基于生態(tài)幅的作物養(yǎng)分供應(yīng)限

苗俊艷，王艷語(yǔ)，許秀成,

（1.鄭州富誼聯(lián)科技有限公司，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

農(nóng)作物是生命體，應(yīng)遵循生物學(xué)規(guī)律。每一類(lèi)生物，對(duì)每一種生態(tài)因子都有其耐受的上限和下限，上下限之間就是該生物對(duì)這種生態(tài)因子的耐受范圍。對(duì)同一生態(tài)因子，不同種類(lèi)的生物耐受范圍不同。生態(tài)因子根據(jù)其性質(zhì)可歸納為5類(lèi)：氣候因子、土壤因子、地形因子、生物因子和人為因子［1］。施肥對(duì)土壤、植物的干預(yù)成為影響土壤性質(zhì)、植物生長(zhǎng)的單一生態(tài)因子。

1 生態(tài)幅

1997年，北京大學(xué)著名生物學(xué)專(zhuān)家陳閱增教授等提出了生態(tài)幅（ecological amplitude）概念［2］，如圖1所示。在生態(tài)幅的中間為最適區(qū)，兩端為生理受抑制區(qū)，再向外延伸，超出生態(tài)幅，則為不耐受區(qū)。1999年，國(guó)際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)（IFA）主編的《世界肥料使用手冊(cè)》中，將生態(tài)幅概念解釋為“作物產(chǎn)量與植物體內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)的關(guān)系”，如圖2所示［3］。肥料為作物提供養(yǎng)分，其施用量在一定范圍內(nèi)，有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，但過(guò)多會(huì)抑制生長(zhǎng)，甚至對(duì)農(nóng)作物有毒害作用。

圖1 生物生存的溫度生態(tài)幅

圖2 作物產(chǎn)量與植物體內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)的關(guān)系［3］

2014年，《陳閱增普通生物學(xué)》將生態(tài)幅概念用美國(guó)生態(tài)學(xué)家SHELFORD V E提出的耐受性法則表達(dá)出來(lái)，生物對(duì)溫度的耐受范圍如圖3所示［4］。不同作物的耐受性不同。小麥生長(zhǎng)最適宜溫度為25～31℃，最低溫度為3℃，最高溫度為37℃；水稻生長(zhǎng)最適宜溫度為30～35℃，最低溫度為10℃，最高溫度為40℃；玉米生長(zhǎng)最適宜溫度為37～44℃，最低溫度為5℃，最高溫度為50℃；火龍果生長(zhǎng)最適宜溫度為25～35℃，耐0℃低溫和40℃高溫；沙棘對(duì)溫度要求不很?chē)?yán)格，極端最低溫度可達(dá)-50℃，極端最高溫度可達(dá)50℃。

圖3 生物對(duì)溫度的耐受范圍

2 我國(guó)作物養(yǎng)分供應(yīng)現(xiàn)狀

據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)單位耕地面積平均施肥水平為446 kg/hm2，單位播種面積平均施肥水平為363 kg/hm2。與聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）2015年統(tǒng)計(jì)年鑒比較，我國(guó)單位耕地面積平均施肥水平是世界平均施肥水平（109.9 kg/hm2）的4.06倍，是美國(guó)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。特別是氮肥的平均施用量，我國(guó)為296.8 kg/hm2，世界為69.3 kg/hm2，美國(guó)為65.9 kg/hm2，日本為120.1 kg/hm2［5］。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)全國(guó)冬小麥、早稻、晚稻、一季稻、春玉米、夏玉米6種糧食作物，統(tǒng)計(jì)分析了2 500～3 000個(gè)樣本的施肥效果［6］。結(jié)果表明，我國(guó)氮肥施用量已達(dá)到抑制作物生長(zhǎng)的程度，處于生態(tài)幅的輕度中毒區(qū)。特別是春玉米，氮肥施用量從118 kg/hm2增加至263 kg/hm2，產(chǎn)量從11 119 kg/hm2降低至8 687 kg/hm2，減少22%。磷肥施用量已是奢侈供應(yīng)，一些糧食作物已處于生態(tài)幅的輕度中毒區(qū)。一季稻磷肥施用量從43 kg/hm2增加至121 kg/hm2，產(chǎn)量從8 670 kg/hm2降低至6 941 kg/hm2，減少20%。柳小寧等［7］研究了施肥量對(duì)大麥甘啤7號(hào)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，與常規(guī)施肥處理相比，除C處理（N 195 kg/hm2+P2O5195 kg/hm2）外，隨著施肥量增加，減產(chǎn)幅度增大，籽粒蛋白質(zhì)含量升高，千粒質(zhì)量和飽滿(mǎn)度降低，氮素農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力均降低。過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致設(shè)施番茄植株長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)酰硇圆『︻l發(fā)，影響植株對(duì)中微量元素的吸收，導(dǎo)致土壤鹽漬化加重［8］；小麥?zhǔn)┓手幸泊嬖诘租浥湮椴缓侠?、中微量元素缺乏等?wèn)題［9］。

