鎂肥在我國主要作物上的提質增效作用

李春儉，王 正，張福鎖

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2.國際鎂營養研究所，福建農林大學，福建 福州 350002）

作物生長有17種必需元素[1]，保證所有必需元素的平衡供應才能實現作物高產高質、養分高效的目標。長期以來，在國內外生產中，大量施用氮磷鉀化肥而忽視其他養分投入的現象普遍存在。連續大量、甚至過量施用氮磷鉀化肥導致養分投入不平衡，不但影響作物產量和品質、降低肥料利用率，還會增加生產成本、浪費資源，并帶來一系列環境問題。

鎂是植物生長發育所必需的礦質元素之一，參與植物體內包括葉綠素合成、光合作用、同化產物運輸、蛋白質合成及能量代謝，并參與多種酶促反應或激活酶活性。根據植物生長的需要量，鎂和氮、磷、鉀等元素被稱為大量元素[1-4]。但在實際生產中，普遍使用氮磷鉀而忽視鎂肥的現象長期存在，導致近些年在田間，特別是我國南方地區，農作物缺鎂癥狀普遍發生，并由此造成產量和品質下降。不重視施用鎂肥不僅發生在中國，同樣在世界其他國家的現代農業生產中也普遍存在[5]。

2016年9月由德國鉀鹽集團與福建農林大學合作共建了國際鎂營養研究所。國際鎂營養研究所以植物鎂營養基礎與應用研究為重點，關注農業生產中鎂與其他營養元素之間的相互作用，揭示鎂在提高作物產量和品質方面的作用機制。2017年國際鎂營養研究所在國內建立了鎂營養研究協作網，近30個大專院校、科研院所和企業的科研人員在全國連續開展施肥量調查、土壤取樣以及大面積的鎂肥田間試驗和示范。本文分析了生產中忽視施用鎂肥的可能原因，揭示了我國當前土壤鎂營養現狀以及施用鎂肥提高作物產量和品質的效果。呼吁在農業生產中重視施用鎂肥，最大程度提高各種元素的利用率，實現農業生產中減肥增效、綠色發展的目的。

1 鎂是植物生長所必需的大量元素

在國外著名的專著和教科書中，鎂與氮、磷、鉀一樣，都被認為是植物生長發育所必需的大量元素。其中鎂和磷在植物體內的濃度相當，均為植物干重的0.2%左右[1，6-8]。但在國內，鎂被認為是中量元素，低估了植物對鎂的需要量及鎂的重要性。此外，與氮磷鉀缺乏嚴重抑制作物生長相比，缺鎂限制生長和產量的影響程度相對較低，也導致生產中忽視鎂肥的施用。

鎂在植物的營養器官特別是葉片中分布較多[1，6-7]。鎂能夠幫助植物抗鋁、鎘、鹽以及高溫強光等逆境脅迫[9-14]，說明了鎂在植物抗逆生理中的重要性，因而在逆境條件下，更能體現鎂對植物生長的重要作用。

2 土壤中鎂的濃度相對較高

Reisenauer[15]調查了不施肥土壤中不同礦質元素的濃度，其中鎂和磷的濃度相差很大（表1）。在測定的337個土壤樣本中，Mg2+濃度主要分布在25～200 mg·kg-1之間；而PO43-濃度在149個土壤樣本中多分布于0.00～0.15 mg·kg-1之間（表1）。如此大的濃度差異，再加上土壤中的鎂主要通過質流方式到達根系表面，甚至在根際也有鎂的累積；而磷在土壤中主要靠擴散作用移動，擴散速率很慢，絕大多數土壤中有效磷的濃度極低，使得作物根際區的有效磷經常處于虧缺狀態，根際區的有效磷交換頻率達到20～50次·d-1才能滿足作物生長需求[1，16-17]，而且施入的磷肥很容易被土壤顆粒固定而無效化，使人們自然認為生產中應該補充磷肥，不需要施用鎂肥。

