农作物种植中如何提高磷肥有效利用率

王兴磊

（辽宁省本溪市桓仁满族自治县二棚甸子镇农业站，辽宁 本溪 117200）

在实现高效使用磷肥的同时兼顾保护环境的问题，以确保足够的食品供应和良好的环境质量，在中国是一个巨大的挑战。虽然中国农业的总耕地面积仅占世界的9%，但中国消耗了世界上36%的化肥。此外，磷肥的过度使用，不仅没有增加粮食产量反而造成了严重的环境污染。例如，1998～2009年，粮食产量仅增加了10%，而化肥投入增加了近19%，磷肥施用过度，有效利用率不佳。据我国第一次全国污染源普查估计，全国共排放4.23×10t的磷。其中，67%来自农业农村部门，其中26%来自作物生产，38%来自畜牧业生产，3%来自水产养殖。与许多西方发达国家的相比，我国在磷肥的使用方面，不仅损失率高有效利用率低，而且使用不规范容易污染环境。

据悉，磷已成为农业非点源污染的主要原因之一，土壤中肥料磷过剩会造成地表水的富营养化，67%的磷污染来自农业。除了环境问题，农业还面临着另一个重大挑战，那就是全球岩P资源限制。尽管按目前的生产率估计，磷酸盐岩的剩余时间为259年，磷酸盐供应方面没有迫在眉睫的问题，但如果考虑到采矿困难和矿区政治动荡等方面的问题，情况就不容乐观了。例如，3年前估计的磷酸盐岩的剩余时间为300年，到今年估计的磷酸盐岩的剩余时间为259年，人民的需求在增长而资源在加快耗竭。中国拥有世界第二大储量，是最大的磷酸盐生产国（没有出口），但按目前的生产率计算，只有24年的供应量，而印度和美国分别只有29年和37年的供应量。如果磷酸盐岩的估计剩余年供应量继续以目前的速度下降，则可以认为到2040年所有供应都将耗尽。虽然后一种情况不太可能发生，但它确实表明出当今的需求正在发生重大变化，为了确保磷的供应，全球磷的贸易、使用和再循环工作将面临迫在眉睫的根本性变化。这在中国，印度和美国尤其重要，这三个国家的人口最多，粮食需求最大。磷肥供应面临的另一个威胁是，拥有一些最大矿床的国家，如阿尔及利亚、约旦和叙利亚，位于最近政治不稳定的这些地区，磷酸盐岩矿区的开采将十分困难。重要的是要认识到，这些统计数据过度简化了一个更复杂的磷肥供应、全球储量和贸易动态问题，正如Cordell和White所提出的按照这样的开采速度，中国的磷资源将在几十年内枯竭。因此，开发提高种植系统中肥料磷效率的新策略和技术正受到相当大的关注。

1 磷肥对农作物的作用机制

施用到田间的肥料P在种植系统中经历了三个过程：一是土壤成分的吸附或沉淀，磷矿通过工业过程转化为水溶性形式，随后根系生理应答动员固定化肥P；二是植物投入光合物重建根系形态结构或排泄渗出物（羧酸盐，磷酸盐，质子），菌根真菌和增磷增容细菌在根基和菌丝层土壤中重新转化固定的P肥料；三是根系对磷的吸收，在液泡中储存和在农作物中吸收利用，详见图1。因此，匹配磷肥的性质、土壤化学特性和植物要求对于高效管理磷肥使用至关重要。

图1 磷在农作物中的吸收利用过程

2 磷肥对农作物的影响

磷是植物生长发育所必需的大量营养素之一，它不仅是植物中许多重要化合物的重要组成部分，而且在各种代谢过程中发挥着重要作用。目前，中国东北、西北、北、长江平原和华南地区磷管理区，详见图2。

图2 中国东北、西北、北、长江平原和华南地区磷管理区

相关研究发现，低磷胁迫会阻碍植物的生长和发育，因为磷对植物的核酸很重要。在没有磷的情况下，核苷酸合成和核酸会受到抑制，细胞的形成和生长受到抑制，从而阻止作物的生长和发育。

磷不仅可以改善植物的光合作用，还可以改善植物中碳水化合物的合成和运输。许多研究表明，当细胞内磷水平处于稳定水平时，外部磷供应不会影响光合作用的速率；当磷是限制因素时，它对叶片的光合作用速率有很大的影响。相关科学家研究发现，增加磷肥施用量可以显著提高植物叶片的净光合速率和气孔传导率等光合指标。因为，磷是许多光合酶的重要组成部分，例如：核酮糖-1，5-二磷酸羟化酶/加氧酶（Rubisco）、蔗糖磷酸合酶（SPS）等都需要磷元素。

