福建省水稻镁肥效应及推荐用量

摘要： 【目的】明确福建省水稻主产区镁肥肥效，确定区域镁肥适宜用量，为水稻生产中镁肥科学施用提供参考。【方法】2019 年10 至11 月份，于福建水稻主产区开展土壤调研，共采集水稻收获后土壤样品596 份，测定了土壤交换性镁含量。量化了不同镁肥用量对水稻产量、经济效益的影响，采用最大经济效益法 （maximumreturn to magnesium， MRTMg） 确定福建稻区镁肥推荐用量。于2020、2021 年开展了19 个田间镁肥梯度试验和10 个镁肥示范对比试验，镁肥梯度试验设置4 个镁肥用量 （以MgO 计） 处理， 分别为：0 （CK）、15 （Mg1）、30（Mg2） 和45 kg/hm2（Mg3） ；镁肥示范对比试验设置两个处理，镁肥 （以MgO 计） 施用量分别为 0 （CK） 和30kg/hm2（+Mg）。 调查了水稻产量。【结果】福建稻区土壤交换性镁平均含量为72.1 mg/kg，含量小于80 mg/kg的土壤样点占74%。水稻产量和经济效益随着镁肥施用量的增加而增加，与CK 处理相比，Mg1、Mg2 和Mg3 处理下水稻产量分别增加4.9%、7.0% 和7.2%，水稻纯利润分别增加4.3%、5.5% 和4.6% （Plt;0.05）。土壤交换性镁临界阈值为80 mg/kg，当土壤交换性镁含量lt;80、80～120、gt;120 mg/kg 时，镁肥最佳经济用量分别为MgO 33.2、27.3、15.8 kg/hm2，平均镁肥最佳经济用量为MgO 31.6 kg/hm2。【结论】福建稻区土壤镁缺乏较为普遍，施用镁肥可以显著提高水稻产量及经济效益，水稻生产上需要根据土壤交换性镁供应状况确定镁肥的合理用量。

关键词： 土壤交换性镁含量； 镁肥； 水稻产量； 经济效益； 镁肥推荐用量

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，为全球人口提供了大约50% 的热量摄入[1]。在过去的40 年中，得益于化肥的使用，我国水稻产量由13990.5万t 增加到20849.5 万t[2]。面对未来30 年内人口增长和消费需求的扩张，粮食产量仍需要进一步增加50%[3]。然而，氮磷钾肥料的增产效应逐步降低，反而引起温室气体排放加剧、土壤酸化、水体富营养化等一系列生态环境问题[4−5]。而越来越多的证据表明，中微量元素对作物增产增效的作用日益凸显[6−8]。华南地区是我国水稻的重要产地，农田土壤酸化及其引发的土壤镁缺乏严重限制着华南地区水稻产量的进一步提升[9−10]。因此，通过镁肥补充实现稻区增产增效对于粮食安全具有重要意义。

相较于大量元素 （氮、磷、钾），镁元素在农业生产中的作用经常被忽视，导致土壤缺镁的现象十分普遍[6]。镁是植物进行光合作用所需叶绿素的关键组成元素[11]，在韧皮部光同化物向库器官的装载和运输中起着重要作用[12−13]，土壤中镁的不足会导致作物的光合效率降低、碳水化合物的合成与运输受阻，从而降低产量和品质[14−15]。研究表明施用镁肥在作物增产和农户增收上发挥重要作用，可显著提高水稻分蘖数以及抽穗期叶绿素含量，实现增产41%[16−17]。玉米和大麦上镁肥施用分别提高产量9 . 4 % 和5.7%[18−19]。D'Egidio 等[20]通过甜菜盆栽试验证实当施镁量达到60 kg/hm2 时，甜菜的根干重较不施镁肥增加了5 倍。Zhang 等[21]的研究指出，施用镁肥在增产的同时显著提高了蜜柚的可食率和可溶性固形物含量，分别提高了7.2% 和4.2%，且可滴定酸含量降低了11.7%。我国华南地区气候常年高温多雨，土壤脱硅富铝化作用明显，导致大部分耕地处于酸性水平，酸性土壤对镁的固定能力差，湿热多雨的气候特征更是加剧了土壤中镁的淋失，因此南方地区土壤本身可交换性镁含量 （88.4～94.0 mg/kg） 远低于北方地区 （393.0～560.0 mg/kg）[16， 22−24]。此外，在实际的农业生产中农户往往更偏向施用大量氮磷钾肥，而忽视了对镁肥的应用，养分不平衡造成作物出现缺镁症状愈发明显[25]。镁肥补充已成为作物高产高效的重要技术手段，明确我国南方稻区镁肥肥效反应并确定镁肥推荐用量具有重要意义。

