现代观点. 钾长石和矿物间层(非交换性)钾释放速率快，在生长季节为作物提供钾.

土壤溶液K立即可供植物吸收, 交换性钾在数小时和数天内容易与土壤溶液平衡, 非交换性钾在生长季贡献较少，矿质钾作用较小, 如果有任何角色, 在生长季节为作物提供钾. 不可交换钾是指被困在粘土矿物夹层之间的钾.

在传统观点中, 生长季节可供植物吸收的钾只有土壤溶液钾和交换钾. 可交换钾是通过标准土壤测试程序测量的. 这些相同的程序用于测定CEC.

在讨论CEC时使用相同的书籍类比, 用伊利石和蒙脱石代替的K是合拢的书的两个封皮上和四边上的K. 对伊利特来说，书中两页之间的字母K是不能互换的，至少很少. 它紧密地连接在单独的，狭窄地间隔为2:1的层之间. 这个K是不可交换的.

然而, 为蒙脱石, 由于各个矿物层之间的空间更宽，页之间的K的很大一部分是可交换的, 使钾元素从中间层转移到土壤溶液中, 哪里可以被植物利用. 土壤溶液中的钾能立即被植物吸收. 可交换K与溶液K处于平衡状态.

当植物吸收钾并消耗土壤溶液中的钾含量时, 可交换钾从矿物暴露的表面和边缘移动到溶液中. 可交换性钾在数小时或数天内转移到溶液中.

最后，矿物K是长石和云母矿物结构的一部分. 矿物K传统上被认为是非常缓慢可得的, 在作物生长季节对作物贡献不大的.

最近对反应速度的研究导致了对土壤溶液中钾平衡的完全不同的理解, 可交换的, 不可交换和矿物钾池. 新的观点是，一部分不可交换的钾可供植物利用, 它在数小时到数天内从中间层释放出来. 这意味着伊利石夹层中的一些K是, 事实上, 植物可用, 即使在标准土壤测试中只测量交换性钾(Vetterlein等)，也没有考虑到它., 2013).

除了, 钾长石(钾长石)和云母中的矿物钾在整个生长季节释放到土壤溶液中(欣辛格), 1993; Sparks et al., 1980). 一项来自特拉华州的低钾试验土壤的研究表明，大部分作物的钾吸收直接来自钾长石, 另一重要部分来自非交换K (Sadusky et al .)., 1987). 标准土壤测试也不测量从云母或长石矿物中释放的植物可利用钾.

钾长石是在花岗岩中发现的隐喻矿物. 钾长石晶体是硅(Si+)的“管”⁴)和铝(Al+)³)氧化物 (图8). 在大约25%的键中，Al+³ 取代了Si+⁴，对钾长石产生净负(-)电荷.

图8. 钾长石示意图显示含有K+离子的开口，以平衡同形(-)电荷.

为了平衡自然界中性钾长石的电荷，K⁺ 是在水晶“管”里.在土壤中，K⁺ 离子从钾长石中释放，以响应较低的土壤溶液钾⁺ 浓度. 北达科他州土壤钾长石含量见 图9.

图9. 北达科他州表层土壤矿物中钾长石含量(%).

北达科他州东南部土壤矿物中钾长石含量高达15%, 而海滩地区的土壤含量为1%至2% (图9). 钾率研究区土壤钾长石含量显著, 之前描述的, 可能是玉米产量适度增加的一个因素.

在美国的一些地区.S., the alleviation of K deficiency with K fertilizer might result in 50-bushel-per-acre yield increases; however, 北达科他州的产量每英亩增加不到30蒲式耳, 即使可提取的K值很低.

2014年至2016年，在卡斯进行了玉米钾率研究，获得了0至6英寸深度的土壤样本, 里奇兰, 东部萨金特县和东部巴恩斯县, 共30个站点. 当考虑土壤黏性组分中蒙脱石和伊利石的相对含量时，玉米对钾肥的响应可以得到最好的预测 (图10 - 12).

图10. 北达科他州蒙脱石/伊利石比值大于或等于3的地区.5 ($3.5)土壤试验K临界水平为200ppm(灰色区域), 或者蒙脱石/伊利石比小于3.5 (<3.5)土壤临界测试K水平为150ppm(白色区域).

