提高我國土壤-作物體系磷肥高效利用的途徑

中國農業大學資源與環境學院教授 馮 固

我國作物生產從20世紀70年代后期開始大規模使用磷肥，過量施用現象普遍。目前磷肥當季利用率低，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險。如何提高磷肥利用效率是關乎作物生產綠色提質增效的重大問題。

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潛力在磷肥高效吸收利用中的作用是導致我國作物生產中磷肥過量施用、利用率低的3個主要原因。

（1）磷肥品種與土壤性質不匹配是導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該施用酸性磷肥、南方的酸性土壤應該施用堿性磷肥。然而，這樣一個看似常識性的簡單問題卻被肥料市場完全顛倒、扭曲了。當前，北方肥料市場上磷酸二銨占據主導地位，而以磷酸一銨為主要原料生產的各類復合（混）肥料占據了南方肥料市場。未來需要磷化工行業和農業部門跨界聯合，共同解決磷肥-土壤-作物體系不匹配的難題。

（2）磷肥生產中過度追求高水有比（水溶磷與有效磷的質量比）、銷售環節過度宣傳高水溶性特征、作物生產環節過度依賴高濃度水溶性磷肥是導致磷肥利用率低的重要原因。化學磷肥的生產是將磷礦通過強酸分解轉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田以后很容易發生土壤固定，快速轉化為形態多樣、難溶于水的磷酸鹽，有效性損失率高達2/3。為了維持生長需要，植物不得不消耗大量的光合產物，通過根系分泌有機酸、質子、磷酸酶，或者通過招募并供養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識到要將磷化工行業的先進科技成果真正轉化為作物生產中的磷肥效率提升的效益還有很長的路要走，磷肥產品和工藝的創新與農業生產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潛力是作物生產環節中導致磷肥利用率低的關鍵因素。作物對磷的獲取是通過根系和菌根兩條相互獨立的磷吸收途徑完成的，根系和菌根菌都具利用質子、有機酸、磷酸酶、糖類等物質直接活化難溶性磷，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。在不同土壤供磷強度下，作物根系和菌根菌的形態、磷素在作物體內的利用效率都會做出適應性調整。這種調整是由作物以及解磷微生物自身的生物學特性所決定的，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稱為作物高效活化利用磷的生物學潛力。大量研究結果表明，土壤供磷強度過高、過低都不利于生物學潛力的發揮，只有在適宜的土壤供磷強度（有效磷的農學閾值附近）下，作物根系形態與生理、解磷微生物的功能、菌根生物量等磷吸收利用的性狀達到相對最高的狀態，此時作物的產量潛力可達到85%～90%的較高水平。因此，將土壤有效磷的供應強度控制在農學閾值附近，有利于充分發揮作物高效活化利用磷的生物學潛力。經過四十余年磷肥的大量使用，我國農田土壤平均有效磷質量分數已經達到了20 mg/kg以上，而大多數土壤-作物體系的有效磷農學閾值也與這一數值接近。這意味著我國通過大規模的過量施用磷肥提升土壤磷素肥力水平的階段性任務已經基本完成，未來農田的磷肥用量應當在考慮作目標物產量需磷量和將土壤有效磷質量分數水平維持在20 mg/kg這兩個前提下來進行總量控制，從而大幅度提高磷肥利用效率。如果再考慮有機替代技術的普及，將我國化學磷肥的平均用量在現有水平上降低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合肥為主，磷肥管理較少考慮肥料性質與土壤－作物體系的匹配，對于不同集約化作物體系中磷肥的形態轉化、無效化機理及阻控途徑缺乏定量認識，對于通過肥料-土壤-作物的匹配、充分發揮作物高效利用磷的生物學潛力、實現減磷增效的目標缺乏系統研究。針對上述問題，在科技部“十三五”重點研發計劃資助下，由中國農業大學、中國科學院南京土壤研究所、中國農業科學院資源與區劃研究所、南京農業大學、西北農林科技大學、華中農業大學、云南農業大學等國內21所大學和科研單位的48位科技人員組成的《肥料磷素轉化與高效利用機理》項目組自2017年以來開展聯合試驗攻關，研究了不同土壤-作物體系中磷肥的轉化與高效利用機理、磷肥高效利用的調控方法等問題。本期專輯集中收錄了17篇關于磷素轉化機理、根系和微生物調控方法、不同土壤-作物體系磷肥管理技術、區域磷肥限量標準等方面的最新研究成果，期望這些新理念和新技術能夠在我國作物生產的磷肥減施增效實踐中發揮重要作用。