基于生態幅的作物養分供應限

苗俊艷，王艷語，許秀成,

（1.鄭州富誼聯科技有限公司，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學 化工學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

農作物是生命體，應遵循生物學規律。每一類生物，對每一種生態因子都有其耐受的上限和下限，上下限之間就是該生物對這種生態因子的耐受范圍。對同一生態因子，不同種類的生物耐受范圍不同。生態因子根據其性質可歸納為5類：氣候因子、土壤因子、地形因子、生物因子和人為因子［1］。施肥對土壤、植物的干預成為影響土壤性質、植物生長的單一生態因子。

1 生態幅

1997年，北京大學著名生物學專家陳閱增教授等提出了生態幅（ecological amplitude）概念［2］，如圖1所示。在生態幅的中間為最適區，兩端為生理受抑制區，再向外延伸，超出生態幅，則為不耐受區。1999年，國際肥料工業協會（IFA）主編的《世界肥料使用手冊》中，將生態幅概念解釋為“作物產量與植物體內養分供應的關系”，如圖2所示［3］。肥料為作物提供養分，其施用量在一定范圍內，有利于農作物生長，但過多會抑制生長，甚至對農作物有毒害作用。

圖1 生物生存的溫度生態幅

圖2 作物產量與植物體內養分供應的關系［3］

2014年，《陳閱增普通生物學》將生態幅概念用美國生態學家SHELFORD V E提出的耐受性法則表達出來，生物對溫度的耐受范圍如圖3所示［4］。不同作物的耐受性不同。小麥生長最適宜溫度為25～31℃，最低溫度為3℃，最高溫度為37℃；水稻生長最適宜溫度為30～35℃，最低溫度為10℃，最高溫度為40℃；玉米生長最適宜溫度為37～44℃，最低溫度為5℃，最高溫度為50℃；火龍果生長最適宜溫度為25～35℃，耐0℃低溫和40℃高溫；沙棘對溫度要求不很嚴格，極端最低溫度可達-50℃，極端最高溫度可達50℃。

圖3 生物對溫度的耐受范圍

2 我國作物養分供應現狀

據中國統計年鑒統計，2015年我國單位耕地面積平均施肥水平為446 kg/hm2，單位播種面積平均施肥水平為363 kg/hm2。與聯合國糧農組織（FAO）2015年統計年鑒比較，我國單位耕地面積平均施肥水平是世界平均施肥水平（109.9 kg/hm2）的4.06倍，是美國平均施肥水平（107.7 kg/hm2）的4.14倍，是日本平均施肥水平（271.1 kg/hm2）的1.65倍。特別是氮肥的平均施用量，我國為296.8 kg/hm2，世界為69.3 kg/hm2，美國為65.9 kg/hm2，日本為120.1 kg/hm2［5］。

中國農業大學對全國冬小麥、早稻、晚稻、一季稻、春玉米、夏玉米6種糧食作物，統計分析了2 500～3 000個樣本的施肥效果［6］。結果表明，我國氮肥施用量已達到抑制作物生長的程度，處于生態幅的輕度中毒區。特別是春玉米，氮肥施用量從118 kg/hm2增加至263 kg/hm2，產量從11 119 kg/hm2降低至8 687 kg/hm2，減少22%。磷肥施用量已是奢侈供應，一些糧食作物已處于生態幅的輕度中毒區。一季稻磷肥施用量從43 kg/hm2增加至121 kg/hm2，產量從8 670 kg/hm2降低至6 941 kg/hm2，減少20%。柳小寧等［7］研究了施肥量對大麥甘啤7號產量和品質的影響，與常規施肥處理相比，除C處理（N 195 kg/hm2+P2O5195 kg/hm2）外，隨著施肥量增加，減產幅度增大，籽粒蛋白質含量升高，千粒質量和飽滿度降低，氮素農學效率和氮肥偏生產力均降低。過量施肥會導致設施番茄植株長勢變弱，生理性病害頻發，影響植株對中微量元素的吸收，導致土壤鹽漬化加重［8］；小麥施肥中也存在氮磷鉀配伍不合理、中微量元素缺乏等問題［9］。

1980—2000年，氮肥的過量施用，導致我國主要作物生產區土壤pH下降0.5，pH適宜作物生長的土壤面積減少，而不適宜作物生長的強酸性土壤面積增加［10］。土壤酸化導致果樹的粗皮病、潰瘍病劇增，加速果樹老化。據中國科學院統計，我國有超過50%的土壤缺乏中微量元素［11］，缺鋅土壤比例為51%，缺鉬土壤比例為46%，缺硼土壤比例為34%，缺錳土壤比例為21%，缺銅土壤比例為6%，缺鐵土壤比例為5%［12］，導致作物減產和農產品品質下降。過量施肥不僅對糧食增產作用有限，還會導致一系列生態環境問題，威脅農業可持續生產和人類健康。

