大蒜养分“M”形吸收机理与专用高效肥设计

郑文婧 惠建斌* 王秀峰

（1中国科学院过程工程研究所，北京 100190；2河南东大科技股份有限公司，河南登封 452470）

大蒜作为我国重要的经济作物，产量和消费量均居世界第一位。因其独特的风味和营养价值受到许多消费者的喜爱，成为食物科学、气味学、医药、保健科学研究的重要对象[1]，也是大蒜种植专家、肥料科学与营养学研究的重点。本文在总结分析大蒜成分、土壤自然肥力、肥料利用率的基础上，对大蒜种植需要的大量元素、中量元素、微量元素理论量进行讨论，指出大幅提升化肥利用率、研制高效专用肥是落实我国化学肥料零增长战略的重要技术方向，并根据我国大蒜主要产区的土壤类型、土壤肥力、大蒜品种概况，提出了大蒜专用高效肥理论配方，以供大蒜种植户参考。

1 大蒜植株携带营养元素的理论量

大蒜植株中氮、磷、钾等营养元素的研究，很多文献都有报道，但涉及大蒜营养成分的具体数据时，由于品种、产地、施肥量、测试阶段等均会导致数据上存在差异。为此，笔者以调研文献获得的大蒜头、根、秸秆、灰分等数据为依据，了解大蒜植株携带营养元素的基础数量，以作为大蒜营养研究和配方施肥的理论依据。

综合文献报道数据，总结出100 g新鲜大蒜中含水（70±5）g、蛋白质（4.4±1.5）g、碳水化合物（23±2）g、脂肪（0.2±0.1）g、粗纤维（0.7±0.2）g、灰分（1.3±0.1）g、挥发油（0.10±0.02）%；脱水干燥大蒜含水分（9.04±1.00）%、粗蛋白（15.4±3.0）%、粗脂肪（1.22±0.10）%、粗纤维（4.48±0.50）%、灰分（5.82±0.10）%、钙（0.43±0.30）%、磷（0.35±0.20）%。 其中，灰分主要由 Na、Ca、Mg、Mn、Cu、K、Zn、Fe、Cr、Cd 等 10 多种 金属元素氧化物构成。已有报道称，大蒜中的钙含量超过1598.21μg/g，钾超过 12172.41μg/g，镁超过 610μg/g，锌 120 μg/g，钠超过 130 μg/g，总量超过 14 630 μg/g[2]。

大蒜中含有挥发油，挥发油所含化合物种类超过30种[3]，目前已查明这些化合物以含硫化合物为主。例如，大蒜中蒜素的刺激性气味比二丙烯基二硫化物更强烈，主要成分为二丙烯基硫代亚磺酸酯。大蒜的这种独特风味受到科技界关注，围绕大蒜风味化学的研究在世界范围内成为重要的研究领域。

对大蒜根的分泌物研究表明：分泌物的主要成分为有机酸类、酯类、芳香族化合物、杂环类化合物及烷烃类，其中的化感物质为邻苯二甲酸二丁酯、2，6-二异丙基苯酚、2，6-二叔丁基对甲酚等[4]。 对大蒜秸秆研究表明，1 t大蒜可产生约10%的秸秆副产品，干秸秆成分中含粗蛋白（8.68±2.00）%、粗脂肪（0.96±0.15）%、粗纤维（24.63±3.00）%、钙（2.29±0.50）%、磷（0.25±0.20）%[5]。

由此可见，大蒜根、茎、叶片中的天然成分携带着多样的组分和化合物，营养价值高，粗纤维含量适中，具有极高的利用价值，既可以作为饲料资源进行开发利用[4]，又可以作为重要的中药原料及保健品原料，增加其经济价值。

2 大蒜从耕地中携带的营养元素数量估算

与其他农作物一样，大蒜生长周期所需要的营养元素均源自空气、水、土壤。但由于耕地土壤数十年的连续耕作利用，加上雨水的淋洗作用，自然肥力不高，能为大蒜生长提供的营养物质特别是氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锌等十分有限。为简化估算过程，忽略土壤中存留的营养元素数量，直接以大蒜生物体中元素组成数据为依据，估算氮元素流失量。按照大蒜产地平均产量18 t/hm2估算，大蒜中蛋白质总量约675 kg/hm2，秸秆中蛋白质约157.5 kg/hm2。假设大蒜、秸秆最终全部收集运走，则带离的蛋白质总量约 833 kg/hm2，折合纯 N 约 134.4 kg/hm2，即 1 hm2耕地每年被大蒜带离的纯N量约134.4 kg。