图11. 北达科他州土壤黏土矿物蒙脱石/伊利石比例的扩展类别.

图12. 蒙脱石与“其他”黏土的比例. “其他”包括伊利石、高岭石和绿泥石，它们都是不膨胀的粘土.

蒙脱石与伊利石的比值为3.5将实验场地分为两类. 当蒙脱石与伊利石之比大于等于3时.5 (ratio =>3.5)土壤临界测试水平为百万分之200 (ppm). 低于这个临界水平, 土壤钾太低，不能满足玉米的需要, 当施用钾肥时，产量可能会增加.

当蒙脱石与伊利石之比小于3时.5 (ratio < 3.5) the critical soil test K level was 150 ppm, 50 ppm lower than for ratio =>3.5. 北达科他州的地图显示了蒙脱石与伊利石比例较高和较低的地区 图10.

图13. 北达科他州土壤粘土组分中高岭石加绿泥石的含量. 绿泥石是一种不膨胀的2:1粘土，具有类似高岭石的CEC和收缩/膨胀特性. 绿泥石在所有样品中都占一小部分. 斯塔克Dickinson附近地区粘土矿物高岭石含量, 亚当斯县和赫廷格县的比例高达78%.

粘土夹层中的“固钾”一词并不意味着K⁺ 是在泥土和粘土中永久凝固的吗. 事实上，K固定已经成为一个过时的术语. 更恰当的说法可能是“暂时保留”.“之前提出的证据表明，植物在生长季节可以利用中间层中的钾.

有多少可用以及何时释放取决于许多因素. 其中之一是土壤湿度.

在干燥条件下，更多的K被保留在蒙脱石的夹层中(Bouabid et al .)., 1991). 当蒙脱石土壤干燥时, 就像他们经常在七月在北达科他州那样, 粘土层间空间有坍塌的趋势, 捕获K⁺ 在中间层内部并限制它们对作物的可用性(井上，1983). 当水分返回时，K⁺ 再次释放到土壤溶液中.

For some soils in the recent North Dakota K-rate study with smectite/illite ratios > 3.5, 即使土壤试验钾值大于150ppm的旧临界值，玉米植株仍表现出缺钾症状，并对施钾有反应.

在玉米中，缺钾症状首先表现为下部老叶片边缘发黄. 超前不足, 叶缘变成棕色和坏死, 其次最老的叶子开始出现症状 (图14). 当土壤有降雨时，缺钾症状没有恶化.

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约翰·布雷克是北卡罗来纳州诺斯伍德市AgVise实验室的农学家.D.

图14. 玉米缺钾症状. 请注意，下部叶片受到的影响最大, 黄化首先出现在叶缘, 与中肋骨影响最后.

Yield increases of more than 20 bushels per acre were recorded at sites with a smectite/illite ratio > 3.7 / 8月土壤条件相对干燥时. Sites with a smectite/illite ratio < 3.5个品种的钾含量不受土壤干燥条件的影响, 部分地点对K无反应, 尽管这些试验点早春土壤钾含量远低于150 ppm的临界水平.

一般的蒙脱石, 包括蒙脱石, are susceptible to relatively small amounts of K retention in the mineral interlayers; however, 蒙脱石矿物贝德尔石在层间保留了更多的K，因为它以更强的键保持K+，层间空间更窄 (图4).

大平原一般(Velde, 2001)含有蒙脱石，其中包括贝德尔石. 尤其是北达科他州，尤其是红河谷(Badraoui等人).， 1987)，在其蒙脱石粘土矿物套件中具有高贝德尔石含量.

当铝八面体薄片中存在同形取代铁(Fe)时，K固定的严重程度更大(Stucki), 1988; Khaled and Stucki, 1991; Florence et al., 2017). 在潮湿土壤条件下，Fe+的还原³ 铁+² 通过还原氧化(氧化还原)反应和, 更重要的是, 通过细菌铁还原, 减小粘土层间空间.

当铁+³ 转化为Fe+² 在矿物层中, 还原铁“堵塞”层间通道，使K+从层间空间释放出来. 当铁再次被氧化时，K+就会释放出来. 北达科他州粘土的铁含量相当高, 铁还原增加的固钾可能是高蒙脱石土壤需要更高土壤试验钾临界值的一个因素.

