镁肥在我国主要作物上的提质增效作用

李春俭，王 正，张福锁

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.国际镁营养研究所，福建农林大学，福建 福州 350002）

作物生长有17种必需元素[1]，保证所有必需元素的平衡供应才能实现作物高产高质、养分高效的目标。长期以来，在国内外生产中，大量施用氮磷钾化肥而忽视其他养分投入的现象普遍存在。连续大量、甚至过量施用氮磷钾化肥导致养分投入不平衡，不但影响作物产量和品质、降低肥料利用率，还会增加生产成本、浪费资源，并带来一系列环境问题。

镁是植物生长发育所必需的矿质元素之一，参与植物体内包括叶绿素合成、光合作用、同化产物运输、蛋白质合成及能量代谢，并参与多种酶促反应或激活酶活性。根据植物生长的需要量，镁和氮、磷、钾等元素被称为大量元素[1-4]。但在实际生产中，普遍使用氮磷钾而忽视镁肥的现象长期存在，导致近些年在田间，特别是我国南方地区，农作物缺镁症状普遍发生，并由此造成产量和品质下降。不重视施用镁肥不仅发生在中国，同样在世界其他国家的现代农业生产中也普遍存在[5]。

2016年9月由德国钾盐集团与福建农林大学合作共建了国际镁营养研究所。国际镁营养研究所以植物镁营养基础与应用研究为重点，关注农业生产中镁与其他营养元素之间的相互作用，揭示镁在提高作物产量和品质方面的作用机制。2017年国际镁营养研究所在国内建立了镁营养研究协作网，近30个大专院校、科研院所和企业的科研人员在全国连续开展施肥量调查、土壤取样以及大面积的镁肥田间试验和示范。本文分析了生产中忽视施用镁肥的可能原因，揭示了我国当前土壤镁营养现状以及施用镁肥提高作物产量和品质的效果。呼吁在农业生产中重视施用镁肥，最大程度提高各种元素的利用率，实现农业生产中减肥增效、绿色发展的目的。

1 镁是植物生长所必需的大量元素

在国外著名的专著和教科书中，镁与氮、磷、钾一样，都被认为是植物生长发育所必需的大量元素。其中镁和磷在植物体内的浓度相当，均为植物干重的0.2%左右[1，6-8]。但在国内，镁被认为是中量元素，低估了植物对镁的需要量及镁的重要性。此外，与氮磷钾缺乏严重抑制作物生长相比，缺镁限制生长和产量的影响程度相对较低，也导致生产中忽视镁肥的施用。

镁在植物的营养器官特别是叶片中分布较多[1，6-7]。镁能够帮助植物抗铝、镉、盐以及高温强光等逆境胁迫[9-14]，说明了镁在植物抗逆生理中的重要性，因而在逆境条件下，更能体现镁对植物生长的重要作用。

2 土壤中镁的浓度相对较高

Reisenauer[15]调查了不施肥土壤中不同矿质元素的浓度，其中镁和磷的浓度相差很大（表1）。在测定的337个土壤样本中，Mg2+浓度主要分布在25～200 mg·kg-1之间；而PO43-浓度在149个土壤样本中多分布于0.00～0.15 mg·kg-1之间（表1）。如此大的浓度差异，再加上土壤中的镁主要通过质流方式到达根系表面，甚至在根际也有镁的累积；而磷在土壤中主要靠扩散作用移动，扩散速率很慢，绝大多数土壤中有效磷的浓度极低，使得作物根际区的有效磷经常处于亏缺状态，根际区的有效磷交换频率达到20～50次·d-1才能满足作物生长需求[1，16-17]，而且施入的磷肥很容易被土壤颗粒固定而无效化，使人们自然认为生产中应该补充磷肥，不需要施用镁肥。

表1 土壤溶液中镁和磷的浓度

但实际上，Mg2+水化半径大，具有非常高的水化能，在土壤中更容易被淋失，在酸性土壤中尤为严重[1，6-7]。此外，其他阳离子如K+、NH4+[18]、Ca2+、Mn2+[19]以及H+（低pH值）等均能显著减少根系对Mg2+的吸收，由竞争性阳离子引起的缺镁现象普遍存在。所以，尽管土壤中的有效镁浓度远高于磷，但作物缺镁的现象仍时常发生。

3 我国土壤中可交换性镁浓度现状

据FAO[20]统计，2017年，中国农业氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）的总投入量分别为3120万、1590万和1390 万t，占全球农业氮磷钾总用量的31.2%。在2004～2014年的10年间，我国每年的磷肥使用量从88 kg·hm-2增加到123 kg·hm-2，导致每年土壤中累积的磷超过90 kg·hm-2[21]。然而，无论在FAO网站还是在我国的统计数据中，都看不到镁肥的用量统计数据，说明无论在生产中还是官方的统计中都没有重视镁肥的施用。

