大蒜養(yǎng)分“M”形吸收機(jī)理與專用高效肥設(shè)計(jì)

鄭文婧 惠建斌* 王秀峰

（1中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190；2河南東大科技股份有限公司，河南登封 452470）

大蒜作為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界第一位。因其獨(dú)特的風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值受到許多消費(fèi)者的喜愛，成為食物科學(xué)、氣味學(xué)、醫(yī)藥、保健科學(xué)研究的重要對(duì)象[1]，也是大蒜種植專家、肥料科學(xué)與營養(yǎng)學(xué)研究的重點(diǎn)。本文在總結(jié)分析大蒜成分、土壤自然肥力、肥料利用率的基礎(chǔ)上，對(duì)大蒜種植需要的大量元素、中量元素、微量元素理論量進(jìn)行討論，指出大幅提升化肥利用率、研制高效專用肥是落實(shí)我國化學(xué)肥料零增長戰(zhàn)略的重要技術(shù)方向，并根據(jù)我國大蒜主要產(chǎn)區(qū)的土壤類型、土壤肥力、大蒜品種概況，提出了大蒜專用高效肥理論配方，以供大蒜種植戶參考。

1 大蒜植株攜帶營養(yǎng)元素的理論量

大蒜植株中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的研究，很多文獻(xiàn)都有報(bào)道，但涉及大蒜營養(yǎng)成分的具體數(shù)據(jù)時(shí)，由于品種、產(chǎn)地、施肥量、測試階段等均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)上存在差異。為此，筆者以調(diào)研文獻(xiàn)獲得的大蒜頭、根、秸稈、灰分等數(shù)據(jù)為依據(jù)，了解大蒜植株攜帶營養(yǎng)元素的基礎(chǔ)數(shù)量，以作為大蒜營養(yǎng)研究和配方施肥的理論依據(jù)。

綜合文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)，總結(jié)出100 g新鮮大蒜中含水（70±5）g、蛋白質(zhì)（4.4±1.5）g、碳水化合物（23±2）g、脂肪（0.2±0.1）g、粗纖維（0.7±0.2）g、灰分（1.3±0.1）g、揮發(fā)油（0.10±0.02）%；脫水干燥大蒜含水分（9.04±1.00）%、粗蛋白（15.4±3.0）%、粗脂肪（1.22±0.10）%、粗纖維（4.48±0.50）%、灰分（5.82±0.10）%、鈣（0.43±0.30）%、磷（0.35±0.20）%。 其中，灰分主要由 Na、Ca、Mg、Mn、Cu、K、Zn、Fe、Cr、Cd 等 10 多種 金屬元素氧化物構(gòu)成。已有報(bào)道稱，大蒜中的鈣含量超過1598.21μg/g，鉀超過 12172.41μg/g，鎂超過 610μg/g，鋅 120 μg/g，鈉超過 130 μg/g，總量超過 14 630 μg/g[2]。

大蒜中含有揮發(fā)油，揮發(fā)油所含化合物種類超過30種[3]，目前已查明這些化合物以含硫化合物為主。例如，大蒜中蒜素的刺激性氣味比二丙烯基二硫化物更強(qiáng)烈，主要成分為二丙烯基硫代亞磺酸酯。大蒜的這種獨(dú)特風(fēng)味受到科技界關(guān)注，圍繞大蒜風(fēng)味化學(xué)的研究在世界范圍內(nèi)成為重要的研究領(lǐng)域。

對(duì)大蒜根的分泌物研究表明：分泌物的主要成分為有機(jī)酸類、酯類、芳香族化合物、雜環(huán)類化合物及烷烴類，其中的化感物質(zhì)為鄰苯二甲酸二丁酯、2，6-二異丙基苯酚、2，6-二叔丁基對(duì)甲酚等[4]。 對(duì)大蒜秸稈研究表明，1 t大蒜可產(chǎn)生約10%的秸稈副產(chǎn)品，干秸稈成分中含粗蛋白（8.68±2.00）%、粗脂肪（0.96±0.15）%、粗纖維（24.63±3.00）%、鈣（2.29±0.50）%、磷（0.25±0.20）%[5]。

