大蒜養分“M”形吸收機理與專用高效肥設計

鄭文婧 惠建斌* 王秀峰

（1中國科學院過程工程研究所，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濟作物，產量和消費量均居世界第一位。因其獨特的風味和營養價值受到許多消費者的喜愛，成為食物科學、氣味學、醫藥、保健科學研究的重要對象[1]，也是大蒜種植專家、肥料科學與營養學研究的重點。本文在總結分析大蒜成分、土壤自然肥力、肥料利用率的基礎上，對大蒜種植需要的大量元素、中量元素、微量元素理論量進行討論，指出大幅提升化肥利用率、研制高效專用肥是落實我國化學肥料零增長戰略的重要技術方向，并根據我國大蒜主要產區的土壤類型、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 大蒜植株攜帶營養元素的理論量

大蒜植株中氮、磷、鉀等營養元素的研究，很多文獻都有報道，但涉及大蒜營養成分的具體數據時，由于品種、產地、施肥量、測試階段等均會導致數據上存在差異。為此，筆者以調研文獻獲得的大蒜頭、根、秸稈、灰分等數據為依據，了解大蒜植株攜帶營養元素的基礎數量，以作為大蒜營養研究和配方施肥的理論依據。

綜合文獻報道數據，總結出100 g新鮮大蒜中含水（70±5）g、蛋白質（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 金屬元素氧化物構成。已有報道稱，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]。

大蒜中含有揮發油，揮發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烈，主要成分為二丙烯基硫代亞磺酸酯。大蒜的這種獨特風味受到科技界關注，圍繞大蒜風味化學的研究在世界范圍內成為重要的研究領域。

對大蒜根的分泌物研究表明：分泌物的主要成分為有機酸類、酯類、芳香族化合物、雜環類化合物及烷烴類，其中的化感物質為鄰苯二甲酸二丁酯、2，6-二異丙基苯酚、2，6-二叔丁基對甲酚等[4]。 對大蒜秸稈研究表明，1 t大蒜可產生約10%的秸稈副產品，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、葉片中的天然成分攜帶著多樣的組分和化合物，營養價值高，粗纖維含量適中，具有極高的利用價值，既可以作為飼料資源進行開發利用[4]，又可以作為重要的中藥原料及保健品原料，增加其經濟價值。

2 大蒜從耕地中攜帶的營養元素數量估算

與其他農作物一樣，大蒜生長周期所需要的營養元素均源自空氣、水、土壤。但由于耕地土壤數十年的連續耕作利用，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物質特別是氮、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元素數量，直接以大蒜生物體中元素組成數據為依據，估算氮元素流失量。按照大蒜產地平均產量18 t/hm2估算，大蒜中蛋白質總量約675 kg/hm2，秸稈中蛋白質約157.5 kg/hm2。假設大蒜、秸稈最終全部收集運走，則帶離的蛋白質總量約 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，連續高強度的耕作，耕地每年流失的營養元素數量大，1 hm2耕地由大蒜攜帶流失的氮、磷、鉀、鈣、鎂等各種營養物質總量超過285 kg，土壤肥力低下，需要人工提供營養物質，否則無法獲得高產。大蒜植株攜帶流失氮、磷、鉀等超過285 kg/hm2的理論數據，可以看作維持單產18 t/hm2的最低理論值，實際施肥量既要考慮理論值，也要考慮肥料利用率、植株吸收特點與養分在植株中的分布規律。

3 大蒜的營養吸收規律與養分分布

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

為了使人工施放的營養物質最大限度地發揮營養作用，筆者總結了大蒜自身營養需求吸收的過程特點和相對數量，發現了大蒜生命周期中的營養吸收在不同階段呈現不同的數量變化，其營養吸收數量變化在時間方向上具有“M”形波動性特點。這可以作為高效專用肥結構化設計的理論依據。

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大量營養元素氮、磷、鉀的吸收存在“M”形吸收規律，其中：氮肥、鉀肥的營養吸收高峰均出現在鱗莖膨大期；磷肥的吸收高峰出現在蒜薹伸長期。3種養分的吸收高峰出現時間并不一致[6]。說明不同營養物質在大蒜不同生長階段發揮的作用、功能、方式等微觀機理在協同支持大蒜生長時又存在各自的特點，即：在萌芽階段吸收氮素很少，約為1%；幼苗階段，對氮素的吸收出現一個小高峰，吸收氮素的相對比例為5.7%左右；此后鱗莖和花芽分化期吸收氮素的相對比例下降，吸收氮素相對比例為3.5%左右；這個階段后，從蒜薹伸長一直到鱗莖膨大，吸收氮素的相對比例一直是升高的，在鱗莖膨大期達到最高，吸收比例達到67%左右；此后，隨著大蒜成熟，吸收氮的相對比例迅速降低，從而呈現“M”形吸收特點。

磷素、鉀素的吸收在總體特征上也呈現“M”形吸收特點。大蒜吸收鉀素規律與氮素類似，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“M”形養分吸收特點，但吸收最高峰出現在蒜薹伸長期。

了解大蒜對養分的吸收規律以及養分在不同階段的需求相對量和分布特點，有利于把控營養物質的施肥時間、供給時間、供給數量、方式等，對指導具體的種植活動有非常重要的理論指導意義，也對研究開發高效專用肥的結構、調控結構肥的功能具有指導作用。

4 大蒜專用高效肥的設計理論

如前所述，在了解大蒜對氮、磷、鉀的吸收規律以及大蒜植株攜帶營養元素的理論量后，關于大蒜專用高效肥結構化理論設計，至少需要考慮以下幾個方面，即：大蒜的單產，大蒜吸收氮、磷、鉀的規律，氮、磷、鉀的實際利用率，肥料養分的釋放方式，專用高效肥結構化應具有的特點。

