農(nóng)作物種植中如何提高磷肥有效利用率

王興磊

（遼寧省本溪市桓仁滿族自治縣二棚甸子鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)站，遼寧 本溪 117200）

在實(shí)現(xiàn)高效使用磷肥的同時(shí)兼顧保護(hù)環(huán)境的問題，以確保足夠的食品供應(yīng)和良好的環(huán)境質(zhì)量，在中國是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。雖然中國農(nóng)業(yè)的總耕地面積僅占世界的9%，但中國消耗了世界上36%的化肥。此外，磷肥的過度使用，不僅沒有增加糧食產(chǎn)量反而造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。例如，1998～2009年，糧食產(chǎn)量僅增加了10%，而化肥投入增加了近19%，磷肥施用過度，有效利用率不佳。據(jù)我國第一次全國污染源普查估計(jì)，全國共排放4.23×10t的磷。其中，67%來自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門，其中26%來自作物生產(chǎn)，38%來自畜牧業(yè)生產(chǎn)，3%來自水產(chǎn)養(yǎng)殖。與許多西方發(fā)達(dá)國家的相比，我國在磷肥的使用方面，不僅損失率高有效利用率低，而且使用不規(guī)范容易污染環(huán)境。

據(jù)悉，磷已成為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要原因之一，土壤中肥料磷過剩會造成地表水的富營養(yǎng)化，67%的磷污染來自農(nóng)業(yè)。除了環(huán)境問題，農(nóng)業(yè)還面臨著另一個(gè)重大挑戰(zhàn)，那就是全球巖P資源限制。盡管按目前的生產(chǎn)率估計(jì)，磷酸鹽巖的剩余時(shí)間為259年，磷酸鹽供應(yīng)方面沒有迫在眉睫的問題，但如果考慮到采礦困難和礦區(qū)政治動(dòng)蕩等方面的問題，情況就不容樂觀了。例如，3年前估計(jì)的磷酸鹽巖的剩余時(shí)間為300年，到今年估計(jì)的磷酸鹽巖的剩余時(shí)間為259年，人民的需求在增長而資源在加快耗竭。中國擁有世界第二大儲量，是最大的磷酸鹽生產(chǎn)國（沒有出口），但按目前的生產(chǎn)率計(jì)算，只有24年的供應(yīng)量，而印度和美國分別只有29年和37年的供應(yīng)量。如果磷酸鹽巖的估計(jì)剩余年供應(yīng)量繼續(xù)以目前的速度下降，則可以認(rèn)為到2040年所有供應(yīng)都將耗盡。雖然后一種情況不太可能發(fā)生，但它確實(shí)表明出當(dāng)今的需求正在發(fā)生重大變化，為了確保磷的供應(yīng)，全球磷的貿(mào)易、使用和再循環(huán)工作將面臨迫在眉睫的根本性變化。這在中國，印度和美國尤其重要，這三個(gè)國家的人口最多，糧食需求最大。磷肥供應(yīng)面臨的另一個(gè)威脅是，擁有一些最大礦床的國家，如阿爾及利亞、約旦和敘利亞，位于最近政治不穩(wěn)定的這些地區(qū)，磷酸鹽巖礦區(qū)的開采將十分困難。重要的是要認(rèn)識到，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)過度簡化了一個(gè)更復(fù)雜的磷肥供應(yīng)、全球儲量和貿(mào)易動(dòng)態(tài)問題，正如Cordell和White所提出的按照這樣的開采速度，中國的磷資源將在幾十年內(nèi)枯竭。因此，開發(fā)提高種植系統(tǒng)中肥料磷效率的新策略和技術(shù)正受到相當(dāng)大的關(guān)注。

1 磷肥對農(nóng)作物的作用機(jī)制

施用到田間的肥料P在種植系統(tǒng)中經(jīng)歷了三個(gè)過程：一是土壤成分的吸附或沉淀，磷礦通過工業(yè)過程轉(zhuǎn)化為水溶性形式，隨后根系生理應(yīng)答動(dòng)員固定化肥P；二是植物投入光合物重建根系形態(tài)結(jié)構(gòu)或排泄?jié)B出物（羧酸鹽，磷酸鹽，質(zhì)子），菌根真菌和增磷增容細(xì)菌在根基和菌絲層土壤中重新轉(zhuǎn)化固定的P肥料；三是根系對磷的吸收，在液泡中儲存和在農(nóng)作物中吸收利用，詳見圖1。因此，匹配磷肥的性質(zhì)、土壤化學(xué)特性和植物要求對于高效管理磷肥使用至關(guān)重要。

