提高我國土壤-作物體系磷肥高效利用的途徑

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教授 馮 固

我國作物生產(chǎn)從20世紀(jì)70年代后期開始大規(guī)模使用磷肥，過量施用現(xiàn)象普遍。目前磷肥當(dāng)季利用率低，糧食作物約20%，蔬菜果樹不足10%；殘留在土壤中的磷還存在污染水體的風(fēng)險(xiǎn)。如何提高磷肥利用效率是關(guān)乎作物生產(chǎn)綠色提質(zhì)增效的重大問題。

磷肥-土壤-作物體系不匹配、過度依賴高濃度水溶性磷肥、忽視作物高效吸收利用磷的生物學(xué)潛力在磷肥高效吸收利用中的作用是導(dǎo)致我國作物生產(chǎn)中磷肥過量施用、利用率低的3個(gè)主要原因。

（1）磷肥品種與土壤性質(zhì)不匹配是導(dǎo)致磷肥利用率低的首要原因。從阻止磷肥有效性在土壤中固定損失的角度來看，我國北方的堿性土壤應(yīng)該施用酸性磷肥、南方的酸性土壤應(yīng)該施用堿性磷肥。然而，這樣一個(gè)看似常識性的簡單問題卻被肥料市場完全顛倒、扭曲了。當(dāng)前，北方肥料市場上磷酸二銨占據(jù)主導(dǎo)地位，而以磷酸一銨為主要原料生產(chǎn)的各類復(fù)合（混）肥料占據(jù)了南方肥料市場。未來需要磷化工行業(yè)和農(nóng)業(yè)部門跨界聯(lián)合，共同解決磷肥-土壤-作物體系不匹配的難題。

（2）磷肥生產(chǎn)中過度追求高水有比（水溶磷與有效磷的質(zhì)量比）、銷售環(huán)節(jié)過度宣傳高水溶性特征、作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)過度依賴高濃度水溶性磷肥是導(dǎo)致磷肥利用率低的重要原因。化學(xué)磷肥的生產(chǎn)是將磷礦通過強(qiáng)酸分解轉(zhuǎn)化成水溶性磷酸鹽的過程。高磷濃度、高水溶性的磷肥施入農(nóng)田以后很容易發(fā)生土壤固定，快速轉(zhuǎn)化為形態(tài)多樣、難溶于水的磷酸鹽，有效性損失率高達(dá)2/3。為了維持生長需要，植物不得不消耗大量的光合產(chǎn)物，通過根系分泌有機(jī)酸、質(zhì)子、磷酸酶，或者通過招募并供養(yǎng)解磷微生物和菌根真菌等方式再一次活化無效化了的肥料磷。這種周而復(fù)始的磷礦石化工活化-磷肥土壤固定-作物再次生物活化的磷酸鹽生物有效性變化歷程不僅引起能量和高品位磷礦資源的更多消耗，而且也讓我們深刻認(rèn)識到要將磷化工行業(yè)的先進(jìn)科技成果真正轉(zhuǎn)化為作物生產(chǎn)中的磷肥效率提升的效益還有很長的路要走，磷肥產(chǎn)品和工藝的創(chuàng)新與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求亟待深度融合。

（3）忽視作物高效活化利用磷的生物學(xué)潛力是作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)中導(dǎo)致磷肥利用率低的關(guān)鍵因素。作物對磷的獲取是通過根系和菌根兩條相互獨(dú)立的磷吸收途徑完成的，根系和菌根菌都具利用質(zhì)子、有機(jī)酸、磷酸酶、糖類等物質(zhì)直接活化難溶性磷，或者招募解磷微生物活化磷的能力。作物吸收利用磷的能力存在遺傳的差異。在不同土壤供磷強(qiáng)度下，作物根系和菌根菌的形態(tài)、磷素在作物體內(nèi)的利用效率都會做出適應(yīng)性調(diào)整。這種調(diào)整是由作物以及解磷微生物自身的生物學(xué)特性所決定的，我們將作物自身以及根際和菌絲際定殖的解磷微生物活化利用土壤磷的能力統(tǒng)稱為作物高效活化利用磷的生物學(xué)潛力。大量研究結(jié)果表明，土壤供磷強(qiáng)度過高、過低都不利于生物學(xué)潛力的發(fā)揮，只有在適宜的土壤供磷強(qiáng)度（有效磷的農(nóng)學(xué)閾值附近）下，作物根系形態(tài)與生理、解磷微生物的功能、菌根生物量等磷吸收利用的性狀達(dá)到相對最高的狀態(tài)，此時(shí)作物的產(chǎn)量潛力可達(dá)到85%～90%的較高水平。因此，將土壤有效磷的供應(yīng)強(qiáng)度控制在農(nóng)學(xué)閾值附近，有利于充分發(fā)揮作物高效活化利用磷的生物學(xué)潛力。經(jīng)過四十余年磷肥的大量使用，我國農(nóng)田土壤平均有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到了20 mg/kg以上，而大多數(shù)土壤-作物體系的有效磷農(nóng)學(xué)閾值也與這一數(shù)值接近。這意味著我國通過大規(guī)模的過量施用磷肥提升土壤磷素肥力水平的階段性任務(wù)已經(jīng)基本完成，未來農(nóng)田的磷肥用量應(yīng)當(dāng)在考慮作目標(biāo)物產(chǎn)量需磷量和將土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平維持在20 mg/kg這兩個(gè)前提下來進(jìn)行總量控制，從而大幅度提高磷肥利用效率。如果再考慮有機(jī)替代技術(shù)的普及，將我國化學(xué)磷肥的平均用量在現(xiàn)有水平上降低30%是可行的。

綜上所述，我國目前磷肥多以高濃度水溶性磷肥及復(fù)合肥為主，磷肥管理較少考慮肥料性質(zhì)與土壤－作物體系的匹配，對于不同集約化作物體系中磷肥的形態(tài)轉(zhuǎn)化、無效化機(jī)理及阻控途徑缺乏定量認(rèn)識，對于通過肥料-土壤-作物的匹配、充分發(fā)揮作物高效利用磷的生物學(xué)潛力、實(shí)現(xiàn)減磷增效的目標(biāo)缺乏系統(tǒng)研究。針對上述問題，在科技部“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助下，由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院南京土壤研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與區(qū)劃研究所、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)等國內(nèi)21所大學(xué)和科研單位的48位科技人員組成的《肥料磷素轉(zhuǎn)化與高效利用機(jī)理》項(xiàng)目組自2017年以來開展聯(lián)合試驗(yàn)攻關(guān)，研究了不同土壤-作物體系中磷肥的轉(zhuǎn)化與高效利用機(jī)理、磷肥高效利用的調(diào)控方法等問題。本期專輯集中收錄了17篇關(guān)于磷素轉(zhuǎn)化機(jī)理、根系和微生物調(diào)控方法、不同土壤-作物體系磷肥管理技術(shù)、區(qū)域磷肥限量標(biāo)準(zhǔn)等方面的最新研究成果，期望這些新理念和新技術(shù)能夠在我國作物生產(chǎn)的磷肥減施增效實(shí)踐中發(fā)揮重要作用。