福建省作为我国南方地区水稻的主产区，2020 年水稻种植面积60 万hm2，总产量为393 万t[3]，在保障区域粮食安全中发挥着重要作用。本研究在福建稻区土壤调研的基础上，开展了多年多点的田间镁肥肥效试验，明确水稻主产区土壤交换性镁状况，探究水稻主产区镁肥施用效果，建立区域镁肥最佳经济推荐用量，并估算福建稻区的镁肥需求。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与分析。

福建省属亚热带季风性气候，年平均气温20.6℃，年平均降雨量1373 mm。本研究根据水稻种植区的分布特征，于2019 年10—11 月水稻收获后选取区域内的典型水稻田采集土壤样品（图1）。按照梅花法采集土样，将5 个样点混合成1 个样品，采样深度为0—20 cm，共获得代表性土壤样品596 份。样品采集后在室内自然风干并过2 mm 筛 ，采用1.0 mol/LNH4OAc （pH=7） 提取，通过ICP-OES （电感耦合等离子体光学发射光谱法） 测定土壤交换性镁含量[26]。

1.2 田间试验设计与分析

1.2.1 试验设计

本研究在2020、2021 年两个水稻生长季节进行，在福建省8 个地区的16 个水稻主产市 （区、县） [ 南平地区 （武夷山市、顺昌县）、三明地区 （永安市、将乐县、宁化县、泰宁县、明溪县、沙县区）、宁德地区 （福安市、古田县、寿宁县、蕉城区）、龙岩地区 （上杭县）、漳州地区 （华安县）、福州地区 （闽侯县、连江县）] 开展了19 个田间镁肥用量梯度试验和10 个镁肥示范对比试验，各试验地2020—2021 年气象数据如表1 所示，基础地力如表2 和表3 所示。

梯度试验设置4 个镁肥处理，分别为CK （不施镁肥）、Mg1 （MgO 15 kg/hm2 ）、Mg2 （MgO 30kg/hm2 ）、Mg3 （MgO 45 kg/hm2 ），每个水平重复3 次，采用随机区组试验设计，共12 个小区，小区长5 m、宽4 m，每个小区面积为20 m2。示范对比试验设置两个处理，分别为CK（不施镁肥）、+Mg（MgO 30 kg/hm2），每个水平重复3 次，每个小区面积为50 m2 （10 m×5 m）。各试验点肥料年施用量为N120 kg/hm2、P2O5 45 kg/hm2 和K2O 90 kg/hm2，所用氮肥为尿素 （N 46％），钾肥为氯化钾 （K2O 60％），磷肥为过磷酸钙 （P2O5 12％），镁肥为七水硫酸镁 （Mg9.8％）。供试水稻品种为各试验地所在区县的主推品种，于2020 年和2021 年6 月上旬进行水稻移栽，磷肥和镁肥随基肥一次性施入；氮肥分3 次施用，基肥、分蘖肥和穗肥质量比例为5∶3∶2；钾肥分两次施用，基肥和穗肥的质量比例为1∶1。

1.2.2 样品采集与分析

水稻成熟时每个小区实打实收，晒干后 （籽粒含水量约13.5%） 称重，测定籽粒产量。在田间调查水稻有效穗数，每个小区按照3 点取样法进行取样，每个取样点随机采20 穴水稻植株，并用网袋装好，带回室内考种，测定每穗实粒数及千粒重。

