鎂元素營養(yǎng)研究現(xiàn)狀及其在馬鈴薯生產(chǎn)上的展望

卜文宣，賈立國，樊明壽

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

馬鈴薯因其較高的營養(yǎng)價(jià)值及藥用價(jià)值在世界各地廣泛種植，具有“地下蘋果”的美稱，歐美國家長期以來將其作為主食食用[1-3]。在我國馬鈴薯是繼水稻、小麥和玉米后的第四大糧食作物[4]，在保障我國糧食安全中扮演重要角色。目前，我國馬鈴薯種植面積處于世界領(lǐng)先位置[5]。近10年來，我國馬鈴薯的單產(chǎn)水平取得了較大進(jìn)步，但是產(chǎn)量水平仍與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距，因此，如何提高馬鈴薯產(chǎn)量仍是亟須解決的問題。在提高人民生活水平的同時(shí)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提出了新的要求，馬鈴薯品質(zhì)是決定馬鈴薯市場應(yīng)用價(jià)值和競爭力的重要參考標(biāo)準(zhǔn)[6]。

肥料在過去幾十年對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量提升貢獻(xiàn)巨大，但是投入的肥料以氮、磷和鉀肥為主，對(duì)其他肥料的重視程度不夠，研究也不深入。鎂作為植物的必需元素，不僅對(duì)馬鈴薯的生長發(fā)育具有重要作用，還參與植物體許多重要的代謝過程。近年來，許多歐洲研究人員將鎂列為僅次于氮、磷、鉀的植物第四大必需元素[7]。鎂元素對(duì)動(dòng)物和人體營養(yǎng)非常重要，人體對(duì)鎂的需求更高，報(bào)道顯示世界上有很大一部分人口缺乏鎂元素[8]，而人類攝入鎂的主要來源是食物。因此，對(duì)馬鈴薯鎂元素營養(yǎng)及鎂肥管理的研究具有重要意義。

1 鎂元素的生理功能及缺素癥狀

鎂是植物正常發(fā)育的必要組成元素，在植物營養(yǎng)和生理功能中發(fā)揮重要作用[9]。鎂是葉綠素的重要組成部分，是葉綠素中唯一在光合作用中發(fā)揮作用的金屬元素[10]。在光反應(yīng)過程中，通過增加葉綠素的FV 和FV/FM 可變熒光，鎂離子可以提高光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的活性；暗反應(yīng)過程中，鎂離子通過對(duì)RuBP 羧化酶結(jié)合增加對(duì)底物的親和力，從而加快光合速率[11]。黃繼川等[12]研究表明，鎂在光合作用、糖化、三羧酸循環(huán)和氮素同化過程中會(huì)激活幾十種酶的活性。鎂是300 多種酶的輔因子和變構(gòu)調(diào)節(jié)因子，包括羧化酶、磷酸酶、激酶、RNA 聚合酶和ATP 酶；通過激活各種磷酸轉(zhuǎn)移酶和磷酸激酶的活性參與DNA 和RNA 的合成，并穩(wěn)定蛋白質(zhì)合成所需的核糖核酸結(jié)構(gòu)；參與生物體的重要代謝途徑，如脂肪、蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)的代謝和能量轉(zhuǎn)換。

缺鎂會(huì)影響光合作用和糖分從源到庫的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。植物生長過程中如果鎂素含量不足，會(huì)減少葉綠素含量及膜損傷和整體結(jié)構(gòu)損傷中堿性顆粒和類囊體數(shù)量[13]。缺鎂會(huì)使核蛋白體解離，蛋白質(zhì)合成受到阻礙，蛋白質(zhì)氮和非蛋白質(zhì)氮的比率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。缺鎂還會(huì)造成膜脂過氧化加劇、MDA 含量增加[14]，植物的抗氧化酶活性升高[15-16]。隨著光照強(qiáng)度的增加，作物缺鎂癥狀更加明顯，通過遮陰可以緩解癥狀。缺鎂癥狀與作物體內(nèi)活性氧代謝紊亂癥狀相似，這可能是由于作物缺鎂，導(dǎo)致葉片中糖、淀粉等光合作用產(chǎn)物積累，抑制光合作用，降低暗反應(yīng)能力，增加活性氧所致，過量的活性氧會(huì)加重生物膜的脂質(zhì)過氧化，破壞膜系統(tǒng)，干擾細(xì)胞的生理反應(yīng)，表現(xiàn)出表面燒傷、失綠癥狀。

