鎂肥在我國(guó)主要作物上的提質(zhì)增效作用

李春儉，王 正，張福鎖

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所，福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002）

作物生長(zhǎng)有17種必需元素[1]，保證所有必需元素的平衡供應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高質(zhì)、養(yǎng)分高效的目標(biāo)。長(zhǎng)期以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)中，大量施用氮磷鉀化肥而忽視其他養(yǎng)分投入的現(xiàn)象普遍存在。連續(xù)大量、甚至過(guò)量施用氮磷鉀化肥導(dǎo)致養(yǎng)分投入不平衡，不但影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)、降低肥料利用率，還會(huì)增加生產(chǎn)成本、浪費(fèi)資源，并帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題。

鎂是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的礦質(zhì)元素之一，參與植物體內(nèi)包括葉綠素合成、光合作用、同化產(chǎn)物運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成及能量代謝，并參與多種酶促反應(yīng)或激活酶活性。根據(jù)植物生長(zhǎng)的需要量，鎂和氮、磷、鉀等元素被稱為大量元素[1-4]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，普遍使用氮磷鉀而忽視鎂肥的現(xiàn)象長(zhǎng)期存在，導(dǎo)致近些年在田間，特別是我國(guó)南方地區(qū)，農(nóng)作物缺鎂癥狀普遍發(fā)生，并由此造成產(chǎn)量和品質(zhì)下降。不重視施用鎂肥不僅發(fā)生在中國(guó)，同樣在世界其他國(guó)家的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也普遍存在[5]。

2016年9月由德國(guó)鉀鹽集團(tuán)與福建農(nóng)林大學(xué)合作共建了國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所。國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所以植物鎂營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究為重點(diǎn)，關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鎂與其他營(yíng)養(yǎng)元素之間的相互作用，揭示鎂在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面的作用機(jī)制。2017年國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所在國(guó)內(nèi)建立了鎂營(yíng)養(yǎng)研究協(xié)作網(wǎng)，近30個(gè)大專院校、科研院所和企業(yè)的科研人員在全國(guó)連續(xù)開(kāi)展施肥量調(diào)查、土壤取樣以及大面積的鎂肥田間試驗(yàn)和示范。本文分析了生產(chǎn)中忽視施用鎂肥的可能原因，揭示了我國(guó)當(dāng)前土壤鎂營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)狀以及施用鎂肥提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的效果。呼吁在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重視施用鎂肥，最大程度提高各種元素的利用率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中減肥增效、綠色發(fā)展的目的。

1 鎂是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素

在國(guó)外著名的專著和教科書(shū)中，鎂與氮、磷、鉀一樣，都被認(rèn)為是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素。其中鎂和磷在植物體內(nèi)的濃度相當(dāng)，均為植物干重的0.2%左右[1，6-8]。但在國(guó)內(nèi)，鎂被認(rèn)為是中量元素，低估了植物對(duì)鎂的需要量及鎂的重要性。此外，與氮磷鉀缺乏嚴(yán)重抑制作物生長(zhǎng)相比，缺鎂限制生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響程度相對(duì)較低，也導(dǎo)致生產(chǎn)中忽視鎂肥的施用。

鎂在植物的營(yíng)養(yǎng)器官特別是葉片中分布較多[1，6-7]。鎂能夠幫助植物抗鋁、鎘、鹽以及高溫強(qiáng)光等逆境脅迫[9-14]，說(shuō)明了鎂在植物抗逆生理中的重要性，因而在逆境條件下，更能體現(xiàn)鎂對(duì)植物生長(zhǎng)的重要作用。