另一个因素是伊利石层间钾的植物可利用性. 如前所述, 标准土壤试验无法检测到夹层中的钾, 哪个只测量可交换K. 在伊利石中存在这种未被发现的植物可利用钾池可能会降低可交换钾的需求. 

土壤粘土对土壤的植物生根状况有很大的影响, 土壤结构, 因此, 取决于耕作方式及其与粘土的相互作用(Page, 1955).

蒙脱石是膨胀粘土矿物，具有收缩和膨胀特性. 在潮湿的条件下，当冻结时，粘土层间的空间会膨胀. 在干燥和解冻的条件下，层间空间收缩和塌陷. 这些收缩膨胀过程可以破坏压实的土层.

伊利石仅在磨矿片边缘处具有收缩膨胀特性, 缩胀效应较小, 与蒙脱石相比. 高岭石和绿泥石没有收缩膨胀特性. 总效果, 在抵抗农业机械交通和由此造成的压实方面, 因此, 会受到土壤中矿物质类型的影响吗.

No soil that has been analyzed in North Dakota is 100 percent one mineralogy class in the clay fraction; instead, 大多数土壤含有蒙脱石的混合物, 伊利石和高岭石. 北达科他州不同蒙脱石与伊利石比例和蒙脱石与“其他”粘土矿物比例的地图可以在 数字11 - 12.

在美国东南部.S.在美国，许多土壤以高岭石粘土为主. 这些土壤的耕作研究支持在作物之间采用深耕来减轻土壤压实. 在每年种植两种作物的地区, 每一种作物之间都要深耕田地，以获得最大的回报(Doty等)., 1975; Touchton et al., 1986).

在中东部玉米带的土壤中, 尤其是俄亥俄州, 印第安纳州和密歇根州, illitic soils are dominant; significant areas have a smectite clay influence. 在印第安纳州，土壤状况得分为0分.0表示极度贫穷，1.0代表优秀，1代表优秀.多年生草地为0.在凿子-圆盘系统下的土壤为87.免耕80元. Macroaggregate得分为1.多年生草地为0.凿盘式为91.88免耕(Hammac等人)., 2016).

这项研究的结论是免耕对农民来说可能是可行的, 但他们需要小心避免土壤压实. 北达科他州西部地区主要是高岭石粘土和绿泥石粘土, 哪些同样是不膨胀的, 防缩粘土. 州高岭石和绿泥石粘土含量图 图13.

在俄亥俄州(迪克等人)., 1986), 一项比较免耕与常规耕作系统的研究得出结论，免耕在伍斯特土壤(蒙脱石和伊利石混合粘土)上对玉米生产有积极作用，在克罗斯比土壤(蒙脱石和伊利石混合粘土)上无影响，但在霍伊特维尔土壤(伊利石粘土)上对玉米生产有负面影响。.

高蒙脱石优势土壤在北达科他州东部很常见. 蒙脱石/其他地图表明，蒙脱石在整个州从东部到西南和中北部地区占主导地位 (图12).

Giles(1994)在红河流域的法戈和Glyndon土壤上深耕后进行了两个季节的深耕试验. 结果表明，深耕对甜菜产量、品质和春小麦产量均无显著影响 (表2). Pikul等人. (2001)在南达科塔州以蒙脱石为主的土壤中进行的无糖甜菜轮作也有类似的结果.

高蒙脱石土抗压实的弹性最大. 红河谷湿甜菜丰收后一年的产量反弹，证明了高度密结性土壤的弹性.

在1992年至2015年的丰收期, 收获拖拉机通常必须由四轮驱动拖拉机牵引, 在田里装甜菜的半牵引车拖车必须用牵引车牵引. 在许多地区，轮胎留下的车辙有2到3英尺深. 在深秋或早春进行耕作, 接着是一场春雨, 为了种植下一季作物，土壤变得松软了.

我曾经有过这样的经历:春天的时候，高密度土壤被压路机碾压，土壤表面变得非常坚硬，以至于玉米播种机几乎无法挖出一条种沟. 然而,, 几天后下了半英寸的雨, one easily could scoop up a handful of mellow soil from anywhere in the field; the power of water moving into collapsed smectite clay interlayers resulted in an instantly productive soil.