研究表明，缺鎂可破壞韌皮部的結(jié)構(gòu)和削弱韌皮部的裝載能力，抑制蔗糖的長距離運(yùn)輸，進(jìn)而使糖、淀粉等物質(zhì)在植株地上部的累積增加，鎂可以調(diào)控作物地上部、地下部碳水化合物的分配。在高等植物中，糖類是運(yùn)輸碳水化合物的主要光合產(chǎn)物，由于鎂素在韌皮部的流動(dòng)性，影響光合作用和糖類從源器官向庫器官的運(yùn)轉(zhuǎn)，缺鎂與糖分積累呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[17-19]。

馬鈴薯缺乏鎂元素時(shí)，基部的小葉邊緣會(huì)由綠變黃，葉脈之間的葉肉也會(huì)逐漸變黃，而葉脈則持續(xù)保持綠色。當(dāng)鎂嚴(yán)重短缺時(shí)，葉片則由黃色變成褐色，葉片變得厚且脆和向上彎曲，最后葉片會(huì)脫落，病癥會(huì)從植物基底蔓延到葉片頂部。缺鎂嚴(yán)重時(shí)，會(huì)抑制馬鈴薯根和塊莖的生長，降低淀粉的含量，進(jìn)而影響產(chǎn)量和品質(zhì)[16，20]。

2 土壤鎂元素及其對(duì)作物的影響

土壤中的鎂是通過地殼礦物巖石分解而來。地殼中鎂的含量相對(duì)豐富，在所有化學(xué)元素中排名第八，土壤全鎂含量為0.5～40.0 g/kg[21]。土壤中鎂濃度的適宜范圍是0.2～2.0 mmol/L，但是因環(huán)境條件的不同，即便是含量在此范圍之內(nèi)，部分作物也會(huì)表現(xiàn)出缺鎂癥狀。我國缺鎂土壤面積為553 萬hm2，占全國耕地總面積的6%。易發(fā)生淋溶的土壤較容易缺鎂，包括高度風(fēng)化的土壤、酸性土壤和沙質(zhì)土壤。GUO 等[22]研究表明，因土壤肥力的不同，土壤鎂的淋溶量高達(dá)45～70 kg/hm2。鎂在土壤中的淋溶與鎂離子本身的特性有關(guān)，鎂離子的半徑較大，與土壤膠體的結(jié)合力較弱，與其他陽離子（如Ca2+、K+）相比移動(dòng)性較強(qiáng)，這些特征均易導(dǎo)致鎂離子發(fā)生淋溶[23]。

另外，石灰性土壤中富含CO32-，可以與Mg2+結(jié)合形成MgCO3，降低土壤中植物可利用鎂，加之土壤中的鈣離子對(duì)鎂離子的拮抗作用，使植物吸收鎂的能力進(jìn)一步降低[24]。近年來，氮、磷、鉀肥的施用比較普遍，但這些肥料大多數(shù)屬于生理酸性，長期施用會(huì)導(dǎo)致土壤pH值下降而缺鎂。另外，中量元素也能不同程度地改變土壤的pH值[25]。臧小平[26]、艾華林[27]研究表明，土壤pH值的升高、鈣鎂交換量的增加、鋁交換量的降低均降低了鋁對(duì)作物的毒性；施用鈣鎂磷肥可以改善土壤的滲透性、通氣性和肥力。在不同類型土壤中土壤有效鎂含量由高到低分布次序?yàn)楹谕?、褐土和黏土[28]。