1980—2000年，氮肥的過(guò)量施用，導(dǎo)致我國(guó)主要作物生產(chǎn)區(qū)土壤pH下降0.5，pH適宜作物生長(zhǎng)的土壤面積減少，而不適宜作物生長(zhǎng)的強(qiáng)酸性土壤面積增加［10］。土壤酸化導(dǎo)致果樹(shù)的粗皮病、潰瘍病劇增，加速果樹(shù)老化。據(jù)中國(guó)科學(xué)院統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有超過(guò)50%的土壤缺乏中微量元素［11］，缺鋅土壤比例為51%，缺鉬土壤比例為46%，缺硼土壤比例為34%，缺錳土壤比例為21%，缺銅土壤比例為6%，缺鐵土壤比例為5%［12］，導(dǎo)致作物減產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降。過(guò)量施肥不僅對(duì)糧食增產(chǎn)作用有限，還會(huì)導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)和人類(lèi)健康。

3 作物養(yǎng)分供應(yīng)限

在人為因子中，化學(xué)肥料是人類(lèi)對(duì)植物生長(zhǎng)的最大干預(yù)，這種干預(yù)符合生態(tài)幅的規(guī)律，即存在耐受低限、耐受高限、死亡區(qū)；作物養(yǎng)分供應(yīng)也存在最適供應(yīng)、奢侈供應(yīng)，還存在低于最適供應(yīng)的養(yǎng)分臨界值（最適宜養(yǎng)分供應(yīng)量的90%）及高于奢侈供應(yīng)的肥害區(qū)；作物養(yǎng)分供應(yīng)限不僅存在數(shù)量上的限，還包括質(zhì)量上的限。高等植物生長(zhǎng)需要17種必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素。表1為高等植物干組織中必需營(yíng)養(yǎng)元素的一般含量。

表1 高等植物干組織中必需營(yíng)養(yǎng)元素的一般含量 %

作物養(yǎng)分理論供應(yīng)量與作物種類(lèi)、土壤供肥狀況、作物目標(biāo)產(chǎn)量有關(guān)。以水稻產(chǎn)量7 500 kg/hm2為例，估算所需養(yǎng)分理論供應(yīng)量。商品稻谷w（H2O）9.5%，干基w（N）1.5%，則7 500 kg稻谷中氮質(zhì)量為102 kg；稻谷與稻草質(zhì)量比為1.0∶0.9，商品稻草w（H2O）6%，干基稻草w（N）0.5%～0.9%（取0.7%），則干基稻草中氮質(zhì)量為44 kg；估計(jì)稻根中氮質(zhì)量為14 kg。則每收獲7 500 kg/hm2的商品稻谷，稻谷、稻草、稻根中氮質(zhì)量為160 kg。即每公頃要獲得稻谷7 500 kg，氮的理論供應(yīng)量為160 kg。