2 土壤中鎂的濃度相對(duì)較高

Reisenauer[15]調(diào)查了不施肥土壤中不同礦質(zhì)元素的濃度，其中鎂和磷的濃度相差很大（表1）。在測(cè)定的337個(gè)土壤樣本中，Mg2+濃度主要分布在25～200 mg·kg-1之間；而PO43-濃度在149個(gè)土壤樣本中多分布于0.00～0.15 mg·kg-1之間（表1）。如此大的濃度差異，再加上土壤中的鎂主要通過(guò)質(zhì)流方式到達(dá)根系表面，甚至在根際也有鎂的累積；而磷在土壤中主要靠擴(kuò)散作用移動(dòng)，擴(kuò)散速率很慢，絕大多數(shù)土壤中有效磷的濃度極低，使得作物根際區(qū)的有效磷經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)，根際區(qū)的有效磷交換頻率達(dá)到20～50次·d-1才能滿足作物生長(zhǎng)需求[1，16-17]，而且施入的磷肥很容易被土壤顆粒固定而無(wú)效化，使人們自然認(rèn)為生產(chǎn)中應(yīng)該補(bǔ)充磷肥，不需要施用鎂肥。

表1 土壤溶液中鎂和磷的濃度

但實(shí)際上，Mg2+水化半徑大，具有非常高的水化能，在土壤中更容易被淋失，在酸性土壤中尤為嚴(yán)重[1，6-7]。此外，其他陽(yáng)離子如K+、NH4+[18]、Ca2+、Mn2+[19]以及H+（低pH值）等均能顯著減少根系對(duì)Mg2+的吸收，由競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子引起的缺鎂現(xiàn)象普遍存在。所以，盡管土壤中的有效鎂濃度遠(yuǎn)高于磷，但作物缺鎂的現(xiàn)象仍時(shí)常發(fā)生。

3 我國(guó)土壤中可交換性鎂濃度現(xiàn)狀

據(jù)FAO[20]統(tǒng)計(jì)，2017年，中國(guó)農(nóng)業(yè)氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）的總投入量分別為3120萬(wàn)、1590萬(wàn)和1390 萬(wàn)t，占全球農(nóng)業(yè)氮磷鉀總用量的31.2%。在2004～2014年的10年間，我國(guó)每年的磷肥使用量從88 kg·hm-2增加到123 kg·hm-2，導(dǎo)致每年土壤中累積的磷超過(guò)90 kg·hm-2[21]。然而，無(wú)論在FAO網(wǎng)站還是在我國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，都看不到鎂肥的用量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，說(shuō)明無(wú)論在生產(chǎn)中還是官方的統(tǒng)計(jì)中都沒(méi)有重視鎂肥的施用。

國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所和全國(guó)鎂營(yíng)養(yǎng)研究協(xié)作網(wǎng)自2017年開(kāi)始，以農(nóng)戶問(wèn)卷調(diào)查形式對(duì)中國(guó)13個(gè)?。ㄖ饕悄戏剑┑?4種作物（主要是果樹(shù)和蔬菜）開(kāi)展了土壤、農(nóng)戶施肥以及作物鎂養(yǎng)分狀況調(diào)查。根據(jù)農(nóng)戶調(diào)研結(jié)果，我國(guó)農(nóng)戶的田間養(yǎng)分管理粗放，化肥氮磷鉀總量投入普遍過(guò)高，而施用鎂肥的農(nóng)戶及用量很少[5]。需要指出的是，過(guò)量施用的氮磷鉀肥會(huì)通過(guò)抑制根系生長(zhǎng)或陽(yáng)離子間的競(jìng)爭(zhēng)作用，進(jìn)一步減少作物根系對(duì)土壤中鎂的吸收利用[1]。調(diào)查結(jié)果顯示，與大量施用氮磷鉀相比，大部分農(nóng)戶在生產(chǎn)中沒(méi)有施用鎂肥。在所有調(diào)研農(nóng)戶中，僅在福建蜜柚、廣東冬瓜、海南菠蘿和山東番茄的生產(chǎn)中有424戶施用過(guò)鎂肥，分別占4個(gè)區(qū)域調(diào)研農(nóng)戶數(shù)的62%、5%、43%和42%，而且4個(gè)區(qū)域的平均鎂肥（MgO）用量很少，分別為67.5、10.3、23.2和2.3 kg·hm-2，不足磷肥用量的10%[5]。

