朱希茹，姜 潤，連祎雯，黃成東

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院，植物-土壤相互作用 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

鎂和磷均是植物生長所必需的大量營養(yǎng)元素，二者在葉綠素合成、光合磷酸化、光合產(chǎn)物分配等過程中具有不可替代的作用[1-2］。在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，鎂營養(yǎng)缺乏問題近年來受到了很大的關(guān)注，但生產(chǎn)中鎂肥的施用很少，且以硫酸鎂為主，在大水漫灌或高降雨量條件下易發(fā)生淋洗和徑流損失[3-5］； 而磷在土壤中易被固定，加之我國農(nóng)田磷肥投入過量，三大糧食作物的磷肥當(dāng)季利用率較低，其中小麥的磷肥利用率僅為19%[6］；尤其在南方酸性土壤中，鎂和磷的缺乏問題更加突出[7-9］，嚴(yán)重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展。

作物吸收利用鎂和磷的養(yǎng)分形態(tài)分別為Mg2+、H2PO4-和HPO42-，二者分別屬于陽離子和陰離子。從化學(xué)反應(yīng)上來講，二者易發(fā)生反應(yīng)，形成弱酸溶性物質(zhì)；從作物吸收上來講，二者并不存在競爭吸收位點(diǎn)。隨著鎂養(yǎng)分在我國南方酸性土壤地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用越來越重要，需要深入理解鎂與其他營養(yǎng)元素的相互作用，為解決區(qū)域作物養(yǎng)分管理關(guān)鍵問題提供思路。鎂是容易被忽視的重要營養(yǎng)元素，且與氮、鉀、鈣等其他營養(yǎng)元素之間存在著養(yǎng)分交互作用[2，10］。近年來，已有研究表明鎂和磷之間也存在相互作用，主要集中在作物的養(yǎng)分吸收上[11-16］，但尚欠缺對(duì)鎂-磷在肥料、土壤和作物中相互作用的深入理解。本文從肥料-土壤-作物系統(tǒng)出發(fā)，介紹鎂-磷營養(yǎng)互作研究進(jìn)展，以期為鎂-磷營養(yǎng)在作物養(yǎng)分高效利用和肥料產(chǎn)品創(chuàng)新研究及生產(chǎn)應(yīng)用方面提供參考。

1 肥料中的鎂-磷交互作用

鎂作為作物生長必需的營養(yǎng)元素之一，生產(chǎn)中鎂肥的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)土壤鎂營養(yǎng)狀況估算，我國農(nóng)田土壤每年需要補(bǔ)充980萬t以上的MgO[17］。而目前主要的鎂肥產(chǎn)品是硫酸鎂、硫酸鉀鎂等單質(zhì)鎂或鉀鎂肥料，每年施用量約為10萬t MgO[18］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的真正需求。由于單質(zhì)鎂肥施用量較少，除水肥一體化外，單獨(dú)施用或與氮磷鉀復(fù)合肥摻混施用易造成肥料在田間分布不均勻的問題，而且增加了額外的勞動(dòng)力。因此，合成含鎂復(fù)合肥能夠有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分在肥料內(nèi)部的均勻分布，同時(shí)做到田間高效便捷 施用。

在歐美等國家和地區(qū)，氮磷鉀大量元素肥料產(chǎn)品中添加鎂肥成為了常態(tài)，初步估算有一半以上的產(chǎn)品添加鎂肥，平均添加養(yǎng)分含量達(dá)到了2.4% MgO，且以水溶性硫酸鎂的添加為主[19］，能夠滿足大部分作物生長對(duì)鎂的需求，也充分說明了鎂在肥料產(chǎn)品升級(jí)中的重要性。相比較而言，我國目前主要集中在水溶肥產(chǎn)品研發(fā)方面，含鎂大量元素肥料產(chǎn)品較少，這可能與產(chǎn)品定位差異化、銷售價(jià)格高、對(duì)鎂營養(yǎng)認(rèn)識(shí)不足等因素有關(guān)。