農(nóng)田土壤中除了作物帶走、淋失損失以及地表徑流等[29]會(huì)導(dǎo)致土壤本身鎂素供應(yīng)不足，陽離子競爭也是作物相對(duì)性缺鎂很重要的方面。鎂的吸收利用受NH4+、Ca2+、K+等陽離子的拮抗和環(huán)境因子的影響。研究表明，Mg/K 的臨界值為0.7～1.5，比例低于0.7 時(shí)，植株易出現(xiàn)缺鎂癥狀，高于1.5 植株就不表現(xiàn)缺鎂癥狀[30]；土壤中的有效鎂和有效鈣的比例為1∶6 時(shí)，對(duì)作物生長有利。Ca 與Mg 的拮抗作用較明顯，高濃度的鉀素抑制鈣素吸收，而Mg 對(duì)K 的吸收沒有影響，但也存在Mg 對(duì)K 吸收有拮抗作用的報(bào)道。K、Ca、Mg 等陽離子之間拮抗作用的可能原因是，植物正常生長發(fā)育需要維持細(xì)胞的電荷平衡，當(dāng)其中一種陽離子相對(duì)缺乏時(shí)，就需要吸收更多其他的陽離子[31]。

植株吸收的Mg 在體內(nèi)轉(zhuǎn)移過程中也會(huì)受到K、Ca 的限制，原因是鎂素吸收其中的一種途徑是通過非選擇性離子通道，該通道既可以吸收鎂，也可以吸收鈣、鉀等離子，鈣和鉀通過競爭性抑制阻礙鎂的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)；而在缺鎂的條件下，植株會(huì)啟動(dòng)H+/Mg2+交換吸收途徑[31]。鎂的吸收過程通常分為兩部分，初期吸收速率高，然后通過主動(dòng)吸收過程表現(xiàn)出緩慢而穩(wěn)定的吸收[32]。MULDER 等[33]將鎂吸收動(dòng)力學(xué)分為3 部分：依賴蒸騰作用、代謝調(diào)控不連續(xù)性和協(xié)助擴(kuò)散。研究表明，施用銨態(tài)氮肥會(huì)降低植物對(duì)鎂的吸收。THOMAS 等[34]研究還表明，高鎂累積品種葉片鎂濃度高于常規(guī)品種81%；不同鎂梯度試驗(yàn)表明，高鎂累積品種葉片鎂濃度顯著高于其他品種，并隨梯度增加而大幅增加。

3 馬鈴薯鎂元素營養(yǎng)與施肥

馬鈴薯是需鎂較大的作物，陳忠華等[35]在鎂肥試驗(yàn)研究中得出，施加鎂肥有顯著的增產(chǎn)效果，施加鎂肥處理的平均增產(chǎn)率可達(dá)14.7%、馬鈴薯平均單薯重提高16.8%、大薯平均重量提高8.9%，施用鈣鎂磷肥可使馬鈴薯增產(chǎn)15%左右。馬鈴薯鎂的吸收規(guī)律表現(xiàn)為隨生育進(jìn)程推進(jìn)和生長中心的轉(zhuǎn)移，鎂積累越來越多[36]。在缺乏鎂素的情況下，馬鈴薯會(huì)表現(xiàn)出葉脈失綠。研究表明，馬鈴薯體內(nèi)的鎂元素隨著生育時(shí)期的遞進(jìn)而增加，收獲期達(dá)到最大值，鎂元素吸收峰值早于干物質(zhì)的積累。出苗后54 d 時(shí)鎂的吸收達(dá)到全生育期的2/3，而在出苗54 d 時(shí)干物質(zhì)的積累只達(dá)到最大值的1/3；馬鈴薯器官鎂元素含量由低到高依次為根及塊莖、莖、葉。根中鎂含量在整個(gè)生育期間變化不大，變化范圍在0.62%～0.96%；塊莖中鎂含量在生育進(jìn)程中變化沒有顯著規(guī)律，呈現(xiàn)波狀曲線；莖中鎂含量的變化在1.45%～1.92%；葉中鎂含量的變化范圍在1.21%～1.94%；收獲時(shí)鎂主要貯存在馬鈴薯莖與葉中，分別占植株總鎂吸收量的54.03%和38.19%[37]。

范士杰等[38]研究表明，鎂、鋅、硼肥的施用對(duì)脫毒馬鈴薯的產(chǎn)量和生產(chǎn)特性有不同影響，能提高收獲期塊莖的重量，鮮薯產(chǎn)量由7.5%提高到30.6%；鎂肥與鋅肥的施用處理效果顯著，達(dá)到30.6%。生產(chǎn)1 000 kg 馬鈴薯的需鎂量在0.23～0.48 kg，需鎂量遠(yuǎn)少于其他大量元素。馮劍等[39]研究表明，單施氯化鉀對(duì)鎂吸收積累效果優(yōu)于硫酸鉀，但硫酸鉀和氯化鉀按1∶1 配施更有利于植株對(duì)鎂的吸收積累，且鎂在塊莖中具有更高的分配率。