在進(jìn)行上述農(nóng)戶問(wèn)卷調(diào)查的同時(shí)，收集了調(diào)查地點(diǎn)的土壤樣品4167份。另補(bǔ)充從發(fā)表文章、我國(guó)不同生產(chǎn)體系的土壤樣品測(cè)定數(shù)據(jù)及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部測(cè)試數(shù)據(jù)，共計(jì)獲得10382個(gè)土壤交換性鎂的測(cè)定結(jié)果。對(duì)我國(guó)（不含青海、西藏和臺(tái)灣地區(qū)）土壤鎂養(yǎng)分狀況的分析結(jié)果表明：45.3%的土壤嚴(yán)重缺鎂（＜60 mg·kg-1），18.3%的處于缺乏（60～120 mg·kg-1）水平，16.4%的處于適宜（120～240 mg·kg-1）水平，12.9%的處于偏高（240～480 mg·kg-1）水平，處于豐富（480～720 mg·kg-1）和極豐富（＞720 mg·kg-1）的比例僅為4.0%和3.0%（圖1）。

圖1 我國(guó)0～20 cm土壤交換性鎂濃度分布（不含青海、西藏和臺(tái)灣地區(qū)）

進(jìn)一步分析上述結(jié)果表明，現(xiàn)階段我國(guó)土壤交換性鎂濃度平均為160.5 mg·kg-1，其中南、北方平均值分別為94.3、393.0 mg·kg-1，呈北高南低的分布趨勢(shì)。土壤交換性鎂濃度較低的省份主要集中在長(zhǎng)江以南地區(qū)，除了四川（131.8 mg·kg-1）、江蘇（283.5 mg·kg-1）和上海（344.8 mg·kg-1）3地的土壤交換性鎂濃度平均值高于120 mg·kg-1以外，其他11個(gè)省、自治區(qū)、直轄市（福建、海南、廣西、云南、浙江、江西、貴州、廣東、湖南、重慶和安徽）均低于120 mg·kg-1，尤其是福建、云南、海南和廣西4省及自治區(qū)的值低于60 mg·kg-1，浙江、江西、貴州、廣東、湖南、重慶、安徽7省及直轄市的平均值在60～120 mg·kg-1之間。全國(guó)土壤交換性鎂濃度高于300 mg·kg-1的省份主要分布在北方，包含新疆、吉林、內(nèi)蒙古、遼寧、甘肅、山西和山東7省及自治區(qū)。山東省土壤交換性鎂濃度居全國(guó)之首，平均值為532.0 mg·kg-1。

4 施用鎂肥有明顯的增產(chǎn)提質(zhì)效果

Wang等[22]收集了2019年11月之前國(guó)內(nèi)外發(fā)表的鎂相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：1）所有研究以不施鎂肥為對(duì)照，施用鎂肥為處理組，為單一變量；2）所有結(jié)果均為田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不包括室內(nèi)盆栽或營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn)；3）鎂肥施用方式均為土施，不含葉面噴施；4）研究報(bào)道中含有作物類型和產(chǎn)量結(jié)果。滿足條件的共有99篇文獻(xiàn)，含178個(gè)田間試驗(yàn)，570對(duì)觀測(cè)值（國(guó)內(nèi)396，國(guó)外174）。試驗(yàn)分布在全球10個(gè)國(guó)家，涉及30多種作物，分為9組：糧食類（大米、玉米、小麥、大麥）、水果類（蘋(píng)果、香蕉、菠蘿、柑橘、蜜柚、荔枝、西瓜、甘蔗）、蔬菜類（白菜、生菜、辣椒、番茄、黃瓜）、塊莖類（馬鈴薯、甘薯、木薯、胡蘿卜）、油料作物（大豆、花生、油菜、向日葵），草、煙草、茶葉和其他作物（甜菜、洋蔥、藍(lán)莓）。

Meta分析結(jié)果表明，施用鎂肥平均增產(chǎn)8.5%。顯著增加了水果類（12.5%）、草（10.6%）、烤煙（9.8%）、塊莖類（9.4%）、蔬菜類（8.9%）、糧食類（8.2%）、油料類（8.2%）和茶葉（6.9%）等作物的產(chǎn)量（P＜0.05）。施鎂對(duì)糧食類、油料類、茶葉和其他部分作物的增產(chǎn)效果較低[22]。