适当施用磷肥能够提高农作物的抗旱和抗寒等能力。因为磷元素能够提高植物细胞结构的含水量和胶体结合水的能力，从而减少水分流失提高抗旱能力；磷元素能够通过促进农作物体内的新陈代谢来使其适应低温环境，从而使农作物能够适应寒冷环境。

3 影响磷肥有效利用率的主要因素

3.1 土壤pH值

土壤磷对土壤pH值高度敏感，在酸性土壤中，较低的磷利用效率（PUE）是中国农田的主要问题，这对作物产量产生不利影响。在酸性土壤中，由于用酸性阳离子（如Al和Fe）固定P，植物吸收的P可用性降低，减少了植物对磷的吸收。然而，在过去的几年中，由于长期施用无机肥，中国农田普遍酸化，限制了作物的高产量和养分的高利用效率。对于将土壤pH值保持在最佳值以最大化活性磷的可用性的价值进行了广泛的研究，通常认为pH值在6～6.5适用于大多数土壤。另一个可用性窗口发生在pH4.5左右，但尽管这适用于磷的可用性，但它对于大多数作物的生长来说酸性太强。然而，关于pH值对有机磷化合物的迁移性或生物利用度的影响的研究很少。

3.2 拮抗作用

另一个知之甚少但可能影响植物对磷的可用性和吸收的话题与磷和不同微量营养素和有毒微量元素（包括Cd）的相互作用有关。从肥料添加到土壤中的任何两种养分之间不可能相互作用，使得对养分的产量响应是对单独添加的两种养分的响应之和。然而，养分之间也可能存在协同或拮抗相互作用，使得产量反应大于或小于单个养分效应的预期。据报道，磷、氮、镁、锰和钼之间存在协同作用，但土壤中过量的磷已被证明会引起养分缺乏，包括S、K、Fe、Cu、Zn和Fe。

磷对其他养分的拮抗作用的潜在原因是多种多样的，但可能包括磷影响土壤中其他元素的迁移，影响其他养分的吸收，易位或利用，或由于干物质产量增加而稀释它们在植物材料中。然而，很明显，元素之间的相互作用是复杂的，并且在研究之间可能会有所不同。可能是由于土壤或植物的差异，或不同养分的比例的变化。尽管植物养分相互作用对于确定肥料中施用到土壤中的养分的效率具有重要意义，但这一主题受到的关注相对较少。然而，如果没有这些信息，就不可能设计出未来的可持续农业系统，特别是随着精准农业的日益普及，因此进一步的研究势在必行。

3.3 膜脂质

磷酸盐是核酸、磷酸腺苷和磷脂等基本生物分子的主要成分。忽略储存的液泡磷，细胞磷脂可以占细胞中有机磷的三分之一（按RNA＞磷脂＞磷酸酯＞DNA＞磷酸化蛋白的顺序），因此占磷预算的主要比例。释放这些储存的适应性代谢反应可以对植物在低磷条件下的生长适应性做出重大贡献，并代表提高作物磷利用效率的目标。

3.4 农作物种类

磷的吸收不仅取决于土壤中可用磷的含量，还取决于农作物种类和土壤类型。一些学者发现，在酸性土壤中，萝卜对Ca-P具有更大的吸收能力，而在石灰质土壤中，油菜Ca-P具有更大的吸收能力。不同的农作物对于无机磷酸盐的利用效率存在显著差异；生菜和菠菜对Ca-P的利用率较高，而在番茄中Al-P的利用率较高。因此，通过合理轮作或连作等园艺措施，可以实现蔬菜土壤中积累的磷的充分利用。与其他措施相比，白菜苋菜轮作在富磷土壤中更好地利用了P；白菜苋菜轮作试验结果表明，当白菜和苋菜产量增加时，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应策略

4.1 明确土壤pH值

关于土壤有机磷，特纳和布莱克威尔报告说，除在强酸性条件下外，pH值对160多年来未接受任何磷投入的耕地土壤中不同形式的有机磷的丰度几乎没有影响。然而，与今天的农业更相关的是，有机磷可以占有机肥料中总磷的很大一部分，例如牲畜粪便和泥浆。在一项荟萃分析中，Darch等人发现，有机磷约占这些肥料中可提取磷总量的四分之一。此外，一部分有机磷一旦进入土壤溶液，就很容易被水解成磷酸盐。因此，肥料与土壤的匹配对于提高蔬菜的PUE也很重要。由于磷的快速固定，大部分TP对钙质土壤中的农作物不可用。有学者发现，与颗粒状磷肥相比，液态磷肥在石灰质土壤中具有更高的可用性、流动性和溶解度，可显著促进植物对磷的吸收。与颗粒施用磷相比，施用液肥显著减少土壤磷固定，增加Ca-P 和钙-P；因此，液体肥料使PUE提高了5%～15.5%，番茄产量提高了18%～51%。