类似地，可以估算出1 hm2耕地每年被大蒜带走的钙、镁均为30 kg左右，被带离的磷为18 kg左右，被带离的钾约45 kg，被带离的硫9 kg。

由此可知，连续高强度的耕作，耕地每年流失的营养元素数量大，1 hm2耕地由大蒜携带流失的氮、磷、钾、钙、镁等各种营养物质总量超过285 kg，土壤肥力低下，需要人工提供营养物质，否则无法获得高产。大蒜植株携带流失氮、磷、钾等超过285 kg/hm2的理论数据，可以看作维持单产18 t/hm2的最低理论值，实际施肥量既要考虑理论值，也要考虑肥料利用率、植株吸收特点与养分在植株中的分布规律。

3 大蒜的营养吸收规律与养分分布

除了光、热、二氧化碳、水等以外，大蒜营养成分基本都源于其生长的土壤环境。随着耕地土壤高强度的耕作，其可利用养分和组分含量趋于枯竭，必须通过人工调节和施放才能为土壤中生长的作物提供足够的必要养分，满足作物正常生长需求。

为了使人工施放的营养物质最大限度地发挥营养作用，笔者总结了大蒜自身营养需求吸收的过程特点和相对数量，发现了大蒜生命周期中的营养吸收在不同阶段呈现不同的数量变化，其营养吸收数量变化在时间方向上具有“M”形波动性特点。这可以作为高效专用肥结构化设计的理论依据。

如图1所示，大蒜从萌芽期、幼苗期、鳞芽花芽分化期、蒜薹伸长期到鳞茎膨大期对大量营养元素氮、磷、钾的吸收存在“M”形吸收规律，其中：氮肥、钾肥的营养吸收高峰均出现在鳞茎膨大期；磷肥的吸收高峰出现在蒜薹伸长期。3种养分的吸收高峰出现时间并不一致[6]。说明不同营养物质在大蒜不同生长阶段发挥的作用、功能、方式等微观机理在协同支持大蒜生长时又存在各自的特点，即：在萌芽阶段吸收氮素很少，约为1%；幼苗阶段，对氮素的吸收出现一个小高峰，吸收氮素的相对比例为5.7%左右；此后鳞茎和花芽分化期吸收氮素的相对比例下降，吸收氮素相对比例为3.5%左右；这个阶段后，从蒜薹伸长一直到鳞茎膨大，吸收氮素的相对比例一直是升高的，在鳞茎膨大期达到最高，吸收比例达到67%左右；此后，随着大蒜成熟，吸收氮的相对比例迅速降低，从而呈现“M”形吸收特点。

磷素、钾素的吸收在总体特征上也呈现“M”形吸收特点。大蒜吸收钾素规律与氮素类似，其吸收的最高峰也在鳞茎膨大期。但磷素吸收的最高峰阶段与氮素、钾素吸收不同，虽然也呈现“M”形养分吸收特点，但吸收最高峰出现在蒜薹伸长期。

了解大蒜对养分的吸收规律以及养分在不同阶段的需求相对量和分布特点，有利于把控营养物质的施肥时间、供给时间、供给数量、方式等，对指导具体的种植活动有非常重要的理论指导意义，也对研究开发高效专用肥的结构、调控结构肥的功能具有指导作用。

4 大蒜专用高效肥的设计理论

如前所述，在了解大蒜对氮、磷、钾的吸收规律以及大蒜植株携带营养元素的理论量后，关于大蒜专用高效肥结构化理论设计，至少需要考虑以下几个方面，即：大蒜的单产，大蒜吸收氮、磷、钾的规律，氮、磷、钾的实际利用率，肥料养分的释放方式，专用高效肥结构化应具有的特点。

按大蒜单产18 t/hm2计，大蒜植株携带流失的营养元素氮、磷、钾数量分别为 134.4、18.0、45.0 kg/hm2，硫、钙、镁超过69 kg/hm2，且大蒜吸收氮、磷、钾养分过程中存在“M”形特征（即2个养分吸收高峰：最大吸收期出现在鳞茎膨大期或蒜薹伸长期，次小高峰出现在大蒜脱母后的幼苗期）。据此，在高效专用肥料结构化设计中，既需要考虑养分总量供给，也要考虑大量元素吸收峰以及磷吸收最高峰与氮、钾吸收最高峰的阶段差异。

为此，对肥料结构和功能的设计，就自然地赋予高效结构肥料应该具有这样的特点：一方面能够为大蒜植株提供足够的营养物质，一方面养分的释放模式与大蒜的各个吸收高峰期相吻合，能够一一对应。同时，在大蒜吸收养分的其他阶段，依然能够有效释放必要的和适量的养分，以满足大蒜整个生长过程的生理需要。这种特点是确保养分能够全部被吸收的前提。

对于养分比例和数量来说，大蒜单产18 t/hm2需要提供养分的理论数据如下：50 kg装的9-1.2-3型号的氮磷钾复混肥（总养分13.2%）30袋或50 kg装18-2.4-6型号的复混肥（总养分26.4%）15袋。按照我国肥料标准和相关规定，若要标出磷的含量，就只能提升磷含量至5%，这样肥料的理论型号就变为18-5-6；如果不标出磷含量，则为18-0-6。但由于存在总养分不能＜25%的规定，因而可以根据需要调升钾含量或氮含量，这样就设计出配方18-0-7型肥料或19-0-6型肥料。