圖1 磷在農(nóng)作物中的吸收利用過程

2 磷肥對農(nóng)作物的影響

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)素之一，它不僅是植物中許多重要化合物的重要組成部分，而且在各種代謝過程中發(fā)揮著重要作用。目前，中國東北、西北、北、長江平原和華南地區(qū)磷管理區(qū)，詳見圖2。

圖2 中國東北、西北、北、長江平原和華南地區(qū)磷管理區(qū)

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫會阻礙植物的生長和發(fā)育，因?yàn)榱讓χ参锏暮怂岷苤匾Ｔ跊]有磷的情況下，核苷酸合成和核酸會受到抑制，細(xì)胞的形成和生長受到抑制，從而阻止作物的生長和發(fā)育。

磷不僅可以改善植物的光合作用，還可以改善植物中碳水化合物的合成和運(yùn)輸。許多研究表明，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)磷水平處于穩(wěn)定水平時(shí)，外部磷供應(yīng)不會影響光合作用的速率；當(dāng)磷是限制因素時(shí)，它對葉片的光合作用速率有很大的影響。相關(guān)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，增加磷肥施用量可以顯著提高植物葉片的凈光合速率和氣孔傳導(dǎo)率等光合指標(biāo)。因?yàn)椋资窃S多光合酶的重要組成部分，例如：核酮糖-1，5-二磷酸羥化酶/加氧酶（Rubisco）、蔗糖磷酸合酶（SPS）等都需要磷元素。

適當(dāng)施用磷肥能夠提高農(nóng)作物的抗旱和抗寒等能力。因?yàn)榱自啬軌蛱岣咧参锛?xì)胞結(jié)構(gòu)的含水量和膠體結(jié)合水的能力，從而減少水分流失提高抗旱能力；磷元素能夠通過促進(jìn)農(nóng)作物體內(nèi)的新陳代謝來使其適應(yīng)低溫環(huán)境，從而使農(nóng)作物能夠適應(yīng)寒冷環(huán)境。

3 影響磷肥有效利用率的主要因素

3.1 土壤pH值

土壤磷對土壤pH值高度敏感，在酸性土壤中，較低的磷利用效率（PUE）是中國農(nóng)田的主要問題，這對作物產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。在酸性土壤中，由于用酸性陽離子（如Al和Fe）固定P，植物吸收的P可用性降低，減少了植物對磷的吸收。然而，在過去的幾年中，由于長期施用無機(jī)肥，中國農(nóng)田普遍酸化，限制了作物的高產(chǎn)量和養(yǎng)分的高利用效率。對于將土壤pH值保持在最佳值以最大化活性磷的可用性的價(jià)值進(jìn)行了廣泛的研究，通常認(rèn)為pH值在6～6.5適用于大多數(shù)土壤。另一個(gè)可用性窗口發(fā)生在pH4.5左右，但盡管這適用于磷的可用性，但它對于大多數(shù)作物的生長來說酸性太強(qiáng)。然而，關(guān)于pH值對有機(jī)磷化合物的遷移性或生物利用度的影響的研究很少。

3.2 拮抗作用

另一個(gè)知之甚少但可能影響植物對磷的可用性和吸收的話題與磷和不同微量營養(yǎng)素和有毒微量元素（包括Cd）的相互作用有關(guān)。從肥料添加到土壤中的任何兩種養(yǎng)分之間不可能相互作用，使得對養(yǎng)分的產(chǎn)量響應(yīng)是對單獨(dú)添加的兩種養(yǎng)分的響應(yīng)之和。然而，養(yǎng)分之間也可能存在協(xié)同或拮抗相互作用，使得產(chǎn)量反應(yīng)大于或小于單個(gè)養(yǎng)分效應(yīng)的預(yù)期。據(jù)報(bào)道，磷、氮、鎂、錳和鉬之間存在協(xié)同作用，但土壤中過量的磷已被證明會引起養(yǎng)分缺乏，包括S、K、Fe、Cu、Zn和Fe。