在我國肥料產(chǎn)品發(fā)展過程中，含有鎂、磷養(yǎng)分的肥料產(chǎn)品主要有磷礦粉、鳥糞石（磷酸銨鎂）和鈣鎂磷肥等低濃度磷肥，其中的鎂養(yǎng)分含量差異較大（表1）。磷礦粉主要含有磷和鈣，鎂（MgO）含量一般不超過10%，且不同礦區(qū)生產(chǎn)的磷礦粉中鎂含量差異較大[20-21］。我國曾經(jīng)在20世紀(jì)70～80年代使用過磷礦粉，每年平均施用量為26萬t P2O5[22］。 磷礦粉具有不溶于水、難溶于弱酸的特點(diǎn)，其中的鎂主要以CaCO3·MgCO3（白云石）形式存在，屬于難溶性的養(yǎng)分；磷礦粉中的鎂和磷養(yǎng)分均屬于緩慢釋放型，不能夠瞬時(shí)大量供應(yīng)給作物，目前只在局部地區(qū)少量使用[23-24］，其一般適用于強(qiáng)酸性土壤兼根系分泌酸性強(qiáng)或吸磷能力強(qiáng)的作物，如澳洲堅(jiān)果、油菜、蘿卜、豆科作物等[25］， 且一般在高降雨量和氣溫較低的氣候條件下效果較好[26］。相較于磷礦粉，鳥糞石屬于弱酸溶性磷肥，含鎂量較高，可達(dá)8% MgO以上。其中最為著名的是秘魯鳥糞石，目前天然合成的鳥糞石儲(chǔ)量少，以利用鎂鹽[MgCl2、Mg（OH）2、MgSO4等］回收廢水中的氮和磷產(chǎn)生的鳥糞石為主，屬于廢水環(huán)保處理的副產(chǎn)品，但存在工業(yè)生產(chǎn)成本較高的問 題[27-30］，在一些發(fā)達(dá)國家得到了很好的應(yīng)用，我國也有一些企業(yè)從廢水中回收。鈣鎂磷肥也具有弱酸溶性的特點(diǎn)，產(chǎn)品呈堿性，鎂和磷養(yǎng)分分別以硅酸鎂和磷酸鈣的形式存在，其鎂含量較前兩者要高一些，兼有鈣養(yǎng)分，可起到為作物提供鎂、磷、鈣、硅等多種養(yǎng)分和改良酸化土壤的作用[31］。鈣鎂磷肥在我國應(yīng)用較多，主要分布在磷礦產(chǎn)區(qū)，如云南、湖北、四川等地，由于其具有呈粉末狀、磷養(yǎng)分含量低、工業(yè)生產(chǎn)效益低等特點(diǎn)，其產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，從2010到2018年全國鈣鎂磷肥生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量約降低了一半，年產(chǎn)量從151萬減至106萬t，目前年產(chǎn)量基本維持在90萬～100萬t水平[32］?？傮w來說，3種含有鎂、磷的肥料產(chǎn)品均呈堿性，適用于南方酸性土壤，近年來的許多研究也證實(shí)其在農(nóng)田中施用具有很好的應(yīng)用效 果[33-38］，而且能夠在一定程度上改良酸化土壤，充分證明了其在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值，但受限于價(jià)格、產(chǎn)品特性、施用技術(shù)等多方面因素的影響，3種含鎂、磷的肥料產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用 較少。