表1 土壤溶液中鎂和磷的濃度

但實際上，Mg2+水化半徑大，具有非常高的水化能，在土壤中更容易被淋失，在酸性土壤中尤為嚴重[1，6-7]。此外，其他陽離子如K+、NH4+[18]、Ca2+、Mn2+[19]以及H+（低pH值）等均能顯著減少根系對Mg2+的吸收，由競爭性陽離子引起的缺鎂現象普遍存在。所以，盡管土壤中的有效鎂濃度遠高于磷，但作物缺鎂的現象仍時常發生。

3 我國土壤中可交換性鎂濃度現狀

據FAO[20]統計，2017年，中國農業氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）的總投入量分別為3120萬、1590萬和1390 萬t，占全球農業氮磷鉀總用量的31.2%。在2004～2014年的10年間，我國每年的磷肥使用量從88 kg·hm-2增加到123 kg·hm-2，導致每年土壤中累積的磷超過90 kg·hm-2[21]。然而，無論在FAO網站還是在我國的統計數據中，都看不到鎂肥的用量統計數據，說明無論在生產中還是官方的統計中都沒有重視鎂肥的施用。

國際鎂營養研究所和全國鎂營養研究協作網自2017年開始，以農戶問卷調查形式對中國13個省（主要是南方）的14種作物（主要是果樹和蔬菜）開展了土壤、農戶施肥以及作物鎂養分狀況調查。根據農戶調研結果，我國農戶的田間養分管理粗放，化肥氮磷鉀總量投入普遍過高，而施用鎂肥的農戶及用量很少[5]。需要指出的是，過量施用的氮磷鉀肥會通過抑制根系生長或陽離子間的競爭作用，進一步減少作物根系對土壤中鎂的吸收利用[1]。調查結果顯示，與大量施用氮磷鉀相比，大部分農戶在生產中沒有施用鎂肥。在所有調研農戶中，僅在福建蜜柚、廣東冬瓜、海南菠蘿和山東番茄的生產中有424戶施用過鎂肥，分別占4個區域調研農戶數的62%、5%、43%和42%，而且4個區域的平均鎂肥（MgO）用量很少，分別為67.5、10.3、23.2和2.3 kg·hm-2，不足磷肥用量的10%[5]。

在進行上述農戶問卷調查的同時，收集了調查地點的土壤樣品4167份。另補充從發表文章、我國不同生產體系的土壤樣品測定數據及農業農村部測試數據，共計獲得10382個土壤交換性鎂的測定結果。對我國（不含青海、西藏和臺灣地區）土壤鎂養分狀況的分析結果表明：45.3%的土壤嚴重缺鎂（＜60 mg·kg-1），18.3%的處于缺乏（60～120 mg·kg-1）水平，16.4%的處于適宜（120～240 mg·kg-1）水平，12.9%的處于偏高（240～480 mg·kg-1）水平，處于豐富（480～720 mg·kg-1）和極豐富（＞720 mg·kg-1）的比例僅為4.0%和3.0%（圖1）。

圖1 我國0～20 cm土壤交換性鎂濃度分布（不含青海、西藏和臺灣地區）

進一步分析上述結果表明，現階段我國土壤交換性鎂濃度平均為160.5 mg·kg-1，其中南、北方平均值分別為94.3、393.0 mg·kg-1，呈北高南低的分布趨勢。土壤交換性鎂濃度較低的省份主要集中在長江以南地區，除了四川（131.8 mg·kg-1）、江蘇（283.5 mg·kg-1）和上海（344.8 mg·kg-1）3地的土壤交換性鎂濃度平均值高于120 mg·kg-1以外，其他11個省、自治區、直轄市（福建、海南、廣西、云南、浙江、江西、貴州、廣東、湖南、重慶和安徽）均低于120 mg·kg-1，尤其是福建、云南、海南和廣西4省及自治區的值低于60 mg·kg-1，浙江、江西、貴州、廣東、湖南、重慶、安徽7省及直轄市的平均值在60～120 mg·kg-1之間。全國土壤交換性鎂濃度高于300 mg·kg-1的省份主要分布在北方，包含新疆、吉林、內蒙古、遼寧、甘肅、山西和山東7省及自治區。山東省土壤交換性鎂濃度居全國之首，平均值為532.0 mg·kg-1。