国际镁营养研究所和全国镁营养研究协作网自2017年开始，以农户问卷调查形式对中国13个省（主要是南方）的14种作物（主要是果树和蔬菜）开展了土壤、农户施肥以及作物镁养分状况调查。根据农户调研结果，我国农户的田间养分管理粗放，化肥氮磷钾总量投入普遍过高，而施用镁肥的农户及用量很少[5]。需要指出的是，过量施用的氮磷钾肥会通过抑制根系生长或阳离子间的竞争作用，进一步减少作物根系对土壤中镁的吸收利用[1]。调查结果显示，与大量施用氮磷钾相比，大部分农户在生产中没有施用镁肥。在所有调研农户中，仅在福建蜜柚、广东冬瓜、海南菠萝和山东番茄的生产中有424户施用过镁肥，分别占4个区域调研农户数的62%、5%、43%和42%，而且4个区域的平均镁肥（MgO）用量很少，分别为67.5、10.3、23.2和2.3 kg·hm-2，不足磷肥用量的10%[5]。

在进行上述农户问卷调查的同时，收集了调查地点的土壤样品4167份。另补充从发表文章、我国不同生产体系的土壤样品测定数据及农业农村部测试数据，共计获得10382个土壤交换性镁的测定结果。对我国（不含青海、西藏和台湾地区）土壤镁养分状况的分析结果表明：45.3%的土壤严重缺镁（＜60 mg·kg-1），18.3%的处于缺乏（60～120 mg·kg-1）水平，16.4%的处于适宜（120～240 mg·kg-1）水平，12.9%的处于偏高（240～480 mg·kg-1）水平，处于丰富（480～720 mg·kg-1）和极丰富（＞720 mg·kg-1）的比例仅为4.0%和3.0%（图1）。

图1 我国0～20 cm土壤交换性镁浓度分布（不含青海、西藏和台湾地区）

进一步分析上述结果表明，现阶段我国土壤交换性镁浓度平均为160.5 mg·kg-1，其中南、北方平均值分别为94.3、393.0 mg·kg-1，呈北高南低的分布趋势。土壤交换性镁浓度较低的省份主要集中在长江以南地区，除了四川（131.8 mg·kg-1）、江苏（283.5 mg·kg-1）和上海（344.8 mg·kg-1）3地的土壤交换性镁浓度平均值高于120 mg·kg-1以外，其他11个省、自治区、直辖市（福建、海南、广西、云南、浙江、江西、贵州、广东、湖南、重庆和安徽）均低于120 mg·kg-1，尤其是福建、云南、海南和广西4省及自治区的值低于60 mg·kg-1，浙江、江西、贵州、广东、湖南、重庆、安徽7省及直辖市的平均值在60～120 mg·kg-1之间。全国土壤交换性镁浓度高于300 mg·kg-1的省份主要分布在北方，包含新疆、吉林、内蒙古、辽宁、甘肃、山西和山东7省及自治区。山东省土壤交换性镁浓度居全国之首，平均值为532.0 mg·kg-1。

4 施用镁肥有明显的增产提质效果

Wang等[22]收集了2019年11月之前国内外发表的镁相关文献，通过4个标准进行筛选：1）所有研究以不施镁肥为对照，施用镁肥为处理组，为单一变量；2）所有结果均为田间试验数据，不包括室内盆栽或营养液培养试验；3）镁肥施用方式均为土施，不含叶面喷施；4）研究报道中含有作物类型和产量结果。满足条件的共有99篇文献，含178个田间试验，570对观测值（国内396，国外174）。试验分布在全球10个国家，涉及30多种作物，分为9组：粮食类（大米、玉米、小麦、大麦）、水果类（苹果、香蕉、菠萝、柑橘、蜜柚、荔枝、西瓜、甘蔗）、蔬菜类（白菜、生菜、辣椒、番茄、黄瓜）、块茎类（马铃薯、甘薯、木薯、胡萝卜）、油料作物（大豆、花生、油菜、向日葵），草、烟草、茶叶和其他作物（甜菜、洋葱、蓝莓）。

Meta分析结果表明，施用镁肥平均增产8.5%。显著增加了水果类（12.5%）、草（10.6%）、烤烟（9.8%）、块茎类（9.4%）、蔬菜类（8.9%）、粮食类（8.2%）、油料类（8.2%）和茶叶（6.9%）等作物的产量（P＜0.05）。施镁对粮食类、油料类、茶叶和其他部分作物的增产效果较低[22]。

从镁肥的施用效果看，由于土壤中有效镁浓度和土壤pH值直接影响作物根系对镁的吸收，所以在缺镁和酸性土壤上施用镁肥对提高作物产量的效果优于土壤有效镁浓度高及pH值高的土壤[22]。从用量上看，当镁肥（MgO）施用量低于100 kg·hm-2时，镁肥的农学效率较高，作物的增产效果明显，过多施用镁肥时作物产量没有响应[5]。上述结果显示，在生产中需要根据土壤养分状况和作物需求优化镁肥用量，并非越多越好，应避免类似过量施用氮磷钾肥料造成的肥料利用率降低、投入成本增加及环境风险增大等负面效应的出现。