磷對其他養(yǎng)分的拮抗作用的潛在原因是多種多樣的，但可能包括磷影響土壤中其他元素的遷移，影響其他養(yǎng)分的吸收，易位或利用，或由于干物質(zhì)產(chǎn)量增加而稀釋它們在植物材料中。然而，很明顯，元素之間的相互作用是復(fù)雜的，并且在研究之間可能會有所不同。可能是由于土壤或植物的差異，或不同養(yǎng)分的比例的變化。盡管植物養(yǎng)分相互作用對于確定肥料中施用到土壤中的養(yǎng)分的效率具有重要意義，但這一主題受到的關(guān)注相對較少。然而，如果沒有這些信息，就不可能設(shè)計(jì)出未來的可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，特別是隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的日益普及，因此進(jìn)一步的研究勢在必行。

3.3 膜脂質(zhì)

磷酸鹽是核酸、磷酸腺苷和磷脂等基本生物分子的主要成分。忽略儲存的液泡磷，細(xì)胞磷脂可以占細(xì)胞中有機(jī)磷的三分之一（按RNA＞磷脂＞磷酸酯＞DNA＞磷酸化蛋白的順序），因此占磷預(yù)算的主要比例。釋放這些儲存的適應(yīng)性代謝反應(yīng)可以對植物在低磷條件下的生長適應(yīng)性做出重大貢獻(xiàn)，并代表提高作物磷利用效率的目標(biāo)。

3.4 農(nóng)作物種類

磷的吸收不僅取決于土壤中可用磷的含量，還取決于農(nóng)作物種類和土壤類型。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤中，蘿卜對Ca-P具有更大的吸收能力，而在石灰質(zhì)土壤中，油菜Ca-P具有更大的吸收能力。不同的農(nóng)作物對于無機(jī)磷酸鹽的利用效率存在顯著差異；生菜和菠菜對Ca-P的利用率較高，而在番茄中Al-P的利用率較高。因此，通過合理輪作或連作等園藝措施，可以實(shí)現(xiàn)蔬菜土壤中積累的磷的充分利用。與其他措施相比，白菜莧菜輪作在富磷土壤中更好地利用了P；白菜莧菜輪作試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)白菜和莧菜產(chǎn)量增加時(shí)，土壤速效磷含量和土壤水提取磷含量均有所下降。

4 提高磷肥有效利用率的相應(yīng)策略

4.1 明確土壤pH值

關(guān)于土壤有機(jī)磷，特納和布萊克威爾報(bào)告說，除在強(qiáng)酸性條件下外，pH值對160多年來未接受任何磷投入的耕地土壤中不同形式的有機(jī)磷的豐度幾乎沒有影響。然而，與今天的農(nóng)業(yè)更相關(guān)的是，有機(jī)磷可以占有機(jī)肥料中總磷的很大一部分，例如牲畜糞便和泥漿。在一項(xiàng)薈萃分析中，Darch等人發(fā)現(xiàn)，有機(jī)磷約占這些肥料中可提取磷總量的四分之一。此外，一部分有機(jī)磷一旦進(jìn)入土壤溶液，就很容易被水解成磷酸鹽。因此，肥料與土壤的匹配對于提高蔬菜的PUE也很重要。由于磷的快速固定，大部分TP對鈣質(zhì)土壤中的農(nóng)作物不可用。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，與顆粒狀磷肥相比，液態(tài)磷肥在石灰質(zhì)土壤中具有更高的可用性、流動(dòng)性和溶解度，可顯著促進(jìn)植物對磷的吸收。與顆粒施用磷相比，施用液肥顯著減少土壤磷固定，增加Ca-P 和鈣-P；因此，液體肥料使PUE提高了5%～15.5%，番茄產(chǎn)量提高了18%～51%。

將初始pH值為5.1的酸性土壤調(diào)節(jié)至4～8的土壤pH值范圍。然后用超純水提取并分析反應(yīng)性，總磷和植酸酶不穩(wěn)定的磷。數(shù)據(jù)表明，在中酸性pH值（pH 5～6）下，總磷提取量最大，盡管在pH 7.8時(shí)似乎再次增加。活性磷和植酸酶不穩(wěn)定磷濃度的趨勢也遵循相同的模式，除了在堿性pH值下進(jìn)一步增加。植酸酶不穩(wěn)定的總磷的比例隨pH值而變化，從pH 4.5和7.5時(shí)的30%到pH 6時(shí)的90%。這意味著通過將（酸性）土壤保持在pH5～6，肥料中施用的磷或土壤中已經(jīng)含有的磷的可用性最大化，這意味著對額外磷肥料的需求將減少。然而，缺乏關(guān)于pH值對一系列土壤類型和磷含量的有機(jī)磷可用性影響的數(shù)據(jù)，這意味著pH值建議根據(jù)有機(jī)形式土壤磷的比例而有所不同。因此，了解pH值對有機(jī)磷遷移率的影響非常重要，針對不同pH值的土壤制定不同的施肥策略，以確保達(dá)到更優(yōu)的磷肥有效利用率。

