鄭文婧 惠建斌* 王秀峰
(1中國科學(xué)院過程工程研究所,北京 100190;2河南東大科技股份有限公司,河南登封 452470)
大蒜作為我國重要的經(jīng)濟作物,產(chǎn)量和消費量均居世界第一位。因其獨特的風(fēng)味和營養(yǎng)價值受到許多消費者的喜愛,成為食物科學(xué)、氣味學(xué)、醫(yī)藥、保健科學(xué)研究的重要對象[1],也是大蒜種植專家、肥料科學(xué)與營養(yǎng)學(xué)研究的重點。本文在總結(jié)分析大蒜成分、土壤自然肥力、肥料利用率的基礎(chǔ)上,對大蒜種植需要的大量元素、中量元素、微量元素理論量進(jìn)行討論,指出大幅提升化肥利用率、研制高效專用肥是落實我國化學(xué)肥料零增長戰(zhàn)略的重要技術(shù)方向,并根據(jù)我國大蒜主要產(chǎn)區(qū)的土壤類型、土壤肥力、大蒜品種概況,提出了大蒜專用高效肥理論配方,以供大蒜種植戶參考。
大蒜植株中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的研究,很多文獻(xiàn)都有報道,但涉及大蒜營養(yǎng)成分的具體數(shù)據(jù)時,由于品種、產(chǎn)地、施肥量、測試階段等均會導(dǎo)致數(shù)據(jù)上存在差異。為此,筆者以調(diào)研文獻(xiàn)獲得的大蒜頭、根、秸稈、灰分等數(shù)據(jù)為依據(jù),了解大蒜植株攜帶營養(yǎng)元素的基礎(chǔ)數(shù)量,以作為大蒜營養(yǎng)研究和配方施肥的理論依據(jù)。
綜合文獻(xiàn)報道數(shù)據(jù),總結(jié)出100 g新鮮大蒜中含水(70±5)g、蛋白質(zhì)(4.4±1.5)g、碳水化合物(23±2)g、脂肪(0.2±0.1)g、粗纖維(0.7±0.2)g、灰分(1.3±0.1)g、揮發(fā)油(0.10±0.02)%;脫水干燥大蒜含水分(9.04±1.00)%、粗蛋白(15.4±3.0)%、粗脂肪(1.22±0.10)%、粗纖維(4.48±0.50)%、灰分(5.82±0.10)%、鈣(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 多種 金屬元素氧化物構(gòu)成。已有報道稱,大蒜中的鈣含量超過1598.21μg/g,鉀超過 12172.41μg/g,鎂超過 610μg/g,鋅 120 μg/g,鈉超過 130 μg/g,總量超過 14 630 μg/g[2]。
大蒜中含有揮發(fā)油,揮發(fā)油所含化合物種類超過30種[3],目前已查明這些化合物以含硫化合物為主。例如,大蒜中蒜素的刺激性氣味比二丙烯基二硫化物更強烈,主要成分為二丙烯基硫代亞磺酸酯。大蒜的這種獨特風(fēng)味受到科技界關(guān)注,圍繞大蒜風(fēng)味化學(xué)的研究在世界范圍內(nèi)成為重要的研究領(lǐng)域。
對大蒜根的分泌物研究表明:分泌物的主要成分為有機酸類、酯類、芳香族化合物、雜環(huán)類化合物及烷烴類,其中的化感物質(zhì)為鄰苯二甲酸二丁酯、2,6-二異丙基苯酚、2,6-二叔丁基對甲酚等[4]。 對大蒜秸稈研究表明,1 t大蒜可產(chǎn)生約10%的秸稈副產(chǎn)品,干秸稈成分中含粗蛋白(8.68±2.00)%、粗脂肪(0.96±0.15)%、粗纖維(24.63±3.00)%、鈣(2.29±0.50)%、磷(0.25±0.20)%[5]。
由此可見,大蒜根、莖、葉片中的天然成分?jǐn)y帶著多樣的組分和化合物,營養(yǎng)價值高,粗纖維含量適中,具有極高的利用價值,既可以作為飼料資源進(jìn)行開發(fā)利用[4],又可以作為重要的中藥原料及保健品原料,增加其經(jīng)濟價值。
