王興磊

（遼寧省本溪市桓仁滿族自治縣二棚甸子鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)站，遼寧 本溪 117200）

在實(shí)現(xiàn)高效使用磷肥的同時(shí)兼顧保護(hù)環(huán)境的問(wèn)題，以確保足夠的食品供應(yīng)和良好的環(huán)境質(zhì)量，在中國(guó)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。雖然中國(guó)農(nóng)業(yè)的總耕地面積僅占世界的9%，但中國(guó)消耗了世界上36%的化肥。此外，磷肥的過(guò)度使用，不僅沒(méi)有增加糧食產(chǎn)量反而造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。例如，1998～2009年，糧食產(chǎn)量?jī)H增加了10%，而化肥投入增加了近19%，磷肥施用過(guò)度，有效利用率不佳。據(jù)我國(guó)第一次全國(guó)污染源普查估計(jì)，全國(guó)共排放4.23×10t的磷。其中，67%來(lái)自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門，其中26%來(lái)自作物生產(chǎn)，38%來(lái)自畜牧業(yè)生產(chǎn)，3%來(lái)自水產(chǎn)養(yǎng)殖。與許多西方發(fā)達(dá)國(guó)家的相比，我國(guó)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(guī)范容易污染環(huán)境。

據(jù)悉，磷已成為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要原因之一，土壤中肥料磷過(guò)剩會(huì)造成地表水的富營(yíng)養(yǎng)化，67%的磷污染來(lái)自農(nóng)業(yè)。除了環(huán)境問(wèn)題，農(nóng)業(yè)還面臨著另一個(gè)重大挑戰(zhàn)，那就是全球巖P資源限制。盡管按目前的生產(chǎn)率估計(jì)，磷酸鹽巖的剩余時(shí)間為259年，磷酸鹽供應(yīng)方面沒(méi)有迫在眉睫的問(wèn)題，但如果考慮到采礦困難和礦區(qū)政治動(dòng)蕩等方面的問(wèn)題，情況就不容樂(lè)觀了。例如，3年前估計(jì)的磷酸鹽巖的剩余時(shí)間為300年，到今年估計(jì)的磷酸鹽巖的剩余時(shí)間為259年，人民的需求在增長(zhǎng)而資源在加快耗竭。中國(guó)擁有世界第二大儲(chǔ)量，是最大的磷酸鹽生產(chǎn)國(guó)（沒(méi)有出口），但按目前的生產(chǎn)率計(jì)算，只有24年的供應(yīng)量，而印度和美國(guó)分別只有29年和37年的供應(yīng)量。如果磷酸鹽巖的估計(jì)剩余年供應(yīng)量繼續(xù)以目前的速度下降，則可以認(rèn)為到2040年所有供應(yīng)都將耗盡。雖然后一種情況不太可能發(fā)生，但它確實(shí)表明出當(dāng)今的需求正在發(fā)生重大變化，為了確保磷的供應(yīng)，全球磷的貿(mào)易、使用和再循環(huán)工作將面臨迫在眉睫的根本性變化。這在中國(guó)，印度和美國(guó)尤其重要，這三個(gè)國(guó)家的人口最多，糧食需求最大。磷肥供應(yīng)面臨的另一個(gè)威脅是，擁有一些最大礦床的國(guó)家，如阿爾及利亞、約旦和敘利亞，位于最近政治不穩(wěn)定的這些地區(qū)，磷酸鹽巖礦區(qū)的開(kāi)采將十分困難。重要的是要認(rèn)識(shí)到，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)過(guò)度簡(jiǎn)化了一個(gè)更復(fù)雜的磷肥供應(yīng)、全球儲(chǔ)量和貿(mào)易動(dòng)態(tài)問(wèn)題，正如Cordell和White所提出的按照這樣的開(kāi)采速度，中國(guó)的磷資源將在幾十年內(nèi)枯竭。因此，開(kāi)發(fā)提高種植系統(tǒng)中肥料磷效率的新策略和技術(shù)正受到相當(dāng)大的關(guān)注。