原則上，含鎂化合物均可用作馬鈴薯鎂肥，具體可分為水溶性鎂肥、枸溶性鎂肥和不溶性鎂肥。水溶性鎂肥是含有7 個(gè)結(jié)晶水的硫酸鎂，又稱瀉鹽，是目前使用量最大的鎂肥品種，特別適合pH值較高的石灰性土壤，效果顯著，常用作葉面噴施和追肥。另外，硫酸鉀鎂也是一種水溶性鎂肥。硝酸鎂和氯化鎂屬于水溶性鎂肥，但硝酸鎂的制造成本較高，適合無土栽培，而常施用氯化鎂會(huì)使土壤酸化，所以這兩種水溶性鎂肥的使用較少。

鈣鎂磷肥、氫氧化鎂和磷酸鎂銨均為枸溶性含鎂肥料。鈣鎂磷肥在我國已經(jīng)使用了40～50年，具有成本低、中和酸性土壤等優(yōu)點(diǎn)，也是制取含鎂化合物的原材料；酸性和沙性土壤在施用氫氧化鎂時(shí)會(huì)得到改善。磷酸鎂銨是枸溶性肥料，對(duì)農(nóng)作物無危害，不易失水，在國外被列為肥料。磷酸鎂銨適用于各種土壤、農(nóng)作物、森林和綠地，但其中含有不溶性鎂礦物，特別是水鎂石、蛇紋石、白云石等，是處理鎂肥料和鎂鹽的原料，盡管可以用作基本肥料，但效果不佳，如白云石，需要磨細(xì)才能達(dá)到高效目的，較適用于酸性土壤，可提升土壤pH值，還能提供鎂元素[40-41]。土壤有機(jī)質(zhì)可以與Ca、Mg 離子結(jié)合，形成高度縮合而穩(wěn)定的腐殖酸鈣，有利于石灰性土壤鈣元素保持。

英國國家咨詢委員會(huì)于1968年提出了一項(xiàng)交換態(tài)鎂等級(jí)指數(shù)，以指導(dǎo)鎂肥的應(yīng)用，土壤鎂含量為26～50 mg/kg 對(duì)于馬鈴薯而言可能就會(huì)缺鎂，建議使用鎂肥，這個(gè)指標(biāo)體系可以作為馬鈴薯鎂肥施用的參考指標(biāo)。

鎂肥不僅可以提供給馬鈴薯鎂元素營養(yǎng)供其吸收利用，還可以改善土壤中鎂元素含量，降低酸性土壤中的鋁毒對(duì)作物的傷害。使用鎂肥時(shí)，要確定當(dāng)?shù)剡m合的作物需鎂量，使鎂肥最大限度利用，進(jìn)而使作物高產(chǎn)。

4 展望

由于氮、磷、鉀肥的大量施用而對(duì)鎂肥施用長期忽視，馬鈴薯生產(chǎn)中鎂元素缺乏問題日益突出。而對(duì)鎂素的合理施用必然需要對(duì)鎂素營養(yǎng)有基本的認(rèn)識(shí)，但目前我國對(duì)馬鈴薯鎂素營養(yǎng)規(guī)律的研究還很缺乏。另外，我國土壤類型種類繁多，不同土壤類型施加鎂肥的效應(yīng)如何，馬鈴薯田中鎂鉀、鎂鈣互作效應(yīng)如何還有待研究。筆者認(rèn)為以下兩個(gè)方面是未來馬鈴薯鎂元素營養(yǎng)的主要研究方向：一是深入探究馬鈴薯鎂元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及分布規(guī)律，進(jìn)一步明確馬鈴薯鎂元素營養(yǎng)規(guī)律；二是明確不同土壤條件下馬鈴薯田鎂元素與其他元素的互作效應(yīng)及其機(jī)制，針對(duì)性研發(fā)適合區(qū)域土壤的鎂肥施用配比及方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)。