我在伊利诺伊州尚佩恩市以北约20英里的一家化肥零售工厂工作了18年. 一个粘土矿物边界在尚佩恩以北大约10英里处. 边界以南是蒙脱石为主的土壤(Flanagan和Drummer土壤系列)。, 而在边界以北, 粘土主要为伊利石土(Elliott土系和Ashkum土系)，地形相似.

在蒙脱石为主的土壤中，农民可以种植更湿润的作物, 进行湿润耕作，在土壤处于适宜的湿润侧时进行田间作业，无负面影响. 在边界以北的泥质土壤中的农民必须更有耐心. 他们必须在土壤真正适合的时候播种和耕种.

在伊利石占主导地位的地区，在潮湿条件下种植或耕作的田地受到通过收获的操作的负面影响, 由于压缩问题是一个持续的威胁. 为了提高生产力，土壤必须不时地“开裂”或定期耕作. 收获果对次年土壤条件的影响对伊利石和高岭石型优势土壤的影响要大于对密积石型优势土壤的影响 (图15).

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NDSU照片

图15. 在北达科他州的魔鬼湖地区，在一个潮湿的秋天挖掘一个被埋的联合收割机. 土壤以伊利石为主，蒙脱石略占优势. 这块地是按传统耕作方式耕作的.

值得注意的是, 因此, 那是北达科他州的西南地区吗, 哪里免耕时间最长，成效最大, 北达科他州西部是蒙脱石含量最低，高岭石含量高的地区吗 (图12; 图13). 也许免耕如此成功的原因是早期采用者在时机上很幸运.

20世纪70年代至1992年相对干旱，1988年至1990年出现严重干旱. 最近一次湿润期开始于1992年, 与长期免耕有关的土壤团聚体和土壤生物学已经建立.

以北达科他州长期免耕农民应有的谨慎和耐心, 适时种植, 在某些系统中采用控制车流量的方法，并在播种时联合施肥，以减少田间车流量, 这些农民在可能支持土壤健康的最差土壤矿物类型中保持并改善了土壤健康.

西部免耕农民的成功为北达科他州东部的种植者提供了鼓励，他们耕种的土壤更容易原谅早期免耕的建立错误 (图12; 图16). 在作物种植时间和田间活动中保持合理的谨慎和耐心, 免耕或改良免耕, 比如地条机系统, 应该会成功, 特别是在北达科他州东部的农田里，越来越多的农田采用瓦片排水，并使用覆盖作物.

尽管传统耕作法至今仍在红河谷和粘土含量较高的土壤中占主导地位, 越来越多的农民在高粘土土壤上使用免耕和带状耕作，时间长达40年，取得了巨大的成功. 在这些系统中使用覆盖作物似乎加速了向免耕系统的转变, 雨季的不利后果更少，重型机械的交通容忍度更高.

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波莫·帕特森，波蒂诺

图16. 免耕播种法戈粉质粘土西南波蒂诺，N.D.

北达科他州土壤粘土矿物与作物钾营养有关，在选择耕作制度时应予以考虑. 土壤粘土是具有收缩膨胀特性的结晶薄片, 捕获和释放带正电荷的作物养分的能力, 以及对交通拥挤的抵抗力或易感性. 对本州粘土矿物学的了解应该有助于农民和他们的作物顾问进一步发展作物生产施肥和耕作系统.

北达科他州考虑粘土矿物的作物钾建议量可在以下出版物中找到:

紫花苜蓿

玉米

土豆

春小麦/硬质

甜菜

艾伦,B.L.B。.F. Hajek. 1989. 土壤环境中矿物的赋存. p. 199-278. 在J.B. 狄克逊和S.B. 杂草(eds.土壤环境中的矿物质. 第二版. SSSA，麦迪逊，威斯康星州.

Badraoui, M., P.R. 布鲁姆和R.H. 生锈. 1987. 高电荷贝德尔卫星在明尼苏达州西北部一个垂直Haplaquoll的出现. 美国土壤科学学会学报51:813-818.

Bouabid R., M. 巴德拉维和P.R. 布鲁姆. 1991. 土壤粘土的固钾和电荷特性. 美国土壤科学学会学报55:1493-1498.

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这项工作的资金主要通过北达科他州玉米委员会获得, 我们非常感谢他.

2018年5月