表1 3種低濃度含鎂、磷肥產(chǎn)品的基本特性

目前我國復(fù)合肥施用量占到了化肥施用量的40%以上[39］，借鑒國外含鎂復(fù)合肥發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，可將單質(zhì)鎂肥與復(fù)合肥混合造粒，在一定程度上能夠有效地解決單質(zhì)鎂肥在田間施用不方便以及養(yǎng)分分布均勻性差的問題。在鎂肥與復(fù)合肥料合成過程中，需要解決兩個(gè)問題：一是鎂鹽與磷酸鹽共存的問題，二者在肥料合成過程中可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了微溶于水的磷酸鎂鹽，如MgHPO4、MgNH4PO4等，其存在可能會(huì)降低磷養(yǎng)分的有效性，也可能會(huì)導(dǎo)致加入的鎂養(yǎng)分退化失效；已有的研究表明，在磷酸一銨中添加硫酸鎂不會(huì)影響磷養(yǎng)分的有效性，而在 磷酸二銨中添加硫酸鎂則會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成弱酸溶性或難溶性磷酸鹽，降低了磷在水中的溶解性[40］。 二是速效鎂與緩效鎂養(yǎng)分結(jié)合的問題，鎂在酸性土壤兼高降雨量地區(qū)，容易發(fā)生淋洗或徑流損 失[41-43］；在室內(nèi)的模擬研究結(jié)果表明，即便只有 30 mm的降雨量，也會(huì)造成硫酸鎂有25%以上的淋洗損失，而難溶性白云石粉（碳酸鈣鎂）幾乎沒有淋洗損失[44］；在1000 mm降雨量的黃壤上，易溶性硫酸鉀鎂和硫酸鎂淋失率可達(dá)40%～60%，而難溶性氧化鎂肥料在35%左右[45］。由此可見，在南方酸性土壤高降雨量地區(qū)（常年降雨量在1000 mm 以上），施用水溶性含鎂復(fù)合肥會(huì)造成大量的鎂淋洗或徑流損失，降低了鎂肥肥效，尤其是在砂質(zhì)土壤條件下；而施用難溶性鎂肥，如氧化鎂、白云石粉等，雖然能夠有效降低鎂淋洗損失[46］，但其養(yǎng)分供應(yīng)緩慢，并不能有效滿足作物生育期內(nèi)鎂營養(yǎng)的需求。因此，必須從長遠(yuǎn)角度來考慮，設(shè)計(jì)出兼具速效與緩效釋放鎂養(yǎng)分效果和低生產(chǎn)成本的復(fù)合肥產(chǎn)品，既能保證作物生育期鎂營養(yǎng)需求，又能有效減少高降雨量地區(qū)農(nóng)田鎂養(yǎng)分損失，最終實(shí)現(xiàn)鎂肥資源的高效利用，助推農(nóng)業(yè)種植業(yè)綠色生產(chǎn)。

2 土壤中的鎂-磷交互作用

鎂是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制養(yǎng)分之一，我國農(nóng)田缺鎂面積較大，導(dǎo)致作物產(chǎn)量損失較大，一般能夠造成8%左右的減產(chǎn)[17，47-48］，由此可見，鎂營養(yǎng)在我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中的重要作用。施磷雖然能夠改善作物的鎂營養(yǎng)狀況[12-14］，但是施磷并不能解決土壤鎂養(yǎng)分不足造成的作物鎂營養(yǎng)缺乏問題，仍然需要投入鎂肥來實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)缺乏矯 正[47］。因此，有必要深入理解鎂-磷在土壤中的互作過程，為含有鎂、磷養(yǎng)分的肥料科學(xué)施用提供參考。

以往的研究更多關(guān)注了酸性土壤鐵、鋁和堿性土壤鈣等與磷的互作，而鎂與磷在土壤中的互作也是不應(yīng)忽視的[49-50］。在元素周期表中，鎂與鈣屬同族元素，因此鎂與磷酸鹽的反應(yīng)可參考鈣與磷酸鹽的反應(yīng)。借鑒鈣與磷的交互作用，在土壤中，鈣離子（Ca2+）易與磷酸鹽發(fā)生反應(yīng)形成Ca-P沉淀，顯著降低了磷養(yǎng)分的有效性，在pH＞6開始生成沉淀，pH為8時(shí)生成大量沉淀[49，51］，可見，Ca-P沉淀與pH有著很大的關(guān)系[52］。受限于鎂與鈣在元素周期表中的位置，質(zhì)子數(shù)不同決定了鎂元素生成物更活潑，同等條件下鎂與磷生成物的溶解度應(yīng)該會(huì)較高一些[52］。

