基于生态幅的作物养分供应限

苗俊艳，王艳语，许秀成,

（1.郑州富谊联科技有限公司，河南 郑州 450002；2.郑州大学 化工学院，河南 郑州 450001）

0 引言

农作物是生命体，应遵循生物学规律。每一类生物，对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上下限之间就是该生物对这种生态因子的耐受范围。对同一生态因子，不同种类的生物耐受范围不同。生态因子根据其性质可归纳为5类：气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子和人为因子［1］。施肥对土壤、植物的干预成为影响土壤性质、植物生长的单一生态因子。

1 生态幅

1997年，北京大学著名生物学专家陈阅增教授等提出了生态幅（ecological amplitude）概念［2］，如图1所示。在生态幅的中间为最适区，两端为生理受抑制区，再向外延伸，超出生态幅，则为不耐受区。1999年，国际肥料工业协会（IFA）主编的《世界肥料使用手册》中，将生态幅概念解释为“作物产量与植物体内养分供应的关系”，如图2所示［3］。肥料为作物提供养分，其施用量在一定范围内，有利于农作物生长，但过多会抑制生长，甚至对农作物有毒害作用。

图1 生物生存的温度生态幅

图2 作物产量与植物体内养分供应的关系［3］

2014年，《陈阅增普通生物学》将生态幅概念用美国生态学家SHELFORD V E提出的耐受性法则表达出来，生物对温度的耐受范围如图3所示［4］。不同作物的耐受性不同。小麦生长最适宜温度为25～31℃，最低温度为3℃，最高温度为37℃；水稻生长最适宜温度为30～35℃，最低温度为10℃，最高温度为40℃；玉米生长最适宜温度为37～44℃，最低温度为5℃，最高温度为50℃；火龙果生长最适宜温度为25～35℃，耐0℃低温和40℃高温；沙棘对温度要求不很严格，极端最低温度可达-50℃，极端最高温度可达50℃。

图3 生物对温度的耐受范围

2 我国作物养分供应现状

据中国统计年鉴统计，2015年我国单位耕地面积平均施肥水平为446 kg/hm2，单位播种面积平均施肥水平为363 kg/hm2。与联合国粮农组织（FAO）2015年统计年鉴比较，我国单位耕地面积平均施肥水平是世界平均施肥水平（109.9 kg/hm2）的4.06倍，是美国平均施肥水平（107.7 kg/hm2）的4.14倍，是日本平均施肥水平（271.1 kg/hm2）的1.65倍。特别是氮肥的平均施用量，我国为296.8 kg/hm2，世界为69.3 kg/hm2，美国为65.9 kg/hm2，日本为120.1 kg/hm2［5］。

中国农业大学对全国冬小麦、早稻、晚稻、一季稻、春玉米、夏玉米6种粮食作物，统计分析了2 500～3 000个样本的施肥效果［6］。结果表明，我国氮肥施用量已达到抑制作物生长的程度，处于生态幅的轻度中毒区。特别是春玉米，氮肥施用量从118 kg/hm2增加至263 kg/hm2，产量从11 119 kg/hm2降低至8 687 kg/hm2，减少22%。磷肥施用量已是奢侈供应，一些粮食作物已处于生态幅的轻度中毒区。一季稻磷肥施用量从43 kg/hm2增加至121 kg/hm2，产量从8 670 kg/hm2降低至6 941 kg/hm2，减少20%。柳小宁等［7］研究了施肥量对大麦甘啤7号产量和品质的影响，与常规施肥处理相比，除C处理（N 195 kg/hm2+P2O5195 kg/hm2）外，随着施肥量增加，减产幅度增大，籽粒蛋白质含量升高，千粒质量和饱满度降低，氮素农学效率和氮肥偏生产力均降低。过量施肥会导致设施番茄植株长势变弱，生理性病害频发，影响植株对中微量元素的吸收，导致土壤盐渍化加重［8］；小麦施肥中也存在氮磷钾配伍不合理、中微量元素缺乏等问题［9］。

1980—2000年，氮肥的过量施用，导致我国主要作物生产区土壤pH下降0.5，pH适宜作物生长的土壤面积减少，而不适宜作物生长的强酸性土壤面积增加［10］。土壤酸化导致果树的粗皮病、溃疡病剧增，加速果树老化。据中国科学院统计，我国有超过50%的土壤缺乏中微量元素［11］，缺锌土壤比例为51%，缺钼土壤比例为46%，缺硼土壤比例为34%，缺锰土壤比例为21%，缺铜土壤比例为6%，缺铁土壤比例为5%［12］，导致作物减产和农产品品质下降。过量施肥不仅对粮食增产作用有限，还会导致一系列生态环境问题，威胁农业可持续生产和人类健康。