由此可見，大蒜根、莖、葉片中的天然成分?jǐn)y帶著多樣的組分和化合物，營養(yǎng)價(jià)值高，粗纖維含量適中，具有極高的利用價(jià)值，既可以作為飼料資源進(jìn)行開發(fā)利用[4]，又可以作為重要的中藥原料及保健品原料，增加其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 大蒜從耕地中攜帶的營養(yǎng)元素?cái)?shù)量估算

與其他農(nóng)作物一樣，大蒜生長周期所需要的營養(yǎng)元素均源自空氣、水、土壤。但由于耕地土壤數(shù)十年的連續(xù)耕作利用，加上雨水的淋洗作用，自然肥力不高，能為大蒜生長提供的營養(yǎng)物質(zhì)特別是氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、鋅等十分有限。為簡化估算過程，忽略土壤中存留的營養(yǎng)元素?cái)?shù)量，直接以大蒜生物體中元素組成數(shù)據(jù)為依據(jù)，估算氮元素流失量。按照大蒜產(chǎn)地平均產(chǎn)量18 t/hm2估算，大蒜中蛋白質(zhì)總量約675 kg/hm2，秸稈中蛋白質(zhì)約157.5 kg/hm2。假設(shè)大蒜、秸稈最終全部收集運(yùn)走，則帶離的蛋白質(zhì)總量約 833 kg/hm2，折合純 N 約 134.4 kg/hm2，即 1 hm2耕地每年被大蒜帶離的純N量約134.4 kg。

類似地，可以估算出1 hm2耕地每年被大蒜帶走的鈣、鎂均為30 kg左右，被帶離的磷為18 kg左右，被帶離的鉀約45 kg，被帶離的硫9 kg。

由此可知，連續(xù)高強(qiáng)度的耕作，耕地每年流失的營養(yǎng)元素?cái)?shù)量大，1 hm2耕地由大蒜攜帶流失的氮、磷、鉀、鈣、鎂等各種營養(yǎng)物質(zhì)總量超過285 kg，土壤肥力低下，需要人工提供營養(yǎng)物質(zhì)，否則無法獲得高產(chǎn)。大蒜植株攜帶流失氮、磷、鉀等超過285 kg/hm2的理論數(shù)據(jù)，可以看作維持單產(chǎn)18 t/hm2的最低理論值，實(shí)際施肥量既要考慮理論值，也要考慮肥料利用率、植株吸收特點(diǎn)與養(yǎng)分在植株中的分布規(guī)律。

3 大蒜的營養(yǎng)吸收規(guī)律與養(yǎng)分分布

除了光、熱、二氧化碳、水等以外，大蒜營養(yǎng)成分基本都源于其生長的土壤環(huán)境。隨著耕地土壤高強(qiáng)度的耕作，其可利用養(yǎng)分和組分含量趨于枯竭，必須通過人工調(diào)節(jié)和施放才能為土壤中生長的作物提供足夠的必要養(yǎng)分，滿足作物正常生長需求。

為了使人工施放的營養(yǎng)物質(zhì)最大限度地發(fā)揮營養(yǎng)作用，筆者總結(jié)了大蒜自身營養(yǎng)需求吸收的過程特點(diǎn)和相對(duì)數(shù)量，發(fā)現(xiàn)了大蒜生命周期中的營養(yǎng)吸收在不同階段呈現(xiàn)不同的數(shù)量變化，其營養(yǎng)吸收數(shù)量變化在時(shí)間方向上具有“M”形波動(dòng)性特點(diǎn)。這可以作為高效專用肥結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