将初始pH值为5.1的酸性土壤调节至4～8的土壤pH值范围。然后用超纯水提取并分析反应性，总磷和植酸酶不稳定的磷。数据表明，在中酸性pH值（pH 5～6）下，总磷提取量最大，尽管在pH 7.8时似乎再次增加。活性磷和植酸酶不稳定磷浓度的趋势也遵循相同的模式，除了在碱性pH值下进一步增加。植酸酶不稳定的总磷的比例随pH值而变化，从pH 4.5和7.5时的30%到pH 6时的90%。这意味着通过将（酸性）土壤保持在pH5～6，肥料中施用的磷或土壤中已经含有的磷的可用性最大化，这意味着对额外磷肥料的需求将减少。然而，缺乏关于pH值对一系列土壤类型和磷含量的有机磷可用性影响的数据，这意味着pH值建议根据有机形式土壤磷的比例而有所不同。因此，了解pH值对有机磷迁移率的影响非常重要，针对不同pH值的土壤制定不同的施肥策略，以确保达到更优的磷肥有效利用率。

4.2 间作

除了明确土壤pH值外，另一种更好地利用土壤磷的方法是间作，其中两个或多个物种在附近生长，而不是在单一栽培中生长。为了测试这一点，我们种植黑麦草和白三叶草作为单一栽培或混合苜蓿，草与三叶草的比例为3：1，但总种子品质与单一栽培相同。与单一栽培产量预测相比，混合茙的产量增加了18%-35%，但对苜蓿的磷浓度没有显著影响。因此，混血植物对磷的吸收量比单一栽培高22%-26%。混合植物中磷利用效率提高的原因可能是促进，其中一种植物增加了磷的可用性并获得了其他益处，或者减少了竞争，因为两个物种能够获得不同的磷池或进入土壤中的不同物理位置。

4.3 重塑膜脂质

在缺磷植物中，糖脂的量以膜磷脂（例如磷脂酰胆碱）为代价而增加。用糖脂替代膜磷脂代表了高等植物响应磷限制的最显著变化之一。获得性磷的再动员策略使植物能够最大化生长和生物量。严重的限磷触发用无磷半乳糖脂取代多达一半的膜磷脂，即单或二乳糖基二酰基甘油和磺基喹啉基二酰基甘油。代谢适应和膜脂质重塑使植物能够适应极低磷环境。然而，对作物膜脂质交换过程的基本了解仍然有限。膜脂质重塑对植物在磷胁迫期间的性能至关重要，并且已经被拟南芥的敲除研究所证明。

除了模型物种之外，磷脂酶的变化是复杂的转录反应的一部分，作物（例如芸苔属植物）用于操纵膜脂质并增强磷的回收。参与磷脂分解代谢和半乳糖脂/磺脂生物合成的转录本积累到显著更高的丰度，而磷脂的产生减少。对两种不同耐低磷素能力的水稻基因型的转录组和脂质组的联合分析证实，与PB1低磷敏感基因型相比，Dular（低耐磷基因型）在芽中具有更强的脂质重塑基因表达，在根部表达程度较小。有证据表明，对磷有效性地转录反应具有高度的遗传性，并为提高磷利用效率的作物育种提供了潜在的目标。

4.4 开发新型肥料

除了管理土壤外，还有许多机会通过影响不同的植物性状来提高磷肥的使用效率，相关学者可以根据其物理和化学性质具有不同的磷溶解度或释放动力学开发新型肥料。因为围绕来自磷酸盐矿床的磷肥的持续供应的问题。回收磷肥无疑将在未来几年内普及率增加，为创新提供相当大的机会，例如，其配方和释放动力学。可回收肥料的例子包括从污水处理厂回收的鸟粪石基肥料，从乳制品的奶制品脱矿质中回收的磷酸钙以及从骨骼中富含磷酸盐的加工屠宰场废物。

5 结论

为了提高农作物种植中磷肥的有效利用率，以使目前的磷肥来源持续更长时间，并且防止浪费和地表水损失以及随后的富营养化。本文建议，管理土壤pH值，优化土壤磷素有效性；尝试开发间作等高效磷耕作系统等新型种植系统或组合；重塑膜脂质，降低植物对磷的需求；开发新型高效利用率磷肥，以期为农作物种植中磷肥的使用提供一定的帮助。