與其他農(nóng)作物一樣,大蒜生長周期所需要的營養(yǎng)元素均源自空氣、水、土壤。但由于耕地土壤數(shù)十年的連續(xù)耕作利用,加上雨水的淋洗作用,自然肥力不高,能為大蒜生長提供的營養(yǎng)物質(zhì)特別是氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、鋅等十分有限。為簡化估算過程,忽略土壤中存留的營養(yǎng)元素數(shù)量,直接以大蒜生物體中元素組成數(shù)據(jù)為依據(jù),估算氮元素流失量。按照大蒜產(chǎn)地平均產(chǎn)量18 t/hm2估算,大蒜中蛋白質(zhì)總量約675 kg/hm2,秸稈中蛋白質(zhì)約157.5 kg/hm2。假設(shè)大蒜、秸稈最終全部收集運走,則帶離的蛋白質(zhì)總量約 833 kg/hm2,折合純 N 約 134.4 kg/hm2,即 1 hm2耕地每年被大蒜帶離的純N量約134.4 kg。
類似地,可以估算出1 hm2耕地每年被大蒜帶走的鈣、鎂均為30 kg左右,被帶離的磷為18 kg左右,被帶離的鉀約45 kg,被帶離的硫9 kg。
由此可知,連續(xù)高強度的耕作,耕地每年流失的營養(yǎng)元素數(shù)量大,1 hm2耕地由大蒜攜帶流失的氮、磷、鉀、鈣、鎂等各種營養(yǎng)物質(zhì)總量超過285 kg,土壤肥力低下,需要人工提供營養(yǎng)物質(zhì),否則無法獲得高產(chǎn)。大蒜植株攜帶流失氮、磷、鉀等超過285 kg/hm2的理論數(shù)據(jù),可以看作維持單產(chǎn)18 t/hm2的最低理論值,實際施肥量既要考慮理論值,也要考慮肥料利用率、植株吸收特點與養(yǎng)分在植株中的分布規(guī)律。
除了光、熱、二氧化碳、水等以外,大蒜營養(yǎng)成分基本都源于其生長的土壤環(huán)境。隨著耕地土壤高強度的耕作,其可利用養(yǎng)分和組分含量趨于枯竭,必須通過人工調(diào)節(jié)和施放才能為土壤中生長的作物提供足夠的必要養(yǎng)分,滿足作物正常生長需求。
為了使人工施放的營養(yǎng)物質(zhì)最大限度地發(fā)揮營養(yǎng)作用,筆者總結(jié)了大蒜自身營養(yǎng)需求吸收的過程特點和相對數(shù)量,發(fā)現(xiàn)了大蒜生命周期中的營養(yǎng)吸收在不同階段呈現(xiàn)不同的數(shù)量變化,其營養(yǎng)吸收數(shù)量變化在時間方向上具有“M”形波動性特點。這可以作為高效專用肥結(jié)構(gòu)化設(shè)計的理論依據(jù)。
如圖1所示,大蒜從萌芽期、幼苗期、鱗芽花芽分化期、蒜薹伸長期到鱗莖膨大期對大量營養(yǎng)元素氮、磷、鉀的吸收存在“M”形吸收規(guī)律,其中:氮肥、鉀肥的營養(yǎng)吸收高峰均出現(xiàn)在鱗莖膨大期;磷肥的吸收高峰出現(xiàn)在蒜薹伸長期。3種養(yǎng)分的吸收高峰出現(xiàn)時間并不一致[6]。說明不同營養(yǎng)物質(zhì)在大蒜不同生長階段發(fā)揮的作用、功能、方式等微觀機理在協(xié)同支持大蒜生長時又存在各自的特點,即:在萌芽階段吸收氮素很少,約為1%;幼苗階段,對氮素的吸收出現(xiàn)一個小高峰,吸收氮素的相對比例為5.7%左右;此后鱗莖和花芽分化期吸收氮素的相對比例下降,吸收氮素相對比例為3.5%左右;這個階段后,從蒜薹伸長一直到鱗莖膨大,吸收氮素的相對比例一直是升高的,在鱗莖膨大期達(dá)到最高,吸收比例達(dá)到67%左右;此后,隨著大蒜成熟,吸收氮的相對比例迅速降低,從而呈現(xiàn)“M”形吸收特點。
磷素、鉀素的吸收在總體特征上也呈現(xiàn)“M”形吸收特點。大蒜吸收鉀素規(guī)律與氮素類似,其吸收的最高峰也在鱗莖膨大期。但磷素吸收的最高峰階段與氮素、鉀素吸收不同,雖然也呈現(xiàn)“M”形養(yǎng)分吸收特點,但吸收最高峰出現(xiàn)在蒜薹伸長期。
了解大蒜對養(yǎng)分的吸收規(guī)律以及養(yǎng)分在不同階段的需求相對量和分布特點,有利于把控營養(yǎng)物質(zhì)的施肥時間、供給時間、供給數(shù)量、方式等,對指導(dǎo)具體的種植活動有非常重要的理論指導(dǎo)意義,也對研究開發(fā)高效專用肥的結(jié)構(gòu)、調(diào)控結(jié)構(gòu)肥的功能具有指導(dǎo)作用。
如前所述,在了解大蒜對氮、磷、鉀的吸收規(guī)律以及大蒜植株攜帶營養(yǎng)元素的理論量后,關(guān)于大蒜專用高效肥結(jié)構(gòu)化理論設(shè)計,至少需要考慮以下幾個方面,即:大蒜的單產(chǎn),大蒜吸收氮、磷、鉀的規(guī)律,氮、磷、鉀的實際利用率,肥料養(yǎng)分的釋放方式,專用高效肥結(jié)構(gòu)化應(yīng)具有的特點。