如圖1所示，大蒜從萌芽期、幼苗期、鱗芽花芽分化期、蒜薹伸長期到鱗莖膨大期對(duì)大量營養(yǎng)元素氮、磷、鉀的吸收存在“M”形吸收規(guī)律，其中：氮肥、鉀肥的營養(yǎng)吸收高峰均出現(xiàn)在鱗莖膨大期；磷肥的吸收高峰出現(xiàn)在蒜薹伸長期。3種養(yǎng)分的吸收高峰出現(xiàn)時(shí)間并不一致[6]。說明不同營養(yǎng)物質(zhì)在大蒜不同生長階段發(fā)揮的作用、功能、方式等微觀機(jī)理在協(xié)同支持大蒜生長時(shí)又存在各自的特點(diǎn)，即：在萌芽階段吸收氮素很少，約為1%；幼苗階段，對(duì)氮素的吸收出現(xiàn)一個(gè)小高峰，吸收氮素的相對(duì)比例為5.7%左右；此后鱗莖和花芽分化期吸收氮素的相對(duì)比例下降，吸收氮素相對(duì)比例為3.5%左右；這個(gè)階段后，從蒜薹伸長一直到鱗莖膨大，吸收氮素的相對(duì)比例一直是升高的，在鱗莖膨大期達(dá)到最高，吸收比例達(dá)到67%左右；此后，隨著大蒜成熟，吸收氮的相對(duì)比例迅速降低，從而呈現(xiàn)“M”形吸收特點(diǎn)。

磷素、鉀素的吸收在總體特征上也呈現(xiàn)“M”形吸收特點(diǎn)。大蒜吸收鉀素規(guī)律與氮素類似，其吸收的最高峰也在鱗莖膨大期。但磷素吸收的最高峰階段與氮素、鉀素吸收不同，雖然也呈現(xiàn)“M”形養(yǎng)分吸收特點(diǎn)，但吸收最高峰出現(xiàn)在蒜薹伸長期。

了解大蒜對(duì)養(yǎng)分的吸收規(guī)律以及養(yǎng)分在不同階段的需求相對(duì)量和分布特點(diǎn)，有利于把控營養(yǎng)物質(zhì)的施肥時(shí)間、供給時(shí)間、供給數(shù)量、方式等，對(duì)指導(dǎo)具體的種植活動(dòng)有非常重要的理論指導(dǎo)意義，也對(duì)研究開發(fā)高效專用肥的結(jié)構(gòu)、調(diào)控結(jié)構(gòu)肥的功能具有指導(dǎo)作用。

4 大蒜專用高效肥的設(shè)計(jì)理論

如前所述，在了解大蒜對(duì)氮、磷、鉀的吸收規(guī)律以及大蒜植株攜帶營養(yǎng)元素的理論量后，關(guān)于大蒜專用高效肥結(jié)構(gòu)化理論設(shè)計(jì)，至少需要考慮以下幾個(gè)方面，即：大蒜的單產(chǎn)，大蒜吸收氮、磷、鉀的規(guī)律，氮、磷、鉀的實(shí)際利用率，肥料養(yǎng)分的釋放方式，專用高效肥結(jié)構(gòu)化應(yīng)具有的特點(diǎn)。

按大蒜單產(chǎn)18 t/hm2計(jì)，大蒜植株攜帶流失的營養(yǎng)元素氮、磷、鉀數(shù)量分別為 134.4、18.0、45.0 kg/hm2，硫、鈣、鎂超過69 kg/hm2，且大蒜吸收氮、磷、鉀養(yǎng)分過程中存在“M”形特征（即2個(gè)養(yǎng)分吸收高峰：最大吸收期出現(xiàn)在鱗莖膨大期或蒜薹伸長期，次小高峰出現(xiàn)在大蒜脫母后的幼苗期）。據(jù)此，在高效專用肥料結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，既需要考慮養(yǎng)分總量供給，也要考慮大量元素吸收峰以及磷吸收最高峰與氮、鉀吸收最高峰的階段差異。

