農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農業站，遼寧 本溪 117200）

在實現高效使用磷肥的同時兼顧保護環境的問題，以確保足夠的食品供應和良好的環境質量，在中國是一個巨大的挑戰。雖然中國農業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量反而造成了嚴重的環境污染。例如，1998～2009年，糧食產量僅增加了10%，而化肥投入增加了近19%，磷肥施用過度，有效利用率不佳。據我國第一次全國污染源普查估計，全國共排放4.23×10t的磷。其中，67%來自農業農村部門，其中26%來自作物生產，38%來自畜牧業生產，3%來自水產養殖。與許多西方發達國家的相比，我國在磷肥的使用方面，不僅損失率高有效利用率低，而且使用不規范容易污染環境。

據悉，磷已成為農業非點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化，67%的磷污染來自農業。除了環境問題，農業還面臨著另一個重大挑戰，那就是全球巖P資源限制。盡管按目前的生產率估計，磷酸鹽巖的剩余時間為259年，磷酸鹽供應方面沒有迫在眉睫的問題，但如果考慮到采礦困難和礦區政治動蕩等方面的問題，情況就不容樂觀了。例如，3年前估計的磷酸鹽巖的剩余時間為300年，到今年估計的磷酸鹽巖的剩余時間為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國（沒有出口），但按目前的生產率計算，只有24年的供應量，而印度和美國分別只有29年和37年的供應量。如果磷酸鹽巖的估計剩余年供應量繼續以目前的速度下降，則可以認為到2040年所有供應都將耗盡。雖然后一種情況不太可能發生，但它確實表明出當今的需求正在發生重大變化，為了確保磷的供應，全球磷的貿易、使用和再循環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，這三個國家的人口最多，糧食需求最大。磷肥供應面臨的另一個威脅是，擁有一些最大礦床的國家，如阿爾及利亞、約旦和敘利亞，位于最近政治不穩定的這些地區，磷酸鹽巖礦區的開采將十分困難。重要的是要認識到，這些統計數據過度簡化了一個更復雜的磷肥供應、全球儲量和貿易動態問題，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枯竭。因此，開發提高種植系統中肥料磷效率的新策略和技術正受到相當大的關注。

1 磷肥對農作物的作用機制

施用到田間的肥料P在種植系統中經歷了三個過程：一是土壤成分的吸附或沉淀，磷礦通過工業過程轉化為水溶性形式，隨后根系生理應答動員固定化肥P；二是植物投入光合物重建根系形態結構或排泄滲出物（羧酸鹽，磷酸鹽，質子），菌根真菌和增磷增容細菌在根基和菌絲層土壤中重新轉化固定的P肥料；三是根系對磷的吸收，在液泡中儲存和在農作物中吸收利用，詳見圖1。因此，匹配磷肥的性質、土壤化學特性和植物要求對于高效管理磷肥使用至關重要。

圖1 磷在農作物中的吸收利用過程

2 磷肥對農作物的影響

磷是植物生長發育所必需的大量營養素之一，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揮著重要作用。目前，中國東北、西北、北、長江平原和華南地區磷管理區，詳見圖2。

圖2 中國東北、西北、北、長江平原和華南地區磷管理區

相關研究發現，低磷脅迫會阻礙植物的生長和發育，因為磷對植物的核酸很重要。在沒有磷的情況下，核苷酸合成和核酸會受到抑制，細胞的形成和生長受到抑制，從而阻止作物的生長和發育。

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輸。許多研究表明，當細胞內磷水平處于穩定水平時，外部磷供應不會影響光合作用的速率；當磷是限制因素時，它對葉片的光合作用速率有很大的影響。相關科學家研究發現，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率等光合指標。因為，磷是許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。

適當施用磷肥能夠提高農作物的抗旱和抗寒等能力。因為磷元素能夠提高植物細胞結構的含水量和膠體結合水的能力，從而減少水分流失提高抗旱能力；磷元素能夠通過促進農作物體內的新陳代謝來使其適應低溫環境，從而使農作物能夠適應寒冷環境。

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）是中國農田的主要問題，這對作物產量產生不利影響。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，由于長期施用無機肥，中國農田普遍酸化，限制了作物的高產量和養分的高利用效率。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值進行了廣泛的研究，通常認為pH值在6～6.5適用于大多數土壤。另一個可用性窗口發生在pH4.5左右，但盡管這適用于磷的可用性，但它對于大多數作物的生長來說酸性太強。然而，關于pH值對有機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素和有毒微量元素（包括Cd）的相互作用有關。從肥料添加到土壤中的任何兩種養分之間不可能相互作用，使得對養分的產量響應是對單獨添加的兩種養分的響應之和。然而，養分之間也可能存在協同或拮抗相互作用，使得產量反應大于或小于單個養分效應的預期。據報道，磷、氮、鎂、錳和鉬之間存在協同作用，但土壤中過量的磷已被證明會引起養分缺乏，包括S、K、Fe、Cu、Zn和Fe。