3 作物养分供应限

在人为因子中，化学肥料是人类对植物生长的最大干预，这种干预符合生态幅的规律，即存在耐受低限、耐受高限、死亡区；作物养分供应也存在最适供应、奢侈供应，还存在低于最适供应的养分临界值（最适宜养分供应量的90%）及高于奢侈供应的肥害区；作物养分供应限不仅存在数量上的限，还包括质量上的限。高等植物生长需要17种必不可少的营养元素。表1为高等植物干组织中必需营养元素的一般含量。

表1 高等植物干组织中必需营养元素的一般含量 %

作物养分理论供应量与作物种类、土壤供肥状况、作物目标产量有关。以水稻产量7 500 kg/hm2为例，估算所需养分理论供应量。商品稻谷w（H2O）9.5%，干基w（N）1.5%，则7 500 kg稻谷中氮质量为102 kg；稻谷与稻草质量比为1.0∶0.9，商品稻草w（H2O）6%，干基稻草w（N）0.5%～0.9%（取0.7%），则干基稻草中氮质量为44 kg；估计稻根中氮质量为14 kg。则每收获7 500 kg/hm2的商品稻谷，稻谷、稻草、稻根中氮质量为160 kg。即每公顷要获得稻谷7 500 kg，氮的理论供应量为160 kg。

《世界肥料使用手册》中提及［3］，现代高产品种稻谷产量一般为5 t/hm2，在这种产量下，作物将从土壤中取走N 110 kg、P2O534 kg、K2O 156 kg、MgO 23 kg、CaO 20 kg、S 5 kg、Fe 2 kg、Mn 2 kg、Zn 200 g、Cu 150 g、B 150 g、Si 250 kg、Cl 25 kg。本例中稻谷产量为7.5 t/hm2，则作物从土壤中取走的N量为165 kg，与估算的160 kg相近。

清华大学化工系郭志刚教授基于植物分子生物学的作物最低需肥量，配制了多种农作物专用配方肥。对于水稻产量8.25～13.05 t/hm2，N施用量105～158 kg、P2O5施用量40～45 kg、K2O施用量135 kg，比农民常规施肥N减少60%，P2O5减少50%，但K2O增加50%，产量提高9%，肥料成本减少15%，提高了作物的品质，减少了病虫害的发生［13］。中国农业大学张卫峰等［6］利用曲线拟合方法建立目标产量与推荐施肥量的施肥合理标准示意图，评价了农户施氮肥、磷肥和钾肥的合理、过量与不足，为作物的平衡施肥提供了理论支撑，氮肥施用量对水稻产量的影响见表2。

表2 氮肥施用量对水稻产量的影响

表2表明过量施用氮肥导致水稻减产，施氮量109 kg/hm2落在生态幅的适宜区（低于理论供应量），施氮量156 kg/hm2（与理论供应量相同）已落在奢侈供应区，而施氮量270 kg/hm2则落在轻度中毒区；据清华大学郭志刚教授的数据，施氮量在105～158 kg/hm2为适宜区。显然，中国农业大学的109 kg/hm2、清华大学的105 kg/hm2均低于理论供应量160 kg/hm2。因此，应力求使我国水稻的养分供应量N在100 kg/hm2、P2O5在30 kg/hm2、K2O在50 kg/hm2左右，使氮磷钾养分供应总量在180 kg/hm2左右。这与日本、印度、巴基斯坦、埃及、菲律宾、斯里兰卡、孟加拉国7国水稻推荐氮磷钾施肥的平均值179 kg/hm2相近。

作物养分供应限与作物产量相关，它决定了作物的“量”；必不可少的营养元素与作物品质相关，它决定了作物的“质”。根据作物养分需求规律，平衡供应作物所需的大、中、微量营养元素，对植物和人类健康具有重要意义。

4 小结

作物正在面临营养过剩引发的健康危机，倡导作物临界施肥理念，以科学发展的思路应对转变才是保障我国粮食生产安全之道。2019年6月20—21日，在北京香山饭店，以郑州大学为第一申请单位组织召开的第655次香山科学会议“基于生态幅的作物养分供应限与高质量农业发展”，将作物养分供应限定义为：Supply nutrients from luxury to critical，提出从我国普遍存在的奢侈施肥转变为养分临界点施肥，能最大限度达到减肥增效的目标；使作物高产的科技动力进入由“质”跃至“能”的新阶段，由单一的“质”驱动进入“质-能”双驱动的新阶段，意义重大，将为人类对作物生长的思考提供一个新的视角，将为认识“作物高产优质”构画一个新的更全面的理论图景。