為此，對(duì)肥料結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計(jì)，就自然地賦予高效結(jié)構(gòu)肥料應(yīng)該具有這樣的特點(diǎn)：一方面能夠?yàn)榇笏庵仓晏峁┳銐虻臓I養(yǎng)物質(zhì)，一方面養(yǎng)分的釋放模式與大蒜的各個(gè)吸收高峰期相吻合，能夠一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)，在大蒜吸收養(yǎng)分的其他階段，依然能夠有效釋放必要的和適量的養(yǎng)分，以滿足大蒜整個(gè)生長過程的生理需要。這種特點(diǎn)是確保養(yǎng)分能夠全部被吸收的前提。

對(duì)于養(yǎng)分比例和數(shù)量來說，大蒜單產(chǎn)18 t/hm2需要提供養(yǎng)分的理論數(shù)據(jù)如下：50 kg裝的9-1.2-3型號(hào)的氮磷鉀復(fù)混肥（總養(yǎng)分13.2%）30袋或50 kg裝18-2.4-6型號(hào)的復(fù)混肥（總養(yǎng)分26.4%）15袋。按照我國肥料標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定，若要標(biāo)出磷的含量，就只能提升磷含量至5%，這樣肥料的理論型號(hào)就變?yōu)?8-5-6；如果不標(biāo)出磷含量，則為18-0-6。但由于存在總養(yǎng)分不能＜25%的規(guī)定，因而可以根據(jù)需要調(diào)升鉀含量或氮含量，這樣就設(shè)計(jì)出配方18-0-7型肥料或19-0-6型肥料。

對(duì)于非結(jié)構(gòu)化的普通復(fù)混肥或摻混肥來說，依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，目前市場上的普通肥當(dāng)季綜合利用率不超過35%。據(jù)此可計(jì)算出需要為大蒜提供的氮、磷、鉀分別為 385.5、51.0、129.0 kg/hm2，方可滿足單產(chǎn)18 t/hm2的營養(yǎng)需要。一律按照35%利用率折算氮、磷、鉀施放量，對(duì)應(yīng)市場上出現(xiàn)的26-5-9型肥料（總養(yǎng)分40%）就有了理論依據(jù)。需要提供上述營養(yǎng)型肥料30袋/hm2，才能從養(yǎng)分提供量方面滿足大蒜生長需求。

如果考慮氮、磷、鉀實(shí)際利用率的差異，磷肥利用率一般＜15%，那么就需要提供8 kg磷肥以滿足1.2 kg磷素的實(shí)際需要。硫酸鉀型肥料的利用率一般高于55%（氯化鉀型肥料利用率相對(duì)較低），則需要提供5.5 kg鉀肥以滿足3.0 kg鉀素的實(shí)際需要。氮肥利用率一般為40%左右，需提供22 kg氮肥以滿足8.5 kg氮素的實(shí)際需要。與此對(duì)應(yīng)的理論配方為22-8-6（總養(yǎng)分36%），需要施用50 kg裝肥料30袋/hm2才可以滿足實(shí)際需要。

從數(shù)值上看，設(shè)計(jì)出的普通肥料總養(yǎng)分36%和40%比結(jié)構(gòu)化高效肥的理論值13.2%分別高出173%和203%。如果與市場上常用的15-15-15以及17-17-17相比，這些肥料比結(jié)構(gòu)化肥料高出至少317%，比設(shè)計(jì)的普通肥料配方也高出至少53%。這說明肥料養(yǎng)分載體具有合理的結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分釋放機(jī)理時(shí)，肥料利用率大幅提升，減量增效的效果和前景也十分誘人。

5 大蒜種植實(shí)踐與專用高效結(jié)構(gòu)化肥料設(shè)計(jì)

