鎂對作物增產提質的作用與面臨的問題*

魯振亞，候 杰，侯翠紅，王好斌

(1.鄭州大學化工與能源學院 河南鄭州 450001； 2.中國農業大學資源與環境學院 北京 100193)

化肥被稱為糧食的“糧食”，化肥的施用對保障我國糧食安全做出了不可磨滅的貢獻，據相關文獻報道，化肥對我國糧食增產的貢獻率為40%～60%[1-2]。但與此同時，化肥的不科學施用現象十分普遍，氮、磷、鉀肥施用過多，鈣、鎂等中微量元素施用不足等不僅造成資源浪費、土壤酸化、水體富營養化等問題，而且還對作物的產量與品質造成了嚴重影響[3]。鎂元素作為中量元素之一，在人體健康、動植物體的正常生長發育中都發揮著不可替代的作用，被稱為繼氮、磷、鉀元素之后的第四大營養元素。

1 鎂的發現歷史[4-6]

鎂的發現歷史持續了100多年。1729年，德國化學家Hoffman發現硫酸與苦土反應生成了發苦的水溶性鹽；1755年，英國科學家Joseph Black首次確認了鎂是一種元素，并辨別了石灰中的苦土(MgO)；1789年，拉瓦錫在化學元素周期表中把鎂列為第12位元素；1792年，Anton Rupprecht通過加熱苦土和木炭制得了不純凈的金屬鎂；1808年，Humphry Davy通過電解MgO制得了純凈但非常少量的金屬鎂；1831年，法國科學家Brutus Bussy等通過氯化鎂和鉀制取了大量的金屬鎂；1904—1912年，Richard Willstatter證實了鎂是組成葉綠素的中心原子；1923年，煙草上出現缺鎂現象被首次提及；1930年初，McCollum等首次用鼠和狗系統觀察了動物缺鎂反應；1934年，首次發表了人體缺鎂的臨床報道，證實了鎂是人體的必需元素。

2 鎂的功能

2.1 鎂在維持人體、動物健康方面有重要影響

鎂是人體所必需的礦質元素之一，其含量位居第4位，僅次于Na、K和Ca[7]。鎂與健康的關系最早可追溯到1618年[5]，鎂在人體中控制著300多個酶的活化，在維持肌肉和神經功能等方面有重要影響[8]。據有關研究表明，冠心病、血管疾病、肌肉痙攣、糖尿病等多項疾病的發生都與人體缺鎂有很高的相關性[7,9-11]。同時也有研究表明鎂對動物有直接影響，鎂元素供應不足，就會引起其功能紊亂，造成生長遲緩、抽搐、水腫等癥狀[6]。

一個成年人體內的鎂含量在20～28 g，屬于常量元素[7,12]。人體內90%的鎂存在于鍵合結構參與物質的形成，如形成核酸、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、蛋白質等。鎂在人體中的分布并不均勻，60%～65%的鎂分布在骨骼和牙齒中，27%的鎂位于肌肉細胞中，其余細胞中含有6%～7%的鎂[7]。鎂攝取量在7～10 mg/(kg·d)才能維持身體的健康[13]，但目前人們的飲食習慣、飲食結構導致人體鎂含量攝入不足，已有文獻報道西方社會有超過三分之二的人口鎂攝入量低于推薦值[14-15]，人體鎂營養問題已成為國內外關注的熱點。

2.2 鎂對植物的正常生長發育有重要作用

鎂是植物體中第二大豐富的陽離子，是植物正常生長所必需的中量礦質營養元素之一。鎂是葉綠素分子的重要組成部分，植物體中約有35%的鎂在葉綠體內，直接影響著光合作用的正常進行[16]。此外，鎂還參與其他物質和結構的形成，在控制多種酶的活化、核苷酸和蛋白質的合成、蔗糖韌皮部裝載、碳水化合物分配、能量代謝、活性氧代謝等方面均有非常重要的影響[17-20]，如果植物體內鎂含量不足，植物的正常生長和發育就會受到抑制，進而影響作物的產量與品質。鎂元素除了在植物生理和生物化學等過程中發揮重要的作用之外，在緩解鋁毒脅迫、鹽脅迫和重金屬等非生物脅迫方面也有非常重要的作用[21-23]。