已有的研究表明，鎂與磷在土壤的互作過程與磷肥種類、磷肥用量、鎂肥用量、水溶性鈣/鎂等因素密切相關(guān)，其關(guān)鍵原因可能是受到pH變化的驅(qū)動(dòng)[50，53-56］。從磷肥種類上來說，在土壤培養(yǎng)條件下，添加一定量不同酸堿性的磷肥（酸性：磷酸二氫鉀和磷酸一銨；堿性：磷酸氫二鉀和磷酸二銨），形成的鎂-磷物質(zhì)具有不同的溶解性，在酸性磷肥作用下，易于形成相對(duì)溶解性較高的三水磷酸氫鎂，而在堿性磷肥作用下，趨向于形成較難溶的四水磷酸鎂[50］；從磷肥用量上來說，隨著供磷水平的增加，種植小麥的紅壤中鎂濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，這種作用可能是由于磷離子在土壤溶液中的無機(jī)配體和土壤中的鎂離子形成絡(luò)合物，導(dǎo)致鎂在土壤中的有效性降低[56］。從鎂肥用量上來講，以氧化鎂為例，在土壤溶液培養(yǎng)條件下，探究氧化鎂添加量對(duì)磷酸鹽有效性的影響，總體結(jié)果表明，氧化鎂用量越大，作用時(shí)間越長，越易生成較難溶性含鎂磷酸鹽，這可能與氧化鎂呈堿性，增加了土壤pH有關(guān)[53］；從鈣/鎂上來講，目前報(bào)道的結(jié)果表明，影響鈣/鎂與磷酸根發(fā)生反應(yīng)的因素主要是水溶性鈣/鎂，當(dāng)土壤溶液中水溶性鈣/鎂≥1.5時(shí)，向土壤中添加正磷酸鹽，由于水溶性鈣含量較高，磷酸鹽會(huì)優(yōu)先與鈣離子發(fā)生反應(yīng)生成二水磷酸氫鈣，而當(dāng)其比值小于1.5時(shí)，則會(huì)生成含二水磷酸氫鈣和三水磷酸氫鎂中的1種或2種磷酸鹽，當(dāng)鎂含量豐富時(shí)，會(huì)生成磷酸鎂鹽[50］，類似的結(jié)果在白云石[CaMg（CO3）2］與磷酸鹽研究中也得到了證實(shí)[53］。以上研究結(jié)果說明，在土壤中，磷酸根會(huì)優(yōu)先與土壤溶液中的鈣離子發(fā)生反應(yīng)，但需要注意，當(dāng)水溶性鎂含量較高時(shí)，磷酸根也可能會(huì)與鎂離子發(fā)生反應(yīng)，形成弱酸溶或難溶性磷酸鎂鹽，在一定條件下，這些含鎂磷酸鹽可以緩慢分解釋放出其中的鎂和磷養(yǎng)分，供植物吸收 利用。

目前關(guān)于鎂-磷在土壤中的互作研究較少，這可能與其反應(yīng)強(qiáng)度較低有關(guān)，并不像鈣、鐵、鋁等可以與磷酸鹽發(fā)生快速固定，今后需要從土壤pH、鎂-磷肥種類等多個(gè)方面厘清鎂、磷在土壤中存在的形態(tài)和轉(zhuǎn)化中的互作過程及機(jī)制，為作物高效吸收利用養(yǎng)分提供基礎(chǔ)。

3 作物生長過程中的鎂-磷交互作用

作物從土壤中以Mg2+和PO43-的形式獲取鎂和磷養(yǎng)分，而Mg2+和H2PO4-或HPO42-分別是陽離子和陰離子，在土壤-根系界面上的吸收不存在拮抗作用。Mg2+以質(zhì)流方式進(jìn)入到根系內(nèi)部，進(jìn)而供作物吸收利用；而H2PO4-或HPO42-主要是通過擴(kuò)散途徑供作物吸收，菌根途徑也大大增加了對(duì)作物根系磷的供應(yīng)[57］。鎂和磷在韌皮部的移動(dòng)性較強(qiáng)，再利用程度高，易從老葉轉(zhuǎn)移到生長的幼嫩組織 中[58］。

鎂磷之間的協(xié)同作用表現(xiàn)在促進(jìn)了作物對(duì)磷、鎂養(yǎng)分的吸收。在低磷和低pH的土壤條件下，葡萄藤葉片同時(shí)表現(xiàn)出缺磷和缺鎂的癥狀，施用外源磷后能夠刺激鎂從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，從而提高葉片中的鎂含量[59-60］。無論葉片處于缺鎂還是正常的營養(yǎng)狀態(tài)，磷營養(yǎng)都會(huì)顯著影響葉片鎂含量，隨著供磷水平的增加，葉片鎂含量也隨之增加[61］。因此，磷的供應(yīng)能夠在一定程度上緩解作物鎂營養(yǎng)的缺乏，施磷能夠有效改善作物鎂營養(yǎng)，在水稻、小麥、玉米、南瓜、苜蓿等作物上均得到了證 實(shí)[12-16］。而隨著施鎂量的增加，在甘藍(lán)和馬鈴薯塊莖中發(fā)現(xiàn)磷的吸收量也相應(yīng)增加，表明鎂的施用也促進(jìn)了作物對(duì)磷養(yǎng)分的吸收[62-63］。