在大蒜實(shí)際種植過程中，由于肥料利用率涉及管理、施用方式、肥料品質(zhì)、用戶習(xí)慣、用戶經(jīng)驗(yàn)等多種因素，要真正做到科學(xué)配肥、科學(xué)施肥或測土精準(zhǔn)施肥還有許多理論問題和實(shí)踐問題需要解決。崔艷秋等[7]研究認(rèn)為，大蒜生長需要的氮、磷、鉀最佳比例為 10∶3.6∶7；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氮、鉀吸收高峰在鱗莖膨大期，磷吸收高峰在蒜薹伸長期，這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)中的其他報(bào)道結(jié)果基本一致。其推薦的最佳施肥量為純N436.95kg/hm2、P2O5213.34kg/hm2、K2O336.74kg/hm2，其中氮、鉀肥均2/3作底肥、1/3作追肥時(shí)效果最好。由于普通肥料在施用過程中存在“一炮轟”現(xiàn)象，無法與大蒜在苗期、鱗莖膨大期需要的氮、磷、鉀數(shù)量以及比例要求相匹配，而速溶肥、滴灌肥存在施肥頻次高、勞動(dòng)成本高的特點(diǎn)。在此背景下，緩控釋肥料引起了研究人員的關(guān)注。王 干等[8]研究表明，施用緩釋尿素的大蒜，雖然苗期長勢沒有優(yōu)勢、表現(xiàn)一般，但最終產(chǎn)量明顯高于普通肥料。

在上述研究的基礎(chǔ)上，筆者選用的一種礦物浮選末端組分（圖2）作為專用高效結(jié)構(gòu)化肥的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)材料，利用其組分、結(jié)構(gòu)和自黏結(jié)性能，研制出了具有緩釋、控釋功能的組裝顆粒，實(shí)現(xiàn)了肥料組分的結(jié)構(gòu)化。這種肥料具有一定的環(huán)境響應(yīng)和時(shí)空調(diào)控功能，將肥料顆粒的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)與現(xiàn)有摻混、捏合、復(fù)合肥的優(yōu)勢結(jié)合，同時(shí)吸納納微顆粒復(fù)配以及功能材料的最新成果，形成了能夠調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與組分復(fù)配方式，開發(fā)出符合大蒜營養(yǎng)吸收規(guī)律的長效、高吸收專用肥。其基本原理如圖3（a）所示，實(shí)際制備的顆粒如圖3（b）所示。

根據(jù)使用材料的不同以及結(jié)構(gòu)化方式的差異，設(shè)計(jì)制備了兩類高效專用肥：一類是利用率應(yīng)達(dá)到國際平均水平的結(jié)構(gòu)肥料，氮、磷、鉀的利用率為60%；一類是專用的結(jié)構(gòu)化高效肥，氮、磷、鉀的利用率可以達(dá)到85%以上。不同利用率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)配方如下：①在利用率達(dá)到60%水平時(shí)，大蒜施肥的理論數(shù)據(jù)為氮 225 kg/hm2、磷 30 kg/hm2、鉀 75 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的肥料型號(hào)可設(shè)計(jì)成15-2-5或30-4-10；②在利用率達(dá)到85%水平時(shí)，大蒜施肥的理論數(shù)據(jù)應(yīng)為氮157.5 kg/hm2、磷 22.5 kg/hm2、鉀 52.5 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的肥料型號(hào)可設(shè)計(jì)成11-1.5-3.5或22-3-7。

應(yīng)該注意的是，以上討論和提供的理論配方與設(shè)計(jì)方案，在具體種植和實(shí)踐中，用戶和肥料研究者應(yīng)該根據(jù)耕地土壤的測土數(shù)據(jù)、大蒜產(chǎn)量、大蒜品種等，參照本文理論數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行養(yǎng)分配伍，同時(shí)要在肥料結(jié)構(gòu)化方面進(jìn)行創(chuàng)新，研制新型高效肥料，使獲得的理論數(shù)據(jù)和大蒜營養(yǎng)機(jī)理能夠通過新產(chǎn)品的性能、功能體現(xiàn)出來，從而大幅減少化肥施用量，大幅提升肥料利用率，從源頭解決肥料利用率低、流失率高、污染重等問題。