1.3 指标计算及数据分析

1.3.1 水稻收益及相对产量计算

成本投入 = 农药投入+人工投入+除草投入+肥料投入式中，氮肥投入以尿素2 元/kg、磷肥投入以过磷酸钙1 元/kg、钾肥投入以氯化钾4 元/kg、镁肥投入以七水硫酸镁2 元/kg 计算。农药投入、人工投入、除草投入共918 元/hm2。

毛利润 （元/hm2） = 水稻产量×水稻价格式中，水稻价格按3 元/kg 计算。

纯利润 （元/hm2） = 毛利润−成本投入

产投比 （value cost rate， VCR）=施镁肥后增产水稻产值/肥料投入成本

相对产量 （%）=（不施镁肥处理产量/镁肥处理的最高产量）×100。

1.3.2 稻区土壤交换性镁临界阈值的确定

以每个试验样点土壤交换性镁为横坐标，以对应的水稻相对产量为纵坐标绘制散点图，采用“线性+平台”模型建立土壤交换性镁含量与对应相对产量之间的数学关系，以两条直线相交点所对应的土壤交换性镁含量为土壤交换性镁的临界阈值。

1.3.3 基于镁肥肥效的福建稻区镁肥最佳经济用量计算

本研究参照区域推荐施氮方法 （maximumreturn to N，MRTN）[27]，该方法以多点试验为基础，建立区域施氮模型来推荐氮肥用量。采用最大经济收益法MRTMg （maximum return to Mg） 计算福建稻区镁肥最佳经济用量。步骤如下：1） 对于每个镁肥肥效试验，用SAS 软件 （version10.1.3；SAS InstituteInc.， 2016） 拟合产量和镁肥用量之间的关系，分别用二次曲线模型、“线性+平台”模型进行拟合，并选择决定系数R2 最大的方程；2） 对所选方程计算不同镁肥用量下 （以1 kg/hm2 增量，变幅为0～50 kg/hm2）的增产量 （施镁处理的产量−不施镁处理的产量）、毛收入 （籽粒单价×增产量）、镁肥成本 （镁肥用量×镁肥单价） 和净收益 （毛收入−镁肥成本）。其中镁肥 （MgSO4·7H2O） 价格为2 元/kg，水稻价格为3 元/kg；3） 对各试验点不同镁肥施用量下的净收益进行平均并建立镁肥用量与净收益之间的函数关系，最大净收益下的镁肥用量即为区域镁肥最佳经济用量[28]。

本研究使用Microsoft Office Excel 2016 软件进行数据处理，并采用SPSS 21.0 进行统计分析。采用配对样本t 检验来检验不同处理间的差异显著性。区域图采用ArcMap10.2 及Origin2024 制作。

2 结果与分析

2.1 福建稻区土壤交换性镁供应状况

如图2 所示，福建稻区土壤交换性镁平均含量为72.1 mg/kg，其中交换性镁含量小于80 mg/kg 的土壤样点占74%。从整体上看，稻区土壤交换性镁含量呈现东部沿海较高，中部、南部及北部含量较低，其中福州地区土壤交换性镁含量平均值最高（105.9 mg/kg），其次为宁德 （78.5 mg/kg）、泉州 （75.2mg/kg）、龙岩 （74.9 mg/kg）、三明 （72.3 mg/kg）、莆田（67.9 mg/kg） 和南平 （58.9 mg/kg），漳州地区交换性镁含量最低 （55.4 mg/kg）。交换性镁含量大于80 mg/kg的土壤样点比例最高的地区为福州 （86%），其次为宁德 （36%）、龙岩 （34%）、莆田 （33%）、泉州 （31%）、三明 （26%） 和漳州 （24%），最低为南平 （18%）。

2.2 不同镁肥用量对水稻产量的影响

如图3 所示，镁肥施用显著影响水稻产量。CK、Mg1、Mg2 和Mg3 处理下水稻产量分别为7.78、8.16、8.32 和8.34 t/hm2，与CK 处理相比， Mg1、Mg2 和Mg3 处理下水稻产量分别显著增加4.9%、7.0% 和7.2% （Plt;0.01），而Mg2 和Mg3 之间无显著差异 （Pgt;0.05）。与CK 处理相比，Mg1、Mg2 和Mg3 处理下水稻有效穗数分别显著增加3.4%、4.8%和4.9% （Plt;0.01）；水稻每穗实粒数分别显著增加5.9%、7.0% 和7.2% （Plt;0.001）。CK、Mg1、Mg2 和Mg3 处理水稻千粒重分别为24.92、25.00、25.23 和25.27 g，与CK 处理相比，Mg2 和Mg3 处理水稻千粒重分别显著增加1.3% 和1.4% （Plt;0.001）。