4 施用鎂肥有明顯的增產提質效果

Wang等[22]收集了2019年11月之前國內外發表的鎂相關文獻，通過4個標準進行篩選：1）所有研究以不施鎂肥為對照，施用鎂肥為處理組，為單一變量；2）所有結果均為田間試驗數據，不包括室內盆栽或營養液培養試驗；3）鎂肥施用方式均為土施，不含葉面噴施；4）研究報道中含有作物類型和產量結果。滿足條件的共有99篇文獻，含178個田間試驗，570對觀測值（國內396，國外174）。試驗分布在全球10個國家，涉及30多種作物，分為9組：糧食類（大米、玉米、小麥、大麥）、水果類（蘋果、香蕉、菠蘿、柑橘、蜜柚、荔枝、西瓜、甘蔗）、蔬菜類（白菜、生菜、辣椒、番茄、黃瓜）、塊莖類（馬鈴薯、甘薯、木薯、胡蘿卜）、油料作物（大豆、花生、油菜、向日葵），草、煙草、茶葉和其他作物（甜菜、洋蔥、藍莓）。

Meta分析結果表明，施用鎂肥平均增產8.5%。顯著增加了水果類（12.5%）、草（10.6%）、烤煙（9.8%）、塊莖類（9.4%）、蔬菜類（8.9%）、糧食類（8.2%）、油料類（8.2%）和茶葉（6.9%）等作物的產量（P＜0.05）。施鎂對糧食類、油料類、茶葉和其他部分作物的增產效果較低[22]。

從鎂肥的施用效果看，由于土壤中有效鎂濃度和土壤pH值直接影響作物根系對鎂的吸收，所以在缺鎂和酸性土壤上施用鎂肥對提高作物產量的效果優于土壤有效鎂濃度高及pH值高的土壤[22]。從用量上看，當鎂肥（MgO）施用量低于100 kg·hm-2時，鎂肥的農學效率較高，作物的增產效果明顯，過多施用鎂肥時作物產量沒有響應[5]。上述結果顯示，在生產中需要根據土壤養分狀況和作物需求優化鎂肥用量，并非越多越好，應避免類似過量施用氮磷鉀肥料造成的肥料利用率降低、投入成本增加及環境風險增大等負面效應的出現。

國際鎂營養研究所和全國鎂營養研究協作網從2017年開始在全國12個省份（主要是南方地區）共選擇14種作物布置了37個2+X定位試驗和19個鎂水平定位試驗。2+X試驗包括農民習慣施肥、優化氮磷鉀處理及優化氮磷鉀加X處理（根據作物需求和土壤鎂濃度不同添加不定量的鎂肥）。試驗結果表明，優化氮磷鉀處理與農民習慣施肥相比減少氮磷鉀化肥用量N 15～283、P2O50～400、K2O 15～153 kg·hm-2，不但沒有減產，反而增產0.6%～24.1%[5]，這也證實了我國用于果蔬生產的N、P2O5和K2O化肥投入量總體過高的結論[23]。結合2+X和鎂水平定位試驗的結果發現，與優化氮磷鉀處理相比，施用鎂肥能夠進一步增產，平均增產7.8%（n=110）（圖2），并且對水果蔬菜等經濟作物的增產幅度大于糧食作物[5]，這與Wang等[22]的Meta分析結果相吻合。

圖2 施用鎂肥對不同作物產量的影響

更為重要的是，2+X和鎂水平試驗的結果表明，施鎂不僅能不同程度提高作物產量，包括冬瓜果實直徑和千粒重、葡萄單果重、茶葉芽頭數、小麥分蘗數和穗粒數、水稻千粒重、油菜收獲密度和穗粒數等，同時還提高了不同經濟作物的品質指標，如水果中的蜜柚果實可溶性糖含量，柑橘果實的Vc和可溶性固形物含量，臍橙果實的Vc含量，葡萄果實可溶性糖、Vc及可溶性固形物含量；蔬菜類作物中辣椒果實的Vc含量，冬瓜葉片可溶性糖濃度等；油菜籽含油量，甘蔗可溶性糖及總糖含量等[5]。