《世界肥料使用手冊(cè)》中提及［3］，現(xiàn)代高產(chǎn)品種稻谷產(chǎn)量一般為5 t/hm2，在這種產(chǎn)量下，作物將從土壤中取走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。本例中稻谷產(chǎn)量為7.5 t/hm2，則作物從土壤中取走的N量為165 kg，與估算的160 kg相近。

清華大學(xué)化工系郭志剛教授基于植物分子生物學(xué)的作物最低需肥量，配制了多種農(nóng)作物專(zhuān)用配方肥。對(duì)于水稻產(chǎn)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，比農(nóng)民常規(guī)施肥N減少60%，P2O5減少50%，但K2O增加50%，產(chǎn)量提高9%，肥料成本減少15%，提高了作物的品質(zhì)，減少了病蟲(chóng)害的發(fā)生［13］。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張衛(wèi)峰等［6］利用曲線擬合方法建立目標(biāo)產(chǎn)量與推薦施肥量的施肥合理標(biāo)準(zhǔn)示意圖，評(píng)價(jià)了農(nóng)戶(hù)施氮肥、磷肥和鉀肥的合理、過(guò)量與不足，為作物的平衡施肥提供了理論支撐，氮肥施用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響見(jiàn)表2。

表2 氮肥施用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

表2表明過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，施氮量109 kg/hm2落在生態(tài)幅的適宜區(qū)（低于理論供應(yīng)量），施氮量156 kg/hm2（與理論供應(yīng)量相同）已落在奢侈供應(yīng)區(qū)，而施氮量270 kg/hm2則落在輕度中毒區(qū)；據(jù)清華大學(xué)郭志剛教授的數(shù)據(jù)，施氮量在105～158 kg/hm2為適宜區(qū)。顯然，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的109 kg/hm2、清華大學(xué)的105 kg/hm2均低于理論供應(yīng)量160 kg/hm2。因此，應(yīng)力求使我國(guó)水稻的養(yǎng)分供應(yīng)量N在100 kg/hm2、P2O5在30 kg/hm2、K2O在50 kg/hm2左右，使氮磷鉀養(yǎng)分供應(yīng)總量在180 kg/hm2左右。這與日本、印度、巴基斯坦、埃及、菲律賓、斯里蘭卡、孟加拉國(guó)7國(guó)水稻推薦氮磷鉀施肥的平均值179 kg/hm2相近。

作物養(yǎng)分供應(yīng)限與作物產(chǎn)量相關(guān)，它決定了作物的“量”；必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素與作物品質(zhì)相關(guān)，它決定了作物的“質(zhì)”。根據(jù)作物養(yǎng)分需求規(guī)律，平衡供應(yīng)作物所需的大、中、微量營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)植物和人類(lèi)健康具有重要意義。

4 小結(jié)

作物正在面臨營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩引發(fā)的健康危機(jī)，倡導(dǎo)作物臨界施肥理念，以科學(xué)發(fā)展的思路應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)變才是保障我國(guó)糧食生產(chǎn)安全之道。2019年6月20—21日，在北京香山飯店，以鄭州大學(xué)為第一申請(qǐng)單位組織召開(kāi)的第655次香山科學(xué)會(huì)議“基于生態(tài)幅的作物養(yǎng)分供應(yīng)限與高質(zhì)量農(nóng)業(yè)發(fā)展”，將作物養(yǎng)分供應(yīng)限定義為：Supply nutrients from luxury to critical，提出從我國(guó)普遍存在的奢侈施肥轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)分臨界點(diǎn)施肥，能最大限度達(dá)到減肥增效的目標(biāo)；使作物高產(chǎn)的科技動(dòng)力進(jìn)入由“質(zhì)”躍至“能”的新階段，由單一的“質(zhì)”驅(qū)動(dòng)進(jìn)入“質(zhì)-能”雙驅(qū)動(dòng)的新階段，意義重大，將為人類(lèi)對(duì)作物生長(zhǎng)的思考提供一個(gè)新的視角，將為認(rèn)識(shí)“作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)”構(gòu)畫(huà)一個(gè)新的更全面的理論圖景。