從鎂肥的施用效果看，由于土壤中有效鎂濃度和土壤pH值直接影響作物根系對(duì)鎂的吸收，所以在缺鎂和酸性土壤上施用鎂肥對(duì)提高作物產(chǎn)量的效果優(yōu)于土壤有效鎂濃度高及pH值高的土壤[22]。從用量上看，當(dāng)鎂肥（MgO）施用量低于100 kg·hm-2時(shí)，鎂肥的農(nóng)學(xué)效率較高，作物的增產(chǎn)效果明顯，過(guò)多施用鎂肥時(shí)作物產(chǎn)量沒(méi)有響應(yīng)[5]。上述結(jié)果顯示，在生產(chǎn)中需要根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況和作物需求優(yōu)化鎂肥用量，并非越多越好，應(yīng)避免類似過(guò)量施用氮磷鉀肥料造成的肥料利用率降低、投入成本增加及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大等負(fù)面效應(yīng)的出現(xiàn)。

國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所和全國(guó)鎂營(yíng)養(yǎng)研究協(xié)作網(wǎng)從2017年開(kāi)始在全國(guó)12個(gè)省份（主要是南方地區(qū)）共選擇14種作物布置了37個(gè)2+X定位試驗(yàn)和19個(gè)鎂水平定位試驗(yàn)。2+X試驗(yàn)包括農(nóng)民習(xí)慣施肥、優(yōu)化氮磷鉀處理及優(yōu)化氮磷鉀加X(jué)處理（根據(jù)作物需求和土壤鎂濃度不同添加不定量的鎂肥）。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化氮磷鉀處理與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比減少氮磷鉀化肥用量N 15～283、P2O50～400、K2O 15～153 kg·hm-2，不但沒(méi)有減產(chǎn)，反而增產(chǎn)0.6%～24.1%[5]，這也證實(shí)了我國(guó)用于果蔬生產(chǎn)的N、P2O5和K2O化肥投入量總體過(guò)高的結(jié)論[23]。結(jié)合2+X和鎂水平定位試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與優(yōu)化氮磷鉀處理相比，施用鎂肥能夠進(jìn)一步增產(chǎn)，平均增產(chǎn)7.8%（n=110）（圖2），并且對(duì)水果蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的增產(chǎn)幅度大于糧食作物[5]，這與Wang等[22]的Meta分析結(jié)果相吻合。

圖2 施用鎂肥對(duì)不同作物產(chǎn)量的影響

更為重要的是，2+X和鎂水平試驗(yàn)的結(jié)果表明，施鎂不僅能不同程度提高作物產(chǎn)量，包括冬瓜果實(shí)直徑和千粒重、葡萄單果重、茶葉芽頭數(shù)、小麥分蘗數(shù)和穗粒數(shù)、水稻千粒重、油菜收獲密度和穗粒數(shù)等，同時(shí)還提高了不同經(jīng)濟(jì)作物的品質(zhì)指標(biāo)，如水果中的蜜柚果實(shí)可溶性糖含量，柑橘果實(shí)的Vc和可溶性固形物含量，臍橙果實(shí)的Vc含量，葡萄果實(shí)可溶性糖、Vc及可溶性固形物含量；蔬菜類作物中辣椒果實(shí)的Vc含量，冬瓜葉片可溶性糖濃度等；油菜籽含油量，甘蔗可溶性糖及總糖含量等[5]。

5 結(jié)論與展望

（1）鎂是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素。在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期忽視鎂肥的施用，除將鎂認(rèn)為是植物生長(zhǎng)必需的中量元素的誤導(dǎo)作用之外，也與土壤中的交換性鎂濃度較高（與有效磷相比）、缺鎂限制生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響相對(duì)較低（與氮磷鉀缺乏嚴(yán)重抑制作物生長(zhǎng)相比）以及缺鎂癥狀常常發(fā)生在高溫強(qiáng)光等逆境條件下等有關(guān)。但實(shí)際上，土壤中的鎂容易淋失，并且其有效性易受土壤中其他陽(yáng)離子的影響。大部分農(nóng)戶并未認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)中施用鎂肥的重要性，亟須增加鎂知識(shí)的科普和宣傳，并進(jìn)行作物鎂肥試驗(yàn)示范效果的展示。