5 結論與展望

（1）鎂是植物生長所必需的大量元素。在我國農業生產中長期忽視鎂肥的施用，除將鎂認為是植物生長必需的中量元素的誤導作用之外，也與土壤中的交換性鎂濃度較高（與有效磷相比）、缺鎂限制生長和產量的影響相對較低（與氮磷鉀缺乏嚴重抑制作物生長相比）以及缺鎂癥狀常常發生在高溫強光等逆境條件下等有關。但實際上，土壤中的鎂容易淋失，并且其有效性易受土壤中其他陽離子的影響。大部分農戶并未認識到生產中施用鎂肥的重要性，亟須增加鎂知識的科普和宣傳，并進行作物鎂肥試驗示范效果的展示。

（2）近十多年來，我國在禾谷類糧食作物（小麥、玉米和水稻）生產中通過氮磷鉀養分優化綜合管理，在減肥增效方面取得了顯著進步[24-28]。然而對蔬菜、果樹等經濟作物的化肥投入和養分利用效率管理關注較少。由于經濟效益高、產量高，農民在蔬菜和果樹上的施肥量遠遠高于糧食類作物。2014年，用于果蔬生產的N、P2O5和K2O化肥投入量分別占全國化肥總用量的32%、40%和49%[23]。我國果蔬生產的養分利用率僅為10%，低于全球平均值（14%），也顯著低于禾谷類作物（42%～53%）[29]。Wang等[22]對國內外發表的文獻數據進行的Meta分析結果以及國際鎂營養研究所和全國鎂營養研究協作網2017年以來在全國進行的農戶調查，數十個2+X定位試驗和19個鎂水平定位試驗結果顯示，我國經濟類作物的氮磷鉀化肥節約潛力巨大，優化施肥不會減產，還會增產。在優化氮磷鉀化肥投入的基礎上，增施鎂肥能夠進一步提高產量，還能改善多項經濟作物的外觀和內在品質指標，說明了在我國農業生產中增施鎂肥的必要性和緊迫性。

（3）我國超過63%的土壤缺鎂或嚴重缺鎂（＜120 mg·kg-1）。施用鎂肥增產提質的效果在我國南方地區酸性土壤、交換性鎂濃度低的土壤以及在經濟類作物上尤為明顯。實際上，施用鎂肥不僅在我國南方有效，在土壤交換性鎂濃度較高的北方地區仍然有效，如新疆的葡萄、東北的大米、山東的設施番茄等[5]，需要進一步探明原因。生產中施用鎂肥需要注意以下問題：鎂肥的溶解性決定著它的施用方式。溶解性小的鎂肥可與土壤混施，宜作基肥；水溶性鎂肥一般可以表施，宜作追肥。一般來說，鎂肥應與其他肥料配合施用，維持養分供應平衡，效果才好。在鎂肥的施用方式上，有土壤施肥和葉面噴施兩種。葉面噴施作為土壤施肥的一種直接、高效的輔助措施，已成為現代農業生產中一項見效快、用量少、效率高的施肥技術。土施鎂肥時，還要考慮土壤的酸堿性。強酸性土壤宜施用氧化鎂、氫氧化鎂、白云石灰、蛇紋石粉、鈣鎂磷肥等緩效性鎂肥作為基肥，既能增加溶解度，提高鎂的有效性，又能中和土壤的酸性；對弱酸性和中性土壤，施用硫酸鎂和硫鎂礬效果更好。目前需要在全國范圍內繼續開展鎂肥增產提質增效的研究和大面積示范和推廣，確定不同區域的土壤鎂臨界值，進行不同區域土壤鎂有效性的評價，為我國農作物增產提質、提高養分利用效率以及農業的可持續性綠色發展做出貢獻。

致謝：感謝國際鎂營養研究所和全國鎂營養研究協作網所有成員提供的數據。