1 磷肥對(duì)農(nóng)作物的作用機(jī)制

施用到田間的肥料P在種植系統(tǒng)中經(jīng)歷了三個(gè)過(guò)程：一是土壤成分的吸附或沉淀，磷礦通過(guò)工業(yè)過(guò)程轉(zhuǎn)化為水溶性形式，隨后根系生理應(yīng)答動(dòng)員固定化肥P；二是植物投入光合物重建根系形態(tài)結(jié)構(gòu)或排泄?jié)B出物（羧酸鹽，磷酸鹽，質(zhì)子），菌根真菌和增磷增容細(xì)菌在根基和菌絲層土壤中重新轉(zhuǎn)化固定的P肥料；三是根系對(duì)磷的吸收，在液泡中儲(chǔ)存和在農(nóng)作物中吸收利用，詳見(jiàn)圖1。因此，匹配磷肥的性質(zhì)、土壤化學(xué)特性和植物要求對(duì)于高效管理磷肥使用至關(guān)重要。

圖1 磷在農(nóng)作物中的吸收利用過(guò)程

2 磷肥對(duì)農(nóng)作物的影響

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)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(guò)程中發(fā)揮著重要作用。目前，中國(guó)東北、西北、北、長(zhǎng)江平原和華南地區(qū)磷管理區(qū)，詳見(jiàn)圖2。

圖2 中國(guó)東北、西北、北、長(zhǎng)江平原和華南地區(qū)磷管理區(qū)

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫會(huì)阻礙植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，因?yàn)榱讓?duì)植物的核酸很重要。在沒(méi)有磷的情況下，核苷酸合成和核酸會(huì)受到抑制，細(xì)胞的形成和生長(zhǎng)受到抑制，從而阻止作物的生長(zhǎng)和發(fā)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(yùn)輸。許多研究表明，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)磷水平處于穩(wěn)定水平時(shí)，外部磷供應(yīng)不會(huì)影響光合作用的速率；當(dāng)磷是限制因素時(shí)，它對(duì)葉片的光合作用速率有很大的影響。相關(guān)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)率等光合指標(biāo)。因?yàn)?，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(dāng)施用磷肥能夠提高農(nóng)作物的抗旱和抗寒等能力。因?yàn)榱自啬軌蛱岣咧参锛?xì)胞結(jié)構(gòu)的含水量和膠體結(jié)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(guò)促進(jìn)農(nóng)作物體內(nèi)的新陳代謝來(lái)使其適應(yīng)低溫環(huán)境，從而使農(nóng)作物能夠適應(yīng)寒冷環(huán)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(duì)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(guó)農(nóng)田的主要問(wèn)題，這對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。在酸性土壤中，由于用酸性陽(yáng)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(duì)磷的吸收。然而，在過(guò)去的幾年中，由于長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥，中國(guó)農(nóng)田普遍酸化，限制了作物的高產(chǎn)量和養(yǎng)分的高利用效率。對(duì)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(jià)值進(jìn)行了廣泛的研究，通常認(rèn)為pH值在6～6.5適用于大多數(shù)土壤。另一個(gè)可用性窗口發(fā)生在pH4.5左右，但盡管這適用于磷的可用性，但它對(duì)于大多數(shù)作物的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)酸性太強(qiáng)。然而，關(guān)于pH值對(duì)有機(jī)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(gè)知之甚少但可能影響植物對(duì)磷的可用性和吸收的話題與磷和不同微量營(yíng)養(yǎng)素和有毒微量元素（包括Cd）的相互作用有關(guān)。從肥料添加到土壤中的任何兩種養(yǎng)分之間不可能相互作用，使得對(duì)養(yǎng)分的產(chǎn)量響應(yīng)是對(duì)單獨(dú)添加的兩種養(yǎng)分的響應(yīng)之和。然而，養(yǎng)分之間也可能存在協(xié)同或拮抗相互作用，使得產(chǎn)量反應(yīng)大于或小于單個(gè)養(yǎng)分效應(yīng)的預(yù)期。據(jù)報(bào)道，磷、氮、鎂、錳和鉬之間存在協(xié)同作用，但土壤中過(guò)量的磷已被證明會(huì)引起養(yǎng)分缺乏，包括S、K、Fe、Cu、Zn和Fe。