2.3 施用鎂肥能提高作物產量與品質

前人已經在多個地區、多種作物上證明了施用鎂肥可明顯提高作物的產量與品質。

在糧食作物方面，張書中等[24]通過對河南周口小麥的鎂肥肥效研究表明，底施硫酸鎂，小麥的增產幅度在4.3%～11.4%之間；丁玉川等[25]研究表明，與不施鎂肥相比，施用鎂肥的玉米增產2.98%～10.21%，玉米籽粒粗蛋白、總淀粉和總糖含量分別提高了9.96%～15.36%、2.41%～6.42%和8.52%～12.50%。林齊民等[26]通過田間和盆栽試驗表明，在福建水稻施用鎂肥，稻谷精米率提高3.1%，粗蛋白和淀粉含量分別增加2.1%和4.7%。謝建昌[27]等在我國南方紅壤稻田和旱地上進行的水稻試驗表明，施用鎂肥的水稻平均增產5%～18%。

在經濟作物方面，鎂肥增產提質效果更加明顯。阮建云等[28]在浙江等地進行的茶葉田間試驗表明，施鎂平均增產5.7%，茶葉游離氨基酸含量增加1.2%～16.8%(平均增加7.0%)，這可能與施鎂顯著增強硝酸還原酶活性，從而改善對氮素的吸收和利用能力有關。丁玉川[25]等通過對大豆鎂肥施用效果研究表明，與不施鎂肥相比，施用鎂肥的大豆增產2.77%～9.04%，籽粒粗蛋白含量提高4.56%～7.52%。陳星峰等[29]研究表明，施用鎂肥有助于煙葉產量的提高，與不施鎂肥相比，施用鎂肥的煙草增產4.07%～4.46%，上等煙比例提高24.36%～29.51%，經濟效益提高39.88%～45.60%。杜承林等[30]研究表明，在土壤交換鎂含量低于20 mg/kg的情況下，施用鎂肥的甘蔗增產47.1%～60.9%，辣椒增產15.9%～19.8%。黃鴻翔等[31]研究表明，大田施用鎂肥后，在紅壤旱地上黃豆、花生增產幅度最大，達25%～40%，其次是茶葉和烤煙，增產20%～25%。謝建昌[27]等在我國南方紅壤稻田和旱地上進行的大豆鎂肥試驗表明，大豆平均增產23.5%。余斌等[32]在十字花科蔬菜上的鎂肥肥效試驗表明，與對照相比，施鎂處理增產8.14%～29.24%，而且綜合病株率降低17%。姚麗賢等[33]通過對廣東荔枝和沙田柚的鎂肥肥效研究表明，在土壤缺鎂條件下，施用適量鎂肥可使荔枝和沙田柚分別增產11.4%～33.3%和11.2%～15.3%，分別增收10.8%～37.5%和17.9%～24.1%。

綜上所述，鎂肥的效果在糧食作物和經濟作物上都得到了很好的驗證，施用鎂肥可以實現作物的增產、提質和增效。

3 存在的問題

鎂對動植物和人體的正常生長發育都具有非常重要的影響，由于人體對鎂的攝入不足，人體的健康受到了多種疾病威脅，所以增加鎂的攝入量顯得尤為重要。人體攝入鎂的途徑主要來自于食物，但又不得不面對如下問題。

(1) 作物自身的鎂含量在下降。Ficco等[34]研究表明，意大利現代選育的小麥品種鎂含量比1910—1974年間的小麥品種下降了12.5%。Mayer等[35]通過對英國蔬菜和水果中的鎂含量分析發現，20世紀80年代種植的蔬菜、水果中的鎂含量分別比20世紀30年代種植的蔬菜、水果下降了35%和11%。

(2) 磷肥產品結構變化導致鎂的施用量減少。我國磷礦資源以膠磷礦為主，本身含有較多的雜質，尤其磷礦中的鎂雜質對高濃度磷肥的生產有不利影響[36]。隨著我國磷肥產品結構由低濃度向高濃度發展(圖1)，2015年磷酸銨的產量占磷肥總產量的82.7%，而在磷酸銨的生產中，必須對磷礦進行脫鎂預處理。因此，磷肥產品結構的變化在一定程度上降低了鎂的應用。

圖1 1960—2014年不同磷肥產品產量變化

(3) 受限于科學知識水平，農民不施用鎂肥現象十分普遍。

(4) 土壤與作物缺鎂現象嚴重。白由路等[38]研究表明，我國有效鎂含量處于嚴重缺乏或缺乏狀態的土壤面積占21%，有54%的土壤需要不同程度地補充鎂肥，尤其是福建、廣東、廣西等南方地區。在小麥、玉米等糧食作物以及冬瓜、番茄、柑橘、葡萄等經濟作物上缺鎂癥狀時常發生，嚴重影響了作物的產量與品質。