（2）近十多年來(lái)，我國(guó)在禾谷類糧食作物（小麥、玉米和水稻）生產(chǎn)中通過(guò)氮磷鉀養(yǎng)分優(yōu)化綜合管理，在減肥增效方面取得了顯著進(jìn)步[24-28]。然而對(duì)蔬菜、果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物的化肥投入和養(yǎng)分利用效率管理關(guān)注較少。由于經(jīng)濟(jì)效益高、產(chǎn)量高，農(nóng)民在蔬菜和果樹(shù)上的施肥量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于糧食類作物。2014年，用于果蔬生產(chǎn)的N、P2O5和K2O化肥投入量分別占全國(guó)化肥總用量的32%、40%和49%[23]。我國(guó)果蔬生產(chǎn)的養(yǎng)分利用率僅為10%，低于全球平均值（14%），也顯著低于禾谷類作物（42%～53%）[29]。Wang等[22]對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的Meta分析結(jié)果以及國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所和全國(guó)鎂營(yíng)養(yǎng)研究協(xié)作網(wǎng)2017年以來(lái)在全國(guó)進(jìn)行的農(nóng)戶調(diào)查，數(shù)十個(gè)2+X定位試驗(yàn)和19個(gè)鎂水平定位試驗(yàn)結(jié)果顯示，我國(guó)經(jīng)濟(jì)類作物的氮磷鉀化肥節(jié)約潛力巨大，優(yōu)化施肥不會(huì)減產(chǎn)，還會(huì)增產(chǎn)。在優(yōu)化氮磷鉀化肥投入的基礎(chǔ)上，增施鎂肥能夠進(jìn)一步提高產(chǎn)量，還能改善多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)作物的外觀和內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)，說(shuō)明了在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增施鎂肥的必要性和緊迫性。

（3）我國(guó)超過(guò)63%的土壤缺鎂或嚴(yán)重缺鎂（＜120 mg·kg-1）。施用鎂肥增產(chǎn)提質(zhì)的效果在我國(guó)南方地區(qū)酸性土壤、交換性鎂濃度低的土壤以及在經(jīng)濟(jì)類作物上尤為明顯。實(shí)際上，施用鎂肥不僅在我國(guó)南方有效，在土壤交換性鎂濃度較高的北方地區(qū)仍然有效，如新疆的葡萄、東北的大米、山東的設(shè)施番茄等[5]，需要進(jìn)一步探明原因。生產(chǎn)中施用鎂肥需要注意以下問(wèn)題：鎂肥的溶解性決定著它的施用方式。溶解性小的鎂肥可與土壤混施，宜作基肥；水溶性鎂肥一般可以表施，宜作追肥。一般來(lái)說(shuō)，鎂肥應(yīng)與其他肥料配合施用，維持養(yǎng)分供應(yīng)平衡，效果才好。在鎂肥的施用方式上，有土壤施肥和葉面噴施兩種。葉面噴施作為土壤施肥的一種直接、高效的輔助措施，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)見(jiàn)效快、用量少、效率高的施肥技術(shù)。土施鎂肥時(shí)，還要考慮土壤的酸堿性。強(qiáng)酸性土壤宜施用氧化鎂、氫氧化鎂、白云石灰、蛇紋石粉、鈣鎂磷肥等緩效性鎂肥作為基肥，既能增加溶解度，提高鎂的有效性，又能中和土壤的酸性；對(duì)弱酸性和中性土壤，施用硫酸鎂和硫鎂礬效果更好。目前需要在全國(guó)范圍內(nèi)繼續(xù)開(kāi)展鎂肥增產(chǎn)提質(zhì)增效的研究和大面積示范和推廣，確定不同區(qū)域的土壤鎂臨界值，進(jìn)行不同區(qū)域土壤鎂有效性的評(píng)價(jià)，為我國(guó)農(nóng)作物增產(chǎn)提質(zhì)、提高養(yǎng)分利用效率以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性綠色發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

致謝：感謝國(guó)際鎂營(yíng)養(yǎng)研究所和全國(guó)鎂營(yíng)養(yǎng)研究協(xié)作網(wǎng)所有成員提供的數(shù)據(jù)。