我國冬油菜種植區土壤有效鎂狀況與油菜施鎂效果

陸志峰，任濤，魯劍巍

華中農業大學微量元素研究中心/農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070

油菜是我國重要的油料作物，發展油菜生產對保障國家糧油安全至關重要[1]。近60年來我國油菜產業快速發展，在高產優質品種應用、中低產田改良、科學施肥、病蟲草害綜合防控、機械化水平提升、栽培技術進步等多重技術的推動下，油菜籽單產從20世紀60年代的360 kg/hm2增加到2019年的2 048 kg/hm2[2]。施肥在油菜籽粒產量提高中的平均貢獻率高達42.5%，其中施用氮肥的貢獻率最大，其次是磷肥和鉀肥[3-4]。除大量元素外，油菜對缺硼敏感，施硼平均增加油菜籽粒產量19.2%[5]。針對我國油菜種植區整體立地條件較差、土壤養分缺乏種類多的生產現狀，科研工作者在摸清高產油菜的氮、磷、鉀、硼營養特性和主產區土壤相應的養分供應狀況的基礎上，研究集成了油菜氮、磷、鉀、硼肥配合施用技術體系并有針對性研發了一些輕簡高效的技術物化產品[6-8]，為我國油菜綠色高效生產提供了強有力的支撐。盡管油菜養分管理技術取得了一定的進步，但長期高濃度氮、磷、鉀肥的施用在提升油菜籽產量的同時也增加了隨作物收獲帶走的中微量元素(如鎂)，加上缺乏有針對性的施肥管理措施，油菜中微量元素缺乏的現象日益突顯并逐漸成為限制油菜產量的重要因子。

鎂是油菜生長發育所必需的營養元素，在提高作物產量、改善品質和提升抗逆性上發揮著重要作用[9-10]。我國油菜種植區尤其是長江流域及其以南的冬油菜生產省份，土壤有效鎂含量低，有50%的土壤需要不同程度補充鎂肥[11-12]。鎂很有可能是油菜種植上除氮、磷、鉀、硼外另一種需要通過施肥的方式進行補充的養分。相比于大量元素，油菜鎂營養的研究起步較晚、進展相對緩慢，不過最近幾年陸續有關于油菜鎂營養特性[13]、典型種植區土壤有效鎂狀況[12,14]、油菜施鎂效果[10,15]的研究報道。系統梳理我國油菜種植區土壤有效鎂豐缺狀況、油菜需鎂規律以及綜合評價鎂肥的施用效果，有助于明確油菜生產上潛在的鎂營養缺乏問題，為進一步凝練施鎂技術，并將其融入到以綠色高產、輕簡高效為主要目標的油菜生產中提供必要的理論和技術支撐。本文匯總了現有的主要文獻資料，以土壤供鎂和油菜需鎂規律以及鎂肥施用的增產效果為主要依據，初步制定了油菜鎂營養調控策略，并結合油菜輕簡高效生產需求提出了技術物化產品(如含鎂的油菜專用緩控釋肥)研發方案。

1 冬油菜種植區土壤有效鎂狀況及缺乏原因分析

我國油菜常年種植面積穩定在700萬hm2左右，其中約90%分布在長江流域及其以南的省份[2]。該區域氣候溫暖、雨量較多，土壤侵蝕和淋洗程度較高，供肥和保肥能力較差，且以一年兩熟或三熟的高強度輪作模式為主，養分帶走量大，最終導致了區域土壤肥力水平總體不高的現狀。自20世紀90年代開始，陸續有研究對我國典型土壤、農作物種植區以及全國的土壤有效鎂狀況進行了評估。2000年黃鴻翔等[16]對南方五省(區)(江西、廣西、廣東、湖南和海南)紅壤地區土壤鎂素狀況的調查發現，有61.9%的調查樣本(n=126)土壤有效鎂含量低于20 mg/kg，土壤供鎂能力低。通過分析全國31省份共17 790個土壤樣品的有效鎂含量，白由路等[11]指出我國土壤有效鎂平均含量為320.6 mg/kg，呈北高南低的分布趨勢，其中有54.0%的土壤需要不同程度地補充鎂肥，且主要分布在長江以南地區，如福建、江西、廣東、廣西、貴州、湖南和湖北等省區。為準確評估冬油菜主產區土壤鎂的豐缺狀況，鄒娟[14]根據第二次全國土壤普查制定的養分分級標準，分析了2004—2008年間10個油菜主產省份的土壤樣品，明確缺鎂土壤(有效鎂含量<100 mg/kg)的占比為5.6%(n=272)。根據任濤等[12]的研究結果，2018年冬油菜種植區土壤有效鎂平均含量為225.7 mg/kg，其中低于100 mg/kg的土壤樣本點占24.2%(n=430)，是2004—2008年的4.3倍，主要集中在湖南南部、江西和廣西北部等區域；另有29.5%的土壤有效鎂含量在100～200 mg/kg內，處于潛在缺乏狀態，需要補充一定量的鎂肥才能保證油菜不減產。結果說明，在過去的10年間，長江流域冬油菜典型種植區缺鎂土壤的比例進一步擴大。研究同時表明，不同區域油菜種植土壤有效鎂含量有所不同，長江下游土壤有效鎂含量高于長江上游和中游[12]。由此可見，我國冬油菜主產區土壤有效鎂含量不容樂觀，土壤供鎂能力有限，缺鎂和潛在缺鎂的土壤面積分布廣且總體呈擴大的趨勢，加上農民在油菜生產過程中基本不施用鎂肥，油菜缺鎂問題日益嚴重。