我國對鎂肥的需求量巨大，很多作物對鎂的需求量并不亞于對磷的需求量(表1)[38]，白由路等估計我國土壤對鎂的年需求量為9 840 kt(以氧化鎂計)[37]。在我國土壤與作物缺鎂現象愈發普遍的大背景下，及時、合理地施用鎂肥顯得尤為迫切，如何快速實現鎂肥的大面積施用是解決我國缺鎂現狀面臨的首要問題。

表1 不同作物的需肥量 kg/t

4 常見鎂肥產品與主要用途

按照溶解性進行分類，主要可分為水溶性鎂肥和枸溶性鎂肥。水溶性鎂肥主要包括硝酸鎂、硫酸鎂、氯化鎂、硫酸鉀鎂、螯合態鎂等，枸溶性鎂肥主要包括氧化鎂、白云石、鈣鎂磷肥等。

從鎂化合物主要用途來說[39]，氯化鎂主要用于建材、食品、化雪劑、醫藥、冶金等領域；氧化鎂主要用于高級潤滑油、食品、醫藥等領域；氫氧化鎂主要用于生產中和劑、填充劑、阻燃劑等；碳酸鎂主要用于生產耐火材料、保溫材料等；用作肥料的鎂化合物主要有硫酸鎂、硫酸鉀鎂、鈣鎂磷肥等。

硫酸鎂可細分為七水硫酸鎂、一水硫酸鎂和無水硫酸鎂，水溶性好，易于被作物吸收，適合不同類型的土壤，可用作基肥、追肥和葉面肥，但在降雨量大的地區容易造成鎂淋洗或徑流損失[41]，進而導致土壤與作物缺鎂。

鈣鎂磷肥一般被認為是磷肥，但其同時含MgO、CaO和SiO2質量分數分別為10%～18%、25%～32%和25%～40%[3,41]，價值在一定程度上被低估。鈣鎂磷肥作為一種堿性多養分肥料，在改良土壤、養分供給、降低徑流淋洗損失等方面都有其獨特優勢，尤其在南方酸性土壤上的優勢更加明顯[41]。但因環保壓力、生產工藝技術和產品創新性不足、經濟效益低等原因，致使鈣鎂磷肥未能得到較好的推廣應用[42]。

5 發展與建議

鎂對人體健康、動植物體的正常生長發育都有著重要的、不可替代的作用，但由于國內外對鎂的認識程度不足，鎂成為一種被忽視的元素[16,43]。在我國土壤和作物缺鎂現象愈發嚴重的大背景下，施用鎂肥迫在眉睫。為促進我國鎂肥發展與快速施用，提出如下建議。

(1) 加強科學施肥知識普及，提高農民對鎂營養的認知水平，加強鎂肥應用推廣力度。

(2) 研究鈣鎂磷肥造粒技術。鈣鎂磷肥是農民較認可的肥料產品，但由于其呈粉末狀，導致施用不便，在一定程度上阻礙了其推廣和應用。

(3) 對現有鎂肥產品進行特性評價，建立鎂肥產品特性數據庫。我國幅員遼闊，不同土壤類型、不同作物、不同氣候條件下宜選用不同的鎂肥產品和施用方式，對現有的鎂肥產品進行產品特性評價，可以為正確選用合適的鎂肥品種、施用方式以及新型鎂肥產品的研發提供理論支持。

(4) 進行復混肥中添加鎂肥工藝研究與產品評價。復混肥是農民最常施用的肥料，考慮到農民對鎂肥認識不夠、對鎂肥施用重視程度較低的問題，把鎂加入復混肥中可能是實現鎂肥大面積施用的較快、較有效的途徑之一。

(5) 創新適合未來農業需求的新型鎂肥產品。南方地區土壤酸化嚴重，降雨豐富，是我國主要缺鎂地區。硫酸鎂等水溶性鎂肥雖然供鎂能力及時，但極易造成鎂的淋洗或徑流損失。氧化鎂等枸溶性鎂肥雖然能減少鎂的淋洗等損失，但供鎂能力可能無法滿足作物需求。所以，研制既能養分供應匹配作物需求又能減少淋洗等損失的鎂肥新產品尤為重要。

(6) 加強鎂營養基礎理論研究。目前，鎂營養的基礎理論研究較為薄弱，加強不同作物鎂與其他元素之間互作、配方配伍研究，可為研制適應未來農業需求的作物專用含鎂肥料新產品提供理論基礎。