磷對其他養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，影響其他養分的吸收，易位或利用，或由于干物質產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，或不同養分的比例的變化。盡管植物養分相互作用對于確定肥料中施用到土壤中的養分的效率具有重要意義，但這一主題受到的關注相對較少。然而，如果沒有這些信息，就不可能設計出未來的可持續農業系統，特別是隨著精準農業的日益普及，因此進一步的研究勢在必行。

3.3 膜脂質

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，細胞磷脂可以占細胞中有機磷的三分之一（按RNA＞磷脂＞磷酸酯＞DNA＞磷酸化蛋白的順序），因此占磷預算的主要比例。釋放這些儲存的適應性代謝反應可以對植物在低磷條件下的生長適應性做出重大貢獻，并代表提高作物磷利用效率的目標。

3.4 農作物種類

磷的吸收不僅取決于土壤中可用磷的含量，還取決于農作物種類和土壤類型。一些學者發現，在酸性土壤中，蘿卜對Ca-P具有更大的吸收能力，而在石灰質土壤中，油菜Ca-P具有更大的吸收能力。不同的農作物對于無機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，可以實現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；白菜莧菜輪作試驗結果表明，當白菜和莧菜產量增加時，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策略

4.1 明確土壤pH值

關于土壤有機磷，特納和布萊克威爾報告說，除在強酸性條件下外，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磷的豐度幾乎沒有影響。然而，與今天的農業更相關的是，有機磷可以占有機肥料中總磷的很大一部分，例如牲畜糞便和泥漿。在一項薈萃分析中，Darch等人發現，有機磷約占這些肥料中可提取磷總量的四分之一。此外，一部分有機磷一旦進入土壤溶液，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對鈣質土壤中的農作物不可用。有學者發現，與顆粒狀磷肥相比，液態磷肥在石灰質土壤中具有更高的可用性、流動性和溶解度，可顯著促進植物對磷的吸收。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%，番茄產量提高了18%～51%。

將初始pH值為5.1的酸性土壤調節至4～8的土壤pH值范圍。然后用超純水提取并分析反應性，總磷和植酸酶不穩定的磷。數據表明，在中酸性pH值（pH 5～6）下，總磷提取量最大，盡管在pH 7.8時似乎再次增加。活性磷和植酸酶不穩定磷濃度的趨勢也遵循相同的模式，除了在堿性pH值下進一步增加。植酸酶不穩定的總磷的比例隨pH值而變化，從pH 4.5和7.5時的30%到pH 6時的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，缺乏關于pH值對一系列土壤類型和磷含量的有機磷可用性影響的數據，這意味著pH值建議根據有機形式土壤磷的比例而有所不同。因此，了解pH值對有機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，以確保達到更優的磷肥有效利用率。

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，其中兩個或多個物種在附近生長，而不是在單一栽培中生長。為了測試這一點，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，但總種子品質與單一栽培相同。與單一栽培產量預測相比，混合茙的產量增加了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，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，因為兩個物種能夠獲得不同的磷池或進入土壤中的不同物理位置。

4.3 重塑膜脂質

在缺磷植物中，糖脂的量以膜磷脂（例如磷脂酰膽堿）為代價而增加。用糖脂替代膜磷脂代表了高等植物響應磷限制的最顯著變化之一。獲得性磷的再動員策略使植物能夠最大化生長和生物量。嚴重的限磷觸發用無磷半乳糖脂取代多達一半的膜磷脂，即單或二乳糖基二酰基甘油和磺基喹啉基二酰基甘油。代謝適應和膜脂質重塑使植物能夠適應極低磷環境。然而，對作物膜脂質交換過程的基本了解仍然有限。膜脂質重塑對植物在磷脅迫期間的性能至關重要，并且已經被擬南芥的敲除研究所證明。

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

4.4 開發新型肥料

除了管理土壤外，還有許多機會通過影響不同的植物性狀來提高磷肥的使用效率，相關學者可以根據其物理和化學性質具有不同的磷溶解度或釋放動力學開發新型肥料。因為圍繞來自磷酸鹽礦床的磷肥的持續供應的問題。回收磷肥無疑將在未來幾年內普及率增加，為創新提供相當大的機會，例如，其配方和釋放動力學。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 結論

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