油菜種植區土壤鎂含量受區域土壤和生態氣候條件、種植制度及生產管理措施等的綜合影響。土壤中鎂離子具有較大的水合半徑，與土壤膠體的黏合力低，鉀、鈣、氫等其他陽離子能夠競爭土壤膠體表面的結合位點，從而增加鎂離子的淋洗風險[17-18]。在農田生態系統中，鎂的淋洗量可以達到20～50 kg/hm2[19-22]，且受到土壤質地、土壤理化性質、降雨量等的影響。一般認為，土壤質地較輕、pH和陽離子交換量較低以及環境降雨量較大的區域，土壤中水溶性鎂的淋溶損失更為嚴重[21-22]。長江流域及其以南冬油菜種植區年平均降雨量在800 mm以上，土壤pH和陽離子交換量較低[10]，土壤鎂的淋洗風險較大。另外，稻-油輪作是冬油菜生產區域的主要種植制度，作物(油菜和水稻)周年鎂素帶走量在50～80 kg/hm2[15,23-24]，并且隨著作物單產水平的逐漸提高，有進一步增加的趨勢。盡管如此，在實際生產中農民普遍重視氮、磷、鉀肥而忽略鎂肥的施用，加上肥料結構的調整(如我國磷肥產品中磷銨約占80%，已基本取代含鈣、鎂、硫的過磷酸鈣和鈣、鎂、磷肥)，使土壤鎂長期處于輸出狀態，這也是近十多年來油菜種植區缺鎂土壤面積持續擴大的主要原因。

2 鎂營養積累特征與不同生育期缺鎂癥狀

冬油菜一般于9-10月播種，次年5月左右收獲，是典型的越冬作物。冬季氣溫較低，油菜生長緩慢，苗期(0～130 d)干物質累積量僅占全生育期總量的27.1%(圖1A)。抽薹至角果期，油菜生長速度加快，最大干物質累積速率達151 kg/(hm2·d)，角果期時干物質累積量最大，為1.4 t/hm2左右。油菜鎂累積量因品種、栽培方式、生態種植區及土壤有效鎂含量的不同而表現出較大差異，一般分布在20～40 kg/hm2范圍內[10,13,15,24]。冬油菜鎂的積累特征與干物質的變化規律類似，苗期鎂的吸收量占全生育期總量的35%，蕾花期占45%，角果期占20%(圖1B)。苗期植株鎂主要集中在綠葉中，進入生殖生長期后，綠葉和莖稈中的鎂快速轉移，215 d時綠葉、莖稈和根系鎂的累積量相比于最大值分別降低了67.9%、8.9%和8.4%。落葉中鎂的累積量自蕾薹期開始逐漸增加，角果期時達最大值，有30%左右的鎂會隨落葉重新歸還到土壤中。在僅考慮活體鎂累積的情況下，花后根系吸收的鎂貢獻了最大鎂累積量的63%，可見花后鎂的充足供應對保障油菜高產穩產非常關鍵。