在19 个试验点中，与CK 处理相比，Mg1 处理下增产率小于5% 的样本有8 个，占总数42%，增产率在5%～10% 的样本数有6 个，占总数的35%，增产率在10%～15% 和15%～20% 的样本均为2 个，均占总数的11%，增产率大于20% 的样本数最少，只有1 个，占总数的5%。Mg2 处理下增产率在5%～10% 的样本数最多 （8 个），占总数的42%，与Mg1 处理相比，增产率在10%～15% 和大于20% 的样本有所增高，分别为3 个和2 个，分别占总数的16% 和11%，增产率小于5% 和在15%～20% 的样本数有所下降，分别为5 个和1 个，分别占总数的26% 和5%。Mg3 处理下增产率小于5% 和增产率在5%～10% 的样本数相同，均为7 个，均占总数的37%，增产率大于20% 的样本数最少 （1 个），占总数的5% （图4）。

2.3 不同镁肥用量对水稻经济效益的影响

不同镁肥用量显著影响水稻生产经济效益。CK、Mg1、Mg2 和Mg3 处理毛利润分别为23343、24488、24970 和25012 元/hm2，纯利润分别为21261、22180、22430 和22247 元 /hm2，与CK 处理相比，Mg1、Mg2 和Mg3 处理水稻纯利润分别显著增加4.3%、5.5% 和4.6% （Plt;0.001）。Mg1、Mg2 和Mg3 处理产投比分别为1.7、2.3 和2.2，Mg2 处理下水稻得到最高的经济回报 （图5）。

2.4 各试验点水稻镁肥肥效反应方程及最佳镁肥用量

分别用二次曲线模型、“线性+平台”模型对各试验点的水稻产量和镁肥用量进行拟合后发现，在19 个试验点中有18 个试验点用二次曲线拟合效果好，仅有1 个试验点 （闽侯，2020） 采用“线性+平台”模型拟合效果好 （表4）。各试验点镁肥推荐用量最高为MgO 49.3 kg/hm2，最低为MgO 24.1 kg/hm2，平均为MgO 36.5 kg/hm2。

2.5 福建省水稻区域镁肥推荐用量及镁肥需求

采用“线性+平台”模型获取相对产量与对应土壤交换性镁含量之间关系，得到其拟合方程为Y1=0.28X+73.23 （Xlt;82.54）；Y2=96.25 （X≥82.54），R2=0.69 （图6）。为此，本研究简化福建水稻区土壤交换性镁分级指标，将土壤交换性镁含量小于80 mg/kg划分为缺乏，土壤交换性镁大于80 mg/kg 划分为适宜。

基于上述各试验点建立的肥料效应函数，采用最大经济收益法 （MRTMg） 计算了福建稻区最佳经济施镁量，结果显示，福建稻区镁肥 （MgO） 最佳经济用量为31.6 kg/hm2，对应施用镁肥增产的纯利润为1308 元/hm2。当土壤交换性镁小于80 mg/kg 时镁肥（MgO） 用量需提高至33.2 kg/hm2，当土壤交换性镁含量在80～120 mg/kg 时调整镁肥 （MgO） 用量为27.3 kg/hm2，当土壤交换性镁含量大于120 mg/kg 时需调整镁肥 （MgO） 用量为15.8 kg/hm2 （图7）。

进而综合考虑水稻种植分布及土壤交换性镁的供应状况，估算福建稻区的镁肥需求。福建水稻种植总面积为60 万hm2，水稻镁肥总需求为17831 t（MgO），其中种植面积最大地区为南平 （15.1 万hm2），对应镁肥需求量为4740 t （MgO）；水稻种植面积最小地区为厦门 （0.19 万hm2），镁肥需求量为60 t （MgO）（图8）。