按大蒜單產18 t/hm2計，大蒜植株攜帶流失的營養元素氮、磷、鉀數量分別為 134.4、18.0、45.0 kg/hm2，硫、鈣、鎂超過69 kg/hm2，且大蒜吸收氮、磷、鉀養分過程中存在“M”形特征（即2個養分吸收高峰：最大吸收期出現在鱗莖膨大期或蒜薹伸長期，次小高峰出現在大蒜脫母后的幼苗期）。據此，在高效專用肥料結構化設計中，既需要考慮養分總量供給，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，對肥料結構和功能的設計，就自然地賦予高效結構肥料應該具有這樣的特點：一方面能夠為大蒜植株提供足夠的營養物質，一方面養分的釋放模式與大蒜的各個吸收高峰期相吻合，能夠一一對應。同時，在大蒜吸收養分的其他階段，依然能夠有效釋放必要的和適量的養分，以滿足大蒜整個生長過程的生理需要。這種特點是確保養分能夠全部被吸收的前提。

對于養分比例和數量來說，大蒜單產18 t/hm2需要提供養分的理論數據如下：50 kg裝的9-1.2-3型號的氮磷鉀復混肥（總養分13.2%）30袋或50 kg裝18-2.4-6型號的復混肥（總養分26.4%）15袋。按照我國肥料標準和相關規定，若要標出磷的含量，就只能提升磷含量至5%，這樣肥料的理論型號就變為18-5-6；如果不標出磷含量，則為18-0-6。但由于存在總養分不能＜25%的規定，因而可以根據需要調升鉀含量或氮含量，這樣就設計出配方18-0-7型肥料或19-0-6型肥料。

對于非結構化的普通復混肥或摻混肥來說，依據相關數據，目前市場上的普通肥當季綜合利用率不超過35%。據此可計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18 t/hm2的營養需要。一律按照35%利用率折算氮、磷、鉀施放量，對應市場上出現的26-5-9型肥料（總養分40%）就有了理論依據。需要提供上述營養型肥料30袋/hm2，才能從養分提供量方面滿足大蒜生長需求。

如果考慮氮、磷、鉀實際利用率的差異，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較低），則需要提供5.5 kg鉀肥以滿足3.0 kg鉀素的實際需要。氮肥利用率一般為40%左右，需提供22 kg氮肥以滿足8.5 kg氮素的實際需要。與此對應的理論配方為22-8-6（總養分36%），需要施用50 kg裝肥料30袋/hm2才可以滿足實際需要。

從數值上看，設計出的普通肥料總養分36%和40%比結構化高效肥的理論值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，這些肥料比結構化肥料高出至少317%，比設計的普通肥料配方也高出至少53%。這說明肥料養分載體具有合理的結構和養分釋放機理時，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 大蒜種植實踐與專用高效結構化肥料設計

在大蒜實際種植過程中，由于肥料利用率涉及管理、施用方式、肥料品質、用戶習慣、用戶經驗等多種因素，要真正做到科學配肥、科學施肥或測土精準施肥還有許多理論問題和實踐問題需要解決。崔艷秋等[7]研究認為，大蒜生長需要的氮、磷、鉀最佳比例為 10∶3.6∶7；同時發現，氮、鉀吸收高峰在鱗莖膨大期，磷吸收高峰在蒜薹伸長期，這個結論與文獻中的其他報道結果基本一致。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作追肥時效果最好。由于普通肥料在施用過程中存在“一炮轟”現象，無法與大蒜在苗期、鱗莖膨大期需要的氮、磷、鉀數量以及比例要求相匹配，而速溶肥、滴灌肥存在施肥頻次高、勞動成本高的特點。在此背景下，緩控釋肥料引起了研究人員的關注。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勢、表現一般，但最終產量明顯高于普通肥料。

在上述研究的基礎上，筆者選用的一種礦物浮選末端組分（圖2）作為專用高效結構化肥的設計基礎材料，利用其組分、結構和自黏結性能，研制出了具有緩釋、控釋功能的組裝顆粒，實現了肥料組分的結構化。這種肥料具有一定的環境響應和時空調控功能，將肥料顆粒的結構和性能設計與現有摻混、捏合、復合肥的優勢結合，同時吸納納微顆粒復配以及功能材料的最新成果，形成了能夠調節結構與組分復配方式，開發出符合大蒜營養吸收規律的長效、高吸收專用肥。其基本原理如圖3（a）所示，實際制備的顆粒如圖3（b）所示。

根據使用材料的不同以及結構化方式的差異，設計制備了兩類高效專用肥：一類是利用率應達到國際平均水平的結構肥料，氮、磷、鉀的利用率為60%；一類是專用的結構化高效肥，氮、磷、鉀的利用率可以達到85%以上。不同利用率對應的設計配方如下：①在利用率達到60%水平時，大蒜施肥的理論數據為氮 225 kg/hm2、磷 30 kg/hm2、鉀 75 kg/hm2，對應的肥料型號可設計成15-2-5或30-4-10；②在利用率達到85%水平時，大蒜施肥的理論數據應為氮157.5 kg/hm2、磷 22.5 kg/hm2、鉀 52.5 kg/hm2，對應的肥料型號可設計成11-1.5-3.5或22-3-7。

應該注意的是，以上討論和提供的理論配方與設計方案，在具體種植和實踐中，用戶和肥料研究者應該根據耕地土壤的測土數據、大蒜產量、大蒜品種等，參照本文理論數據進行調整，進行養分配伍，同時要在肥料結構化方面進行創新，研制新型高效肥料，使獲得的理論數據和大蒜營養機理能夠通過新產品的性能、功能體現出來，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。