圖B頂部灰色數值表示苗期、蕾花期和角果期植株吸鎂量占全生育期鎂累積總量的比例；黑色豎線對應鎂累積量最大值，黑色和白色數值則表示至植株鎂積累量最大值時葉片(67.9%)、莖稈(8.9%)和根系(8.4%)鎂的下降比例(相比于各器官最大累積量)；柱形條碼表示根系、莖稈和葉片轉移的鎂與植株花后吸收的鎂對活體最大鎂積累量的貢獻。The grey values at the top of figure B indicate the proportion of Mg uptake at seedling,stem elongation to flowering,and pod filling stages to the total accumulated Mg. The black vertical line represents the maximum Mg uptake,and the black and white values indicate the reduction ratio of Mg in leaves (67.9%),stems (8.9%) and roots (8.4%). The bar code denotes the relative contribution of the Mg transferred from roots,stems,and leaves as well as the Mg absorbed after flowering to the maximum Mg accumulation in vivo.圖1 油菜不同器官干物質(A)和鎂累積(B)動態變化規律(參照劉曉偉等[13])Fig.1 Dynamics of dry matter accumulation(A)and Mg uptake (B) in different organs of rapeseed

油菜對鎂缺乏敏感，在不同生育階段均容易缺鎂(圖2)，表現為葉片脈間失綠黃化，嚴重時呈現紫紅色斑塊，葉片枯萎、過早脫落。鎂在植物體內移動性強，因而鎂缺乏一般先從老葉開始，然后再逐漸擴展到中部葉片[25-26]；在作物快速生長期，因鎂的吸收和植株體內鎂的轉移再利用能力有限，缺鎂也可能出現在最新的完全展開葉，該過程與低鎂含量的新葉長期暴露于高光照條件下而易于遭受光氧化損傷有關[27-28]。準確快速的植株鎂豐缺診斷是進行缺鎂矯正的基礎，用葉片缺鎂癥狀來衡量植株鎂狀態往往存在滯后性，所以在鎂營養診斷時建議借助葉片鎂含量來判斷，當油菜葉片鎂含量小于0.1%～0.2%時容易表現出缺鎂，此時應采取葉片噴鎂或與土壤施鎂相結合的方法進行補充[29-31]。同時，應考慮土壤中鉀、鈣等陽離子與鎂離子間的拮抗競爭可能導致的油菜生理性缺鎂問題，在這種情況下，采用葉片噴鎂的效果更佳。

A、B、C分別表示苗期、蕾薹期和角果期油菜缺鎂典型癥狀。A,B and C represent the typical Mg deficiency symptoms during seedling,stem elongation and pod filling stage.圖2 不同生育期油菜缺鎂癥狀[10]Fig.2 Occurrence of typical chlorosis symptoms of Mg deficiency during different growing stages

3 施鎂對油菜籽產量的影響

土壤有效鎂含量低影響油菜生長和產量，及時補充鎂肥是保證油菜高產的重要措施。對已報道文獻中涉及我國冬油菜種植區施鎂效果的70組數據進行對比分析，結果表明施鎂處理油菜平均產量為1 765 kg/hm2，比不施鎂處理增加18.6%；其中有74.6%的試驗施鎂后籽粒增產10%以上(圖3A)。施鎂效果較好的點大多分布在土壤鎂含量相對較低的省份，如湖南、江西、湖北等；另有部分試驗點因土壤中較高的鉀和鈣降低了土壤鎂的有效性，并最終導致油菜吸鎂的生理性障礙，如云南尋甸土壤有效鉀和有效鈣的含量分別為279.5 mg/kg和 5 250 mg/kg，而有效鎂含量僅為28.1 mg/kg，因鉀、鈣離子與鎂離子的吸收存在拮抗作用，油菜根系吸收土壤中鎂的難度增加，施鎂增產效果顯著[10]。據此可以推斷，在冬油菜種植區尤其是土壤鎂含量較低的區域，施鎂大范圍顯效。

充足的鎂營養有助于優化油菜的產量構成因子，一定程度上提高植株密度、角果數和角粒數，如基施鎂肥后，油菜角果數平均增加了27.7%(圖3B)。田貴生等[15]在基施鎂肥的基礎上于終花期噴施0.5%硫酸鎂，油菜籽粒產量相比于噴自來水處理增加了2.7%～9.4%，且在基施鎂肥用量越低的情況下增產效果越好。與土壤施鎂增產的原因有所不同，葉面噴鎂主要通過增加角粒數和千粒重來提高籽粒產量。此外，較多的研究表明施鎂有助于促進植株對氮、磷元素的吸收，加速植株體內氮的同化和利用[10,32-33]，這也可能是施鎂提高油菜產量的一個原因。