3 讨论

本研究表明，福建稻区土壤交换性镁平均含量为72.1 mg/kg，远低于我国160.5 mg/kg 的平均值[7]，稻区土壤交换性镁的临界阈值为80 mg/kg，其中低于80 mg/kg 的土壤样点占74% （图1，图6），说明福建稻区土壤交换性镁处于普遍缺乏的状况。福建省土壤主要类型为红壤，前人研究结果显示镁在红壤中极易发生淋洗，淋洗量为127.7 mg/kg，淋失率达79.9%[29]，因此在水稻生产中需加强镁肥的推广应用。土壤镁的供应能力与镁肥的增产效应有直接的关系。在土壤缺镁的情况下，施用镁肥后水稻具有明显的增产效果 （图3）。魏朝富等[30]和陈志青等[31]分别在交换性镁含量为35、43.4 mg/kg 的土壤上施镁后发现水稻产量显著提高，这与我们的研究结果一致。然而Liu 等[32]研究表明东北地区水稻土施镁肥的增产效果不明显，这可能是因为东北地区土壤交换性镁含量 （282 mg/kg） 远高于本研究中80 mg/kg 的缺乏阈值。Sipahutar 等[ 3 3 ]研究表明若土壤镁本底值过高，则施用镁肥后作物产量不会显著提高。我国水稻主要分布于长江以南的酸性土壤区，关注土壤镁的供应状况并适当补镁对水稻增产增效具有重要意义。

本研究结果表明施用镁肥可以显著提高水稻的产量，与胡铁军等[34]的研究结果一致。镁肥对水稻有效穗数、实粒数和千粒重等产量构成指标有重要影响，韩科峰等[35]和李延等[36]也得出了类似的结论。周立军等[37]研究表明，镁对水稻千粒重无显著影响，对有效穗数和每穗实粒数影响显著，本研究结果同样表明镁肥主要通过影响有效穗数和实粒数来影响水稻产量，对千粒重影响相对较小，说明镁肥主要通过影响水稻有效穗数和每穗实粒数来影响水稻产量。水稻产量和干物质的分布和累积有关，充足的镁营养可增加水稻茎叶中淀粉和糖含量，提高碳水化合物从水稻茎叶向籽粒运输速度，促进水稻干物质的累积，进而提高水稻的产量[38−39]。本研究结果表明，与CK 处理相比，施镁可以显著提高水稻生产的经济效益，且Mg2 处理下水稻的纯利润最大，镁肥施用处理的产投比达到2.3 （图5）。联合国粮农组织根据世界各国施肥的情况，认为施肥增加的农产品产值与肥料投入成本的比值 （VCR） 大于2 则有必要考虑肥料的施用[40]。综合水稻施镁后纯利润和产投比的变化，说明适宜的镁肥用量对水稻经济效益具有重要意义。

