提高我国土壤-作物体系磷肥高效利用的途径

中国农业大学资源与环境学院教授 冯 固

我国作物生产从20世纪70年代后期开始大规模使用磷肥，过量施用现象普遍。目前磷肥当季利用率低，粮食作物约20%，蔬菜果树不足10%；残留在土壤中的磷还存在污染水体的风险。如何提高磷肥利用效率是关乎作物生产绿色提质增效的重大问题。

磷肥-土壤-作物体系不匹配、过度依赖高浓度水溶性磷肥、忽视作物高效吸收利用磷的生物学潜力在磷肥高效吸收利用中的作用是导致我国作物生产中磷肥过量施用、利用率低的3个主要原因。

（1）磷肥品种与土壤性质不匹配是导致磷肥利用率低的首要原因。从阻止磷肥有效性在土壤中固定损失的角度来看，我国北方的碱性土壤应该施用酸性磷肥、南方的酸性土壤应该施用碱性磷肥。然而，这样一个看似常识性的简单问题却被肥料市场完全颠倒、扭曲了。当前，北方肥料市场上磷酸二铵占据主导地位，而以磷酸一铵为主要原料生产的各类复合（混）肥料占据了南方肥料市场。未来需要磷化工行业和农业部门跨界联合，共同解决磷肥-土壤-作物体系不匹配的难题。

（2）磷肥生产中过度追求高水有比（水溶磷与有效磷的质量比）、销售环节过度宣传高水溶性特征、作物生产环节过度依赖高浓度水溶性磷肥是导致磷肥利用率低的重要原因。化学磷肥的生产是将磷矿通过强酸分解转化成水溶性磷酸盐的过程。高磷浓度、高水溶性的磷肥施入农田以后很容易发生土壤固定，快速转化为形态多样、难溶于水的磷酸盐，有效性损失率高达2/3。为了维持生长需要，植物不得不消耗大量的光合产物，通过根系分泌有机酸、质子、磷酸酶，或者通过招募并供养解磷微生物和菌根真菌等方式再一次活化无效化了的肥料磷。这种周而复始的磷矿石化工活化-磷肥土壤固定-作物再次生物活化的磷酸盐生物有效性变化历程不仅引起能量和高品位磷矿资源的更多消耗，而且也让我们深刻认识到要将磷化工行业的先进科技成果真正转化为作物生产中的磷肥效率提升的效益还有很长的路要走，磷肥产品和工艺的创新与农业生产的需求亟待深度融合。

（3）忽视作物高效活化利用磷的生物学潜力是作物生产环节中导致磷肥利用率低的关键因素。作物对磷的获取是通过根系和菌根两条相互独立的磷吸收途径完成的，根系和菌根菌都具利用质子、有机酸、磷酸酶、糖类等物质直接活化难溶性磷，或者招募解磷微生物活化磷的能力。作物吸收利用磷的能力存在遗传的差异。在不同土壤供磷强度下，作物根系和菌根菌的形态、磷素在作物体内的利用效率都会做出适应性调整。这种调整是由作物以及解磷微生物自身的生物学特性所决定的，我们将作物自身以及根际和菌丝际定殖的解磷微生物活化利用土壤磷的能力统称为作物高效活化利用磷的生物学潜力。大量研究结果表明，土壤供磷强度过高、过低都不利于生物学潜力的发挥，只有在适宜的土壤供磷强度（有效磷的农学阈值附近）下，作物根系形态与生理、解磷微生物的功能、菌根生物量等磷吸收利用的性状达到相对最高的状态，此时作物的产量潜力可达到85%～90%的较高水平。因此，将土壤有效磷的供应强度控制在农学阈值附近，有利于充分发挥作物高效活化利用磷的生物学潜力。经过四十余年磷肥的大量使用，我国农田土壤平均有效磷质量分数已经达到了20 mg/kg以上，而大多数土壤-作物体系的有效磷农学阈值也与这一数值接近。这意味着我国通过大规模的过量施用磷肥提升土壤磷素肥力水平的阶段性任务已经基本完成，未来农田的磷肥用量应当在考虑作目标物产量需磷量和将土壤有效磷质量分数水平维持在20 mg/kg这两个前提下来进行总量控制，从而大幅度提高磷肥利用效率。如果再考虑有机替代技术的普及，将我国化学磷肥的平均用量在现有水平上降低30%是可行的。

综上所述，我国目前磷肥多以高浓度水溶性磷肥及复合肥为主，磷肥管理较少考虑肥料性质与土壤－作物体系的匹配，对于不同集约化作物体系中磷肥的形态转化、无效化机理及阻控途径缺乏定量认识，对于通过肥料-土壤-作物的匹配、充分发挥作物高效利用磷的生物学潜力、实现减磷增效的目标缺乏系统研究。针对上述问题，在科技部“十三五”重点研发计划资助下，由中国农业大学、中国科学院南京土壤研究所、中国农业科学院资源与区划研究所、南京农业大学、西北农林科技大学、华中农业大学、云南农业大学等国内21所大学和科研单位的48位科技人员组成的《肥料磷素转化与高效利用机理》项目组自2017年以来开展联合试验攻关，研究了不同土壤-作物体系中磷肥的转化与高效利用机理、磷肥高效利用的调控方法等问题。本期专辑集中收录了17篇关于磷素转化机理、根系和微生物调控方法、不同土壤-作物体系磷肥管理技术、区域磷肥限量标准等方面的最新研究成果，期望这些新理念和新技术能够在我国作物生产的磷肥减施增效实践中发挥重要作用。