磷對(duì)其他養(yǎng)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(yǎng)分的吸收，易位或利用，或由于干物質(zhì)產(chǎn)量增加而稀釋它們?cè)谥参锊牧现?。然而，很明顯，元素之間的相互作用是復(fù)雜的，并且在研究之間可能會(huì)有所不同?？赡苁怯捎谕寥阑蛑参锏牟町?，或不同養(yǎng)分的比例的變化。盡管植物養(yǎng)分相互作用對(duì)于確定肥料中施用到土壤中的養(yǎng)分的效率具有重要意義，但這一主題受到的關(guān)注相對(duì)較少。然而，如果沒(méi)有這些信息，就不可能設(shè)計(jì)出未來(lái)的可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，特別是隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的日益普及，因此進(jìn)一步的研究勢(shì)在必行。

3.3 膜脂質(zhì)

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(chǔ)存的液泡磷，細(xì)胞磷脂可以占細(xì)胞中有機(jī)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(yù)算的主要比例。釋放這些儲(chǔ)存的適應(yīng)性代謝反應(yīng)可以對(duì)植物在低磷條件下的生長(zhǎng)適應(yīng)性做出重大貢獻(xiàn)，并代表提高作物磷利用效率的目標(biāo)。

3.4 農(nóng)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(nóng)作物種類和土壤類型。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤中，蘿卜對(duì)Ca-P具有更大的吸收能力，而在石灰質(zhì)土壤中，油菜Ca-P具有更大的吸收能力。不同的農(nóng)作物對(duì)于無(wú)機(jī)磷酸鹽的利用效率存在顯著差異；生菜和菠菜對(duì)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(guò)合理輪作或連作等園藝措施，可以實(shí)現(xiàn)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)白菜和莧菜產(chǎn)量增加時(shí)，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(yīng)策略

4.1 明確土壤pH值

關(guān)于土壤有機(jī)磷，特納和布萊克威爾報(bào)告說(shuō)，除在強(qiáng)酸性條件下外，pH值對(duì)160多年來(lái)未接受任何磷投入的耕地土壤中不同形式的有機(jī)磷的豐度幾乎沒(méi)有影響。然而，與今天的農(nóng)業(yè)更相關(guān)的是，有機(jī)磷可以占有機(jī)肥料中總磷的很大一部分，例如牲畜糞便和泥漿。在一項(xiàng)薈萃分析中，Darch等人發(fā)現(xiàn)，有機(jī)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(jī)磷一旦進(jìn)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(duì)于提高蔬菜的PUE也很重要。由于磷的快速固定，大部分TP對(duì)鈣質(zhì)土壤中的農(nóng)作物不可用。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，與顆粒狀磷肥相比，液態(tài)磷肥在石灰質(zhì)土壤中具有更高的可用性、流動(dòng)性和溶解度，可顯著促進(jìn)植物對(duì)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(chǎn)量提高了18%～51%。

將初始pH值為5.1的酸性土壤調(diào)節(jié)至4～8的土壤pH值范圍。然后用超純水提取并分析反應(yīng)性，總磷和植酸酶不穩(wěn)定的磷。數(shù)據(jù)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(shí)似乎再次增加?；钚粤缀椭菜崦覆环€(wěn)定磷濃度的趨勢(shì)也遵循相同的模式，除了在堿性pH值下進(jìn)一步增加。植酸酶不穩(wěn)定的總磷的比例隨pH值而變化，從pH 4.5和7.5時(shí)的30%到pH 6時(shí)的90%。這意味著通過(guò)將（酸性）土壤保持在pH5～6，肥料中施用的磷或土壤中已經(jīng)含有的磷的可用性最大化，這意味著對(duì)額外磷肥料的需求將減少。然而，缺乏關(guān)于pH值對(duì)一系列土壤類型和磷含量的有機(jī)磷可用性影響的數(shù)據(jù)，這意味著pH值建議根據(jù)有機(jī)形式土壤磷的比例而有所不同。因此，了解pH值對(duì)有機(jī)磷遷移率的影響非常重要，針對(duì)不同pH值的土壤制定不同的施肥策略，以確保達(dá)到更優(yōu)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(gè)或多個(gè)物種在附近生長(zhǎng)，而不是在單一栽培中生長(zhǎng)。為了測(cè)試這一點(diǎn)，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(zhì)與單一栽培相同。與單一栽培產(chǎn)量預(yù)測(cè)相比，混合茙的產(chǎn)量增加了18%-35%，但對(duì)苜蓿的磷濃度沒(méi)有顯著影響。因此，混血植物對(duì)磷的吸收量比單一栽培高22%-26%?；旌现参镏辛桌眯侍岣叩脑蚩赡苁谴龠M(jìn)，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(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)閮蓚€(gè)物種能夠獲得不同的磷池或進(jìn)入土壤中的不同物理位置。