本研究结果表明水稻镁肥肥效反应适宜采用一元二次方程进行模拟 （表4），在适宜范围内施镁对水稻产量有明显提升，但过量施镁水稻有减产风险。Lamichhane 等[41]的研究结果表明，过量镁供应对水稻产量有抑制作用，与本研究结果一致。Noor 等[42]及Ertiftik 等[43]对玉米施镁后也发现了类似的现象，即只有在适宜的施镁区间内作物的产量才可以达到最大值。杨利华等[44]的研究表明，过量施用镁肥有抑制氮磷钾在玉米体内积累的趋势，对产量无明显影响。造成这些结果的原因是镁的过量供给会抑制植物根系活力和氨基酸的合成能力，抑制植物对钙和锌等离子的摄入导致其根系生长受到抑制，进而对产量带来负面影响[45−47]。前人研究结果表明，土壤交换性镁含量愈低，镁肥对作物的增产效果愈显著[48]，本研究整体上也得出同样的结果。但个别试验点结果却显示最佳镁肥用量并不随土壤交换性镁含量升高而降低，例如福安 （2020） 田块土壤交换性镁含量（86.4 mg/kg） 较福安 （2021） 田块交换性镁含量 （47.8mg/kg） 高，但二者的最佳镁肥用量并无差异 （表4），叶晓磊等[49]对油菜施镁后也发现低镁田块最佳镁肥用量与高镁田块无较大差异。这可能是因为土壤中镁离子与其他离子间的互作影响了镁的增产效应，本研究中福安 （2020） 试验点土壤钾镁比为2.1，高于福安 （2021） 试验点土壤钾镁比 （1.5） （表2），对于一般植物来讲土壤最佳的钾镁比为0.5，若土壤钾镁比过高会抑制植物对镁的吸收[50]，导致镁肥增产效应下降，因此在田间镁肥施用中若土壤K/Mg 较高应适当提高镁肥用量。此外，个别试验点结果还显示低镁田块镁肥增产效应反而低于高镁田块，例如闽侯试验点土壤交换性镁含量为192 mg/kg，高于宁化试验点土壤交换性镁含量 （54 mg/kg） （表2），但宁化试验点水稻镁肥增产效应反而更低 （表4）。我们推测造成这种结果的原因可能是镁肥在土壤中易发生淋洗[29]，因此降雨量可能会影响镁肥对作物的增产效果，宁化试验点年平均降雨量 （1700 mm） 高于闽侯试验点 （1310 mm） （表1），且各试验点镁肥均为一次性基施，因此宁化试验点水稻施镁后镁肥受淋洗程度高，造成了镁肥增产效应降低。

目前我国关于水稻镁肥区域推荐施用量研究仍较为缺乏，大多推荐施肥量来自专家建议，适用性范围具有局限性[33]。本研究借鉴美国在玉米带上的区域氮肥推荐施用方法 （MRTN）[27]，该方法由于降低了年际间因气候等因素导致的推荐施肥量变异和地块之间推荐施肥量变异，因此在区域推荐施肥量上对比其他推荐施肥方法如土壤测试方法、植株营养诊断法等有更好的效果从而得到广泛推广应用。后来该方法被我国引进应用到玉米、小麦和水稻主产区的氮肥推荐用量上，也很好的验证了该方法的可行性[28， 51]。本研究从区域镁肥效益最大化入手，综合大面积多点位镁肥肥效反应情况，在产量和经济效益间取得平衡点，照顾了农户的经济风险，进而给出不同土壤供镁条件下的区域镁肥最佳经济用量，往定量施肥迈进了一步。但由于受限于本研究中田间试验样本数仍偏少、个别地块之间土壤基础肥力和产量存在差异等因素，镁肥推荐用量仍需得到进一步的验证，并根据相应结果进一步完善相应的模型。本研究结果表明福建稻区镁肥总需求为17831 t，然而目前从事水稻生产的农户甚至基层农技推广人员对水稻镁营养与施肥的认知仍普遍不足，忽视了镁肥在水稻生产中的应用[52]。因而迫切需要加强水稻镁肥科学施用技术的普及应用。

4 结论

福建稻区土壤交换性镁平均含量为72.1 mg/kg，小于80 mg/kg 的土壤样点占74%，土壤镁缺乏的问题比较普遍。优化镁肥施用可实现水稻增产7.2%，镁肥主要影响水稻有效穗数及每穗实粒数，优化镁肥施用使有效穗数显著增加4.9%，每穗实粒数显著增加7 . 2 %。福建稻区土壤交换性镁缺乏阈值为80 mg/kg，通过最大经济效益法计算得出，福建稻区镁肥 （MgO） 推荐用量为31.6 kg/hm2。当土壤交换性镁含量小于80 mg/kg 时，镁肥（MgO） 用量需提高至33.2 kg/hm2；当土壤交换性镁含量在80～120 mg/kg时，镁肥 （MgO） 用量需调整为27.3 kg/hm2；当土壤交换性镁含量大于120 mg/kg 时，需降低镁肥 （MgO）用量至15.8 kg/hm2。基于福建稻区分布及土壤镁供应状况估算，目前福建稻区镁肥 （MgO） 需求总量为17831 t。

参 考 文 献：

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基金项目：国家重点研发计划项目 （2023YFD1900600）；中央农业资源与生态保护项目 （2130199）；国际镁营养研究所开放课题（IMI2018-07）。