对于非结构化的普通复混肥或掺混肥来说，依据相关数据，目前市场上的普通肥当季综合利用率不超过35%。据此可计算出需要为大蒜提供的氮、磷、钾分别为 385.5、51.0、129.0 kg/hm2，方可满足单产18 t/hm2的营养需要。一律按照35%利用率折算氮、磷、钾施放量，对应市场上出现的26-5-9型肥料（总养分40%）就有了理论依据。需要提供上述营养型肥料30袋/hm2，才能从养分提供量方面满足大蒜生长需求。

如果考虑氮、磷、钾实际利用率的差异，磷肥利用率一般＜15%，那么就需要提供8 kg磷肥以满足1.2 kg磷素的实际需要。硫酸钾型肥料的利用率一般高于55%（氯化钾型肥料利用率相对较低），则需要提供5.5 kg钾肥以满足3.0 kg钾素的实际需要。氮肥利用率一般为40%左右，需提供22 kg氮肥以满足8.5 kg氮素的实际需要。与此对应的理论配方为22-8-6（总养分36%），需要施用50 kg装肥料30袋/hm2才可以满足实际需要。

从数值上看，设计出的普通肥料总养分36%和40%比结构化高效肥的理论值13.2%分别高出173%和203%。如果与市场上常用的15-15-15以及17-17-17相比，这些肥料比结构化肥料高出至少317%，比设计的普通肥料配方也高出至少53%。这说明肥料养分载体具有合理的结构和养分释放机理时，肥料利用率大幅提升，减量增效的效果和前景也十分诱人。

5 大蒜种植实践与专用高效结构化肥料设计

在大蒜实际种植过程中，由于肥料利用率涉及管理、施用方式、肥料品质、用户习惯、用户经验等多种因素，要真正做到科学配肥、科学施肥或测土精准施肥还有许多理论问题和实践问题需要解决。崔艳秋等[7]研究认为，大蒜生长需要的氮、磷、钾最佳比例为 10∶3.6∶7；同时发现，氮、钾吸收高峰在鳞茎膨大期，磷吸收高峰在蒜薹伸长期，这个结论与文献中的其他报道结果基本一致。其推荐的最佳施肥量为纯N436.95kg/hm2、P2O5213.34kg/hm2、K2O336.74kg/hm2，其中氮、钾肥均2/3作底肥、1/3作追肥时效果最好。由于普通肥料在施用过程中存在“一炮轰”现象，无法与大蒜在苗期、鳞茎膨大期需要的氮、磷、钾数量以及比例要求相匹配，而速溶肥、滴灌肥存在施肥频次高、劳动成本高的特点。在此背景下，缓控释肥料引起了研究人员的关注。王 干等[8]研究表明，施用缓释尿素的大蒜，虽然苗期长势没有优势、表现一般，但最终产量明显高于普通肥料。

在上述研究的基础上，笔者选用的一种矿物浮选末端组分（图2）作为专用高效结构化肥的设计基础材料，利用其组分、结构和自黏结性能，研制出了具有缓释、控释功能的组装颗粒，实现了肥料组分的结构化。这种肥料具有一定的环境响应和时空调控功能，将肥料颗粒的结构和性能设计与现有掺混、捏合、复合肥的优势结合，同时吸纳纳微颗粒复配以及功能材料的最新成果，形成了能够调节结构与组分复配方式，开发出符合大蒜营养吸收规律的长效、高吸收专用肥。其基本原理如图3（a）所示，实际制备的颗粒如图3（b）所示。

根据使用材料的不同以及结构化方式的差异，设计制备了两类高效专用肥：一类是利用率应达到国际平均水平的结构肥料，氮、磷、钾的利用率为60%；一类是专用的结构化高效肥，氮、磷、钾的利用率可以达到85%以上。不同利用率对应的设计配方如下：①在利用率达到60%水平时，大蒜施肥的理论数据为氮 225 kg/hm2、磷 30 kg/hm2、钾 75 kg/hm2，对应的肥料型号可设计成15-2-5或30-4-10；②在利用率达到85%水平时，大蒜施肥的理论数据应为氮157.5 kg/hm2、磷 22.5 kg/hm2、钾 52.5 kg/hm2，对应的肥料型号可设计成11-1.5-3.5或22-3-7。

应该注意的是，以上讨论和提供的理论配方与设计方案，在具体种植和实践中，用户和肥料研究者应该根据耕地土壤的测土数据、大蒜产量、大蒜品种等，参照本文理论数据进行调整，进行养分配伍，同时要在肥料结构化方面进行创新，研制新型高效肥料，使获得的理论数据和大蒜营养机理能够通过新产品的性能、功能体现出来，从而大幅减少化肥施用量，大幅提升肥料利用率，从源头解决肥料利用率低、流失率高、污染重等问题。