国际镁营养研究所和全国镁营养研究协作网从2017年开始在全国12个省份（主要是南方地区）共选择14种作物布置了37个2+X定位试验和19个镁水平定位试验。2+X试验包括农民习惯施肥、优化氮磷钾处理及优化氮磷钾加X处理（根据作物需求和土壤镁浓度不同添加不定量的镁肥）。试验结果表明，优化氮磷钾处理与农民习惯施肥相比减少氮磷钾化肥用量N 15～283、P2O50～400、K2O 15～153 kg·hm-2，不但没有减产，反而增产0.6%～24.1%[5]，这也证实了我国用于果蔬生产的N、P2O5和K2O化肥投入量总体过高的结论[23]。结合2+X和镁水平定位试验的结果发现，与优化氮磷钾处理相比，施用镁肥能够进一步增产，平均增产7.8%（n=110）（图2），并且对水果蔬菜等经济作物的增产幅度大于粮食作物[5]，这与Wang等[22]的Meta分析结果相吻合。

图2 施用镁肥对不同作物产量的影响

更为重要的是，2+X和镁水平试验的结果表明，施镁不仅能不同程度提高作物产量，包括冬瓜果实直径和千粒重、葡萄单果重、茶叶芽头数、小麦分蘖数和穗粒数、水稻千粒重、油菜收获密度和穗粒数等，同时还提高了不同经济作物的品质指标，如水果中的蜜柚果实可溶性糖含量，柑橘果实的Vc和可溶性固形物含量，脐橙果实的Vc含量，葡萄果实可溶性糖、Vc及可溶性固形物含量；蔬菜类作物中辣椒果实的Vc含量，冬瓜叶片可溶性糖浓度等；油菜籽含油量，甘蔗可溶性糖及总糖含量等[5]。

5 结论与展望

（1）镁是植物生长所必需的大量元素。在我国农业生产中长期忽视镁肥的施用，除将镁认为是植物生长必需的中量元素的误导作用之外，也与土壤中的交换性镁浓度较高（与有效磷相比）、缺镁限制生长和产量的影响相对较低（与氮磷钾缺乏严重抑制作物生长相比）以及缺镁症状常常发生在高温强光等逆境条件下等有关。但实际上，土壤中的镁容易淋失，并且其有效性易受土壤中其他阳离子的影响。大部分农户并未认识到生产中施用镁肥的重要性，亟须增加镁知识的科普和宣传，并进行作物镁肥试验示范效果的展示。

（2）近十多年来，我国在禾谷类粮食作物（小麦、玉米和水稻）生产中通过氮磷钾养分优化综合管理，在减肥增效方面取得了显著进步[24-28]。然而对蔬菜、果树等经济作物的化肥投入和养分利用效率管理关注较少。由于经济效益高、产量高，农民在蔬菜和果树上的施肥量远远高于粮食类作物。2014年，用于果蔬生产的N、P2O5和K2O化肥投入量分别占全国化肥总用量的32%、40%和49%[23]。我国果蔬生产的养分利用率仅为10%，低于全球平均值（14%），也显著低于禾谷类作物（42%～53%）[29]。Wang等[22]对国内外发表的文献数据进行的Meta分析结果以及国际镁营养研究所和全国镁营养研究协作网2017年以来在全国进行的农户调查，数十个2+X定位试验和19个镁水平定位试验结果显示，我国经济类作物的氮磷钾化肥节约潜力巨大，优化施肥不会减产，还会增产。在优化氮磷钾化肥投入的基础上，增施镁肥能够进一步提高产量，还能改善多项经济作物的外观和内在品质指标，说明了在我国农业生产中增施镁肥的必要性和紧迫性。

（3）我国超过63%的土壤缺镁或严重缺镁（＜120 mg·kg-1）。施用镁肥增产提质的效果在我国南方地区酸性土壤、交换性镁浓度低的土壤以及在经济类作物上尤为明显。实际上，施用镁肥不仅在我国南方有效，在土壤交换性镁浓度较高的北方地区仍然有效，如新疆的葡萄、东北的大米、山东的设施番茄等[5]，需要进一步探明原因。生产中施用镁肥需要注意以下问题：镁肥的溶解性决定着它的施用方式。溶解性小的镁肥可与土壤混施，宜作基肥；水溶性镁肥一般可以表施，宜作追肥。一般来说，镁肥应与其他肥料配合施用，维持养分供应平衡，效果才好。在镁肥的施用方式上，有土壤施肥和叶面喷施两种。叶面喷施作为土壤施肥的一种直接、高效的辅助措施，已成为现代农业生产中一项见效快、用量少、效率高的施肥技术。土施镁肥时，还要考虑土壤的酸碱性。强酸性土壤宜施用氧化镁、氢氧化镁、白云石灰、蛇纹石粉、钙镁磷肥等缓效性镁肥作为基肥，既能增加溶解度，提高镁的有效性，又能中和土壤的酸性；对弱酸性和中性土壤，施用硫酸镁和硫镁矾效果更好。目前需要在全国范围内继续开展镁肥增产提质增效的研究和大面积示范和推广，确定不同区域的土壤镁临界值，进行不同区域土壤镁有效性的评价，为我国农作物增产提质、提高养分利用效率以及农业的可持续性绿色发展做出贡献。

致谢：感谢国际镁营养研究所和全国镁营养研究协作网所有成员提供的数据。