鎂-磷的交互作用在促進(jìn)養(yǎng)分吸收的同時(shí)，有利于作物的生長，進(jìn)而提高了作物的產(chǎn)量。利用磷效率不同的2個(gè)大豆基因型探究其對(duì)磷-鎂互作的響應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)供磷可以緩解大豆缺鎂的癥狀，并且只有磷低效大豆品種的地上部鎂含量與磷含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而在磷高效大豆中沒有顯著相關(guān)關(guān)系，說明鎂-磷互作效應(yīng)在大豆中主要體現(xiàn)在地上部，且存在基因型依賴性[64］。在磷-鎂互作條件下探究對(duì)甘蔗生長效應(yīng)的影響，結(jié)果表明在一定供磷狀態(tài)下，增施鎂肥能促進(jìn)甘蔗生長和生物量的積累，提高甘蔗的根冠比，但施鎂過量則會(huì)抑制根系的生長，降低根冠比[65］。在長期磷肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施磷肥有利于增加作物體內(nèi)礦物質(zhì)元素含量，改善作物生長，促進(jìn)根系對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，其中增加土壤有效磷含量可在增加水稻生物量的同時(shí)增加其秸稈和籽粒中鎂的含量[66］。

鎂-磷的交互作用對(duì)作物品質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在糖含量上。施磷過多時(shí)減少了多種作物的糖含量，這可能與其引起的作物養(yǎng)分吸收不平衡有關(guān)。其中，增加磷供應(yīng)量會(huì)降低菠蘿葉片中的鉀和鎂含量[67］，而缺鉀和缺鎂都不利于光合產(chǎn)物向貯藏器官的轉(zhuǎn)運(yùn)[68］，從而減少了貯藏器官的糖和淀粉含量。在種植甘蔗的酸性硅質(zhì)砂壤土上，施用含有鉀、鎂、硫的肥料能提高蔗糖糖分含量，一方面是由于鎂促進(jìn)了甘蔗植株對(duì)磷的吸收，另一方面與鎂有利于提高甘蔗葉綠素含量、增強(qiáng)與蔗糖合成和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的酶活性、促進(jìn)蔗糖合成和轉(zhuǎn)運(yùn) 有關(guān)[69］。

目前，有一些報(bào)道從生理角度初步探究了鎂-磷的互作效益，對(duì)于互作的分子機(jī)理研究較少，還需要進(jìn)一步探究。在不同外源鎂和磷養(yǎng)分供應(yīng)條件下發(fā)現(xiàn)，擬南芥的根長隨著磷水平的增加而增加，但隨著鎂水平的增加而減少，且低鎂高磷導(dǎo)致初生根的生長偏離垂直方向，深入研究表明，鎂-磷互作通過AUX1、PIN2、PIN3的信號(hào)途徑影響根的生長和方向性，通過生長素的再分配和累積，加速了細(xì)胞延展和根偏向性，進(jìn)而調(diào)節(jié)主根的伸長和定向生長[70］。

綜上所述，在作物體內(nèi)，鎂-磷交互作用促進(jìn)了作物對(duì)養(yǎng)分的高效吸收和利用，但鎂-磷在作物上的互作研究還需要對(duì)地上部運(yùn)輸?shù)纳砗头肿訖C(jī)理進(jìn)行深入的挖掘，進(jìn)而為作物養(yǎng)分管理和鎂-磷肥料創(chuàng)新提供科學(xué)參考。

4 展望

鎂、磷對(duì)作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)形成有著重要的作用，二者具有協(xié)同作用，能夠有效提升養(yǎng)分資源利用效率，為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供很好的肥料產(chǎn)品支持，尤其是解決南方酸性土壤鎂缺乏嚴(yán)重、磷利用效率低等關(guān)鍵生產(chǎn)問題。今后需要加強(qiáng)鎂-磷營養(yǎng)互作研究，在肥料中，推進(jìn)鎂-磷肥料產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計(jì)，解決養(yǎng)分可能存在退化的問題，以及區(qū)域作物-土壤與鎂-磷肥料匹配性問題；在土壤中，關(guān)注pH與其他因素結(jié)合對(duì)互作過程的影響，為肥料在土壤中的釋放與養(yǎng)分高效供應(yīng)提供理論基礎(chǔ)；在作物中，進(jìn)一步揭示互作的生理機(jī)制和分子機(jī)制，為作物養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)；在肥料-土壤-作物系統(tǒng)上，目前缺乏相應(yīng)的案例研究，需要綜合多學(xué)科交叉技術(shù)與方法的構(gòu)建，在系統(tǒng)層面上深入了解鎂-磷互作過程與機(jī)制。