3 作物養分供應限

在人為因子中，化學肥料是人類對植物生長的最大干預，這種干預符合生態幅的規律，即存在耐受低限、耐受高限、死亡區；作物養分供應也存在最適供應、奢侈供應，還存在低于最適供應的養分臨界值（最適宜養分供應量的90%）及高于奢侈供應的肥害區；作物養分供應限不僅存在數量上的限，還包括質量上的限。高等植物生長需要17種必不可少的營養元素。表1為高等植物干組織中必需營養元素的一般含量。

表1 高等植物干組織中必需營養元素的一般含量 %

作物養分理論供應量與作物種類、土壤供肥狀況、作物目標產量有關。以水稻產量7 500 kg/hm2為例，估算所需養分理論供應量。商品稻谷w（H2O）9.5%，干基w（N）1.5%，則7 500 kg稻谷中氮質量為102 kg；稻谷與稻草質量比為1.0∶0.9，商品稻草w（H2O）6%，干基稻草w（N）0.5%～0.9%（取0.7%），則干基稻草中氮質量為44 kg；估計稻根中氮質量為14 kg。則每收獲7 500 kg/hm2的商品稻谷，稻谷、稻草、稻根中氮質量為160 kg。即每公頃要獲得稻谷7 500 kg，氮的理論供應量為160 kg。

《世界肥料使用手冊》中提及［3］，現代高產品種稻谷產量一般為5 t/hm2，在這種產量下，作物將從土壤中取走N 110 kg、P2O534 kg、K2O 156 kg、MgO 23 kg、CaO 20 kg、S 5 kg、Fe 2 kg、Mn 2 kg、Zn 200 g、Cu 150 g、B 150 g、Si 250 kg、Cl 25 kg。本例中稻谷產量為7.5 t/hm2，則作物從土壤中取走的N量為165 kg，與估算的160 kg相近。

清華大學化工系郭志剛教授基于植物分子生物學的作物最低需肥量，配制了多種農作物專用配方肥。對于水稻產量8.25～13.05 t/hm2，N施用量105～158 kg、P2O5施用量40～45 kg、K2O施用量135 kg，比農民常規施肥N減少60%，P2O5減少50%，但K2O增加50%，產量提高9%，肥料成本減少15%，提高了作物的品質，減少了病蟲害的發生［13］。中國農業大學張衛峰等［6］利用曲線擬合方法建立目標產量與推薦施肥量的施肥合理標準示意圖，評價了農戶施氮肥、磷肥和鉀肥的合理、過量與不足，為作物的平衡施肥提供了理論支撐，氮肥施用量對水稻產量的影響見表2。

表2 氮肥施用量對水稻產量的影響

表2表明過量施用氮肥導致水稻減產，施氮量109 kg/hm2落在生態幅的適宜區（低于理論供應量），施氮量156 kg/hm2（與理論供應量相同）已落在奢侈供應區，而施氮量270 kg/hm2則落在輕度中毒區；據清華大學郭志剛教授的數據，施氮量在105～158 kg/hm2為適宜區。顯然，中國農業大學的109 kg/hm2、清華大學的105 kg/hm2均低于理論供應量160 kg/hm2。因此，應力求使我國水稻的養分供應量N在100 kg/hm2、P2O5在30 kg/hm2、K2O在50 kg/hm2左右，使氮磷鉀養分供應總量在180 kg/hm2左右。這與日本、印度、巴基斯坦、埃及、菲律賓、斯里蘭卡、孟加拉國7國水稻推薦氮磷鉀施肥的平均值179 kg/hm2相近。

作物養分供應限與作物產量相關，它決定了作物的“量”；必不可少的營養元素與作物品質相關，它決定了作物的“質”。根據作物養分需求規律，平衡供應作物所需的大、中、微量營養元素，對植物和人類健康具有重要意義。

4 小結

作物正在面臨營養過剩引發的健康危機，倡導作物臨界施肥理念，以科學發展的思路應對轉變才是保障我國糧食生產安全之道。2019年6月20—21日，在北京香山飯店，以鄭州大學為第一申請單位組織召開的第655次香山科學會議“基于生態幅的作物養分供應限與高質量農業發展”，將作物養分供應限定義為：Supply nutrients from luxury to critical，提出從我國普遍存在的奢侈施肥轉變為養分臨界點施肥，能最大限度達到減肥增效的目標；使作物高產的科技動力進入由“質”躍至“能”的新階段，由單一的“質”驅動進入“質-能”雙驅動的新階段，意義重大，將為人類對作物生長的思考提供一個新的視角，將為認識“作物高產優質”構畫一個新的更全面的理論圖景。