4.2 間作

除了明確土壤pH值外，另一種更好地利用土壤磷的方法是間作，其中兩個(gè)或多個(gè)物種在附近生長，而不是在單一栽培中生長。為了測試這一點(diǎn)，我們種植黑麥草和白三葉草作為單一栽培或混合苜蓿，草與三葉草的比例為3：1，但總種子品質(zhì)與單一栽培相同。與單一栽培產(chǎn)量預(yù)測相比，混合茙的產(chǎn)量增加了18%-35%，但對苜蓿的磷濃度沒有顯著影響。因此，混血植物對磷的吸收量比單一栽培高22%-26%。混合植物中磷利用效率提高的原因可能是促進(jìn)，其中一種植物增加了磷的可用性并獲得了其他益處，或者減少了競爭，因?yàn)閮蓚€(gè)物種能夠獲得不同的磷池或進(jìn)入土壤中的不同物理位置。

4.3 重塑膜脂質(zhì)

在缺磷植物中，糖脂的量以膜磷脂（例如磷脂酰膽堿）為代價(jià)而增加。用糖脂替代膜磷脂代表了高等植物響應(yīng)磷限制的最顯著變化之一。獲得性磷的再動(dòng)員策略使植物能夠最大化生長和生物量。嚴(yán)重的限磷觸發(fā)用無磷半乳糖脂取代多達(dá)一半的膜磷脂，即單或二乳糖基二酰基甘油和磺基喹啉基二酰基甘油。代謝適應(yīng)和膜脂質(zhì)重塑使植物能夠適應(yīng)極低磷環(huán)境。然而，對作物膜脂質(zhì)交換過程的基本了解仍然有限。膜脂質(zhì)重塑對植物在磷脅迫期間的性能至關(guān)重要，并且已經(jīng)被擬南芥的敲除研究所證明。

除了模型物種之外，磷脂酶的變化是復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的一部分，作物（例如蕓苔屬植物）用于操縱膜脂質(zhì)并增強(qiáng)磷的回收。參與磷脂分解代謝和半乳糖脂/磺脂生物合成的轉(zhuǎn)錄本積累到顯著更高的豐度，而磷脂的產(chǎn)生減少。對兩種不同耐低磷素能力的水稻基因型的轉(zhuǎn)錄組和脂質(zhì)組的聯(lián)合分析證實(shí)，與PB1低磷敏感基因型相比，Dular（低耐磷基因型）在芽中具有更強(qiáng)的脂質(zhì)重塑基因表達(dá)，在根部表達(dá)程度較小。有證據(jù)表明，對磷有效性地轉(zhuǎn)錄反應(yīng)具有高度的遺傳性，并為提高磷利用效率的作物育種提供了潛在的目標(biāo)。

4.4 開發(fā)新型肥料

除了管理土壤外，還有許多機(jī)會通過影響不同的植物性狀來提高磷肥的使用效率，相關(guān)學(xué)者可以根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì)具有不同的磷溶解度或釋放動(dòng)力學(xué)開發(fā)新型肥料。因?yàn)閲@來自磷酸鹽礦床的磷肥的持續(xù)供應(yīng)的問題。回收磷肥無疑將在未來幾年內(nèi)普及率增加，為創(chuàng)新提供相當(dāng)大的機(jī)會，例如，其配方和釋放動(dòng)力學(xué)。可回收肥料的例子包括從污水處理廠回收的鳥糞石基肥料，從乳制品的奶制品脫礦質(zhì)中回收的磷酸鈣以及從骨骼中富含磷酸鹽的加工屠宰場廢物。

5 結(jié)論

為了提高農(nóng)作物種植中磷肥的有效利用率，以使目前的磷肥來源持續(xù)更長時(shí)間，并且防止浪費(fèi)和地表水損失以及隨后的富營養(yǎng)化。本文建議，管理土壤pH值，優(yōu)化土壤磷素有效性；嘗試開發(fā)間作等高效磷耕作系統(tǒng)等新型種植系統(tǒng)或組合；重塑膜脂質(zhì)，降低植物對磷的需求；開發(fā)新型高效利用率磷肥，以期為農(nóng)作物種植中磷肥的使用提供一定的幫助。