圖A共包含施鎂與不施鎂的對比數據70組[10,15,34-38]；圖B共包含施鎂與不施鎂的對比數據36組[10,15,38]。箱型框中橫線和正方形分布表示數據集的中值和平均值，上下邊界分別表示數據集的25%和75%點位，上下水平短線表示數據集的10%和90%點位?；疑庑?圖A和B)和曲線(圖A)表示數據點分布，*表示施鎂與不施鎂處理間角果數差異達5%顯著水平。Figure A contains 70 comparative sets of data with and without applying Mg,while Figure B contains 36 comparative sets of data with and without applying Mg. Horizontal line and open square inside each box plot represent median and mean values,respectively. The upper and lower box edges indicate 25% and 75% percentiles of dataset,the upper and lower short lines outside box denote the 10% and 90% percentiles of dataset. The grey diamonds (Figures A and B) and the fitted curve (Figure A) indicate the distribution of data points. * indicate that the pod number is significantly different between the without Mg and applying Mg treatments.圖3 施鎂對油菜籽粒產量和產量構成因子的影響Fig.3 Rapeseed yield and its components as affected by Mg application

施鎂處理油菜籽粒增產率與鎂肥用量間存在顯著相關性(圖4)，隨鎂肥用量的增加，施鎂處理油菜籽粒增產率顯著增加，當氧化鎂用量為45 kg/hm2時，平均增產效果最好；鎂肥用量繼續增加，籽粒增產率趨于穩定。所以，在生產上施用MgO 45 kg/hm2基本上可滿足大部分區域油菜生長所需。但對于部分土壤嚴重缺鎂的區域，應適當增加施鎂量，如湖南安仁試驗點(土壤有效鎂含量為20.7 mg/kg)施鎂處理增產率隨鎂肥用量的增加而線性增加(圖中黑色圓點)，當施鎂量達到75 kg/hm2時，增產率最大；而對于土壤有效鎂含量較高的生產區，鎂肥用量應適當降低。作物施鎂量隨土壤有效鎂含量、土壤中鉀、鈣等其他陽離子含量以及作物產量水平等的不同而表現出差異[39-40]，未來的研究需以土壤有效鎂豐缺狀況為基礎，充分衡量土壤供鎂與作物需鎂之間的關系，實現作物-土壤-肥料的協調和同步。

4 冬油菜鎂養分管理建議

我國冬油菜種植區土壤有效鎂含量總體偏低，其中一半以上土壤缺鎂或潛在缺鎂，同時油菜需鎂量高(20～40 kg/hm2)，多點施鎂試驗和大面積施鎂示范表明增產效果顯著(>15%)，基本明確鎂是繼氮、磷、鉀、硼后第5種普遍需要通過施肥的方式進行補充的營養元素。然而，目前從事油菜生產的農民甚至是基層農技推廣人員對油菜鎂營養的認識普遍不足，而油菜養分管理上缺乏有效的鎂肥調控策略和相應的技術產品，迫切需要開展和深化油菜鎂營養研究，同時需要對油菜施鎂增產增收效果及施鎂技術進行大力宣傳，著力將鎂肥納入到油菜養分綜合管理技術體系中。

圖中灰色和黑色(湖南安仁點)點表示不同鎂肥用量下油菜籽粒增產率[10,15,34-38]，P<0.05表示籽粒增產率與鎂肥用量間相關性達顯著水平。The grey and black (Anren,Hunan) points indicate the percentage increase of seed; The data was fitted by polynomial regression significant (P<0.05).圖4 鎂肥用量與油菜籽粒增產率之間的關系Fig.4 Relationship between Mg application rate and percentage yield increment

通過系統梳理油菜鎂營養研究進展，總結出鎂肥管理建議如下：(1)推薦冬油菜鎂肥施用量為MgO 45 kg/hm2左右，作為基肥施用；在土壤有效鎂含量較低(<50 mg/kg)的區域，應該適當加大用量，或采用基施鎂肥與蕾花期葉面噴鎂相結合的方式。(2)鎂肥品種方面，硫酸鎂為基施鎂肥首選品種，其次是氯化鎂或白云石[41]；蕾花期葉面肥建議用0.5% MgSO4噴施1～2次。

由于油菜鎂營養研究有限，鎂肥應用還不普遍，未來應在下列幾個方面加大力度開展研究和應用工作：(1)進一步開展土壤供鎂能力評估以及鎂營養調控油菜產量和品質形成的規律研究；(2)結合土壤供鎂和油菜需鎂特征，建立油菜鎂營養的豐缺指標體系，明確不同土壤有效鎂含量下的施鎂效果并構建相應的施用技術；(3)推進和完善油菜專用緩控釋肥料配伍建設，篩選最佳的鎂肥形態和配比，熟化鎂肥添加工藝，加速鎂肥輕簡高效施用技術研發；(4)有效開展鎂營養知識普及，加快冬油菜施鎂技術的推廣應用。