4.3 重塑膜脂質(zhì)

在缺磷植物中，糖脂的量以膜磷脂（例如磷脂酰膽堿）為代價(jià)而增加。用糖脂替代膜磷脂代表了高等植物響應(yīng)磷限制的最顯著變化之一。獲得性磷的再動(dòng)員策略使植物能夠最大化生長(zhǎng)和生物量。嚴(yán)重的限磷觸發(fā)用無(wú)磷半乳糖脂取代多達(dá)一半的膜磷脂，即單或二乳糖基二?；视秃突腔；视?。代謝適應(yīng)和膜脂質(zhì)重塑使植物能夠適應(yīng)極低磷環(huán)境。然而，對(duì)作物膜脂質(zhì)交換過(guò)程的基本了解仍然有限。膜脂質(zhì)重塑對(duì)植物在磷脅迫期間的性能至關(guān)重要，并且已經(jīng)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(fù)雜的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的一部分，作物（例如蕓苔屬植物）用于操縱膜脂質(zhì)并增強(qiáng)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(zhuǎn)錄本積累到顯著更高的豐度，而磷脂的產(chǎn)生減少。對(duì)兩種不同耐低磷素能力的水稻基因型的轉(zhuǎn)錄組和脂質(zhì)組的聯(lián)合分析證實(shí)，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(qiáng)的脂質(zhì)重塑基因表達(dá)，在根部表達(dá)程度較小。有證據(jù)表明，對(duì)磷有效性地轉(zhuǎn)錄反應(yīng)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(biāo)。

4.4 開(kāi)發(fā)新型肥料

除了管理土壤外，還有許多機(jī)會(huì)通過(guò)影響不同的植物性狀來(lái)提高磷肥的使用效率，相關(guān)學(xué)者可以根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì)具有不同的磷溶解度或釋放動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)新型肥料。因?yàn)閲@來(lái)自磷酸鹽礦床的磷肥的持續(xù)供應(yīng)的問(wèn)題?；厥樟追薀o(wú)疑將在未來(lái)幾年內(nèi)普及率增加，為創(chuàng)新提供相當(dāng)大的機(jī)會(huì)，例如，其配方和釋放動(dòng)力學(xué)?？苫厥辗柿系睦影◤奈鬯幚韽S回收的鳥糞石基肥料，從乳制品的奶制品脫礦質(zhì)中回收的磷酸鈣以及從骨骼中富含磷酸鹽的加工屠宰場(chǎng)廢物。

5 結(jié)論

為了提高農(nóng)作物種植中磷肥的有效利用率，以使目前的磷肥來(lái)源持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，并且防止浪費(fèi)和地表水損失以及隨后的富營(yíng)養(yǎng)化。本文建議，管理土壤pH值，優(yōu)化土壤磷素有效性；嘗試開(kāi)發(fā)間作等高效磷耕作系統(tǒng)等新型種植系統(tǒng)或組合；重塑膜脂質(zhì)，降低植物對(duì)磷的需求；開(kāi)發(fā)新型高效利用率磷肥，以期為農(nóng)作物種植中磷肥的使用提供一定的幫助。