按大蒜單產(chǎn)18 t/hm2計,大蒜植株攜帶流失的營養(yǎng)元素氮、磷、鉀數(shù)量分別為 134.4、18.0、45.0 kg/hm2,硫、鈣、鎂超過69 kg/hm2,且大蒜吸收氮、磷、鉀養(yǎng)分過程中存在“M”形特征(即2個養(yǎng)分吸收高峰:最大吸收期出現(xiàn)在鱗莖膨大期或蒜薹伸長期,次小高峰出現(xiàn)在大蒜脫母后的幼苗期)。據(jù)此,在高效專用肥料結(jié)構(gòu)化設(shè)計中,既需要考慮養(yǎng)分總量供給,也要考慮大量元素吸收峰以及磷吸收最高峰與氮、鉀吸收最高峰的階段差異。
為此,對肥料結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計,就自然地賦予高效結(jié)構(gòu)肥料應(yīng)該具有這樣的特點:一方面能夠為大蒜植株提供足夠的營養(yǎng)物質(zhì),一方面養(yǎng)分的釋放模式與大蒜的各個吸收高峰期相吻合,能夠一一對應(yīng)。同時,在大蒜吸收養(yǎng)分的其他階段,依然能夠有效釋放必要的和適量的養(yǎng)分,以滿足大蒜整個生長過程的生理需要。這種特點是確保養(yǎng)分能夠全部被吸收的前提。
對于養(yǎng)分比例和數(shù)量來說,大蒜單產(chǎn)18 t/hm2需要提供養(yǎng)分的理論數(shù)據(jù)如下:50 kg裝的9-1.2-3型號的氮磷鉀復(fù)混肥(總養(yǎng)分13.2%)30袋或50 kg裝18-2.4-6型號的復(fù)混肥(總養(yǎng)分26.4%)15袋。按照我國肥料標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定,若要標(biāo)出磷的含量,就只能提升磷含量至5%,這樣肥料的理論型號就變?yōu)?8-5-6;如果不標(biāo)出磷含量,則為18-0-6。但由于存在總養(yǎng)分不能<25%的規(guī)定,因而可以根據(jù)需要調(diào)升鉀含量或氮含量,這樣就設(shè)計出配方18-0-7型肥料或19-0-6型肥料。
對于非結(jié)構(gòu)化的普通復(fù)混肥或摻混肥來說,依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),目前市場上的普通肥當(dāng)季綜合利用率不超過35%。據(jù)此可計算出需要為大蒜提供的氮、磷、鉀分別為 385.5、51.0、129.0 kg/hm2,方可滿足單產(chǎn)18 t/hm2的營養(yǎng)需要。一律按照35%利用率折算氮、磷、鉀施放量,對應(yīng)市場上出現(xiàn)的26-5-9型肥料(總養(yǎng)分40%)就有了理論依據(jù)。需要提供上述營養(yǎng)型肥料30袋/hm2,才能從養(yǎng)分提供量方面滿足大蒜生長需求。
如果考慮氮、磷、鉀實際利用率的差異,磷肥利用率一般<15%,那么就需要提供8 kg磷肥以滿足1.2 kg磷素的實際需要。硫酸鉀型肥料的利用率一般高于55%(氯化鉀型肥料利用率相對較低),則需要提供5.5 kg鉀肥以滿足3.0 kg鉀素的實際需要。氮肥利用率一般為40%左右,需提供22 kg氮肥以滿足8.5 kg氮素的實際需要。與此對應(yīng)的理論配方為22-8-6(總養(yǎng)分36%),需要施用50 kg裝肥料30袋/hm2才可以滿足實際需要。
從數(shù)值上看,設(shè)計出的普通肥料總養(yǎng)分36%和40%比結(jié)構(gòu)化高效肥的理論值13.2%分別高出173%和203%。如果與市場上常用的15-15-15以及17-17-17相比,這些肥料比結(jié)構(gòu)化肥料高出至少317%,比設(shè)計的普通肥料配方也高出至少53%。這說明肥料養(yǎng)分載體具有合理的結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分釋放機理時,肥料利用率大幅提升,減量增效的效果和前景也十分誘人。
在大蒜實際種植過程中,由于肥料利用率涉及管理、施用方式、肥料品質(zhì)、用戶習(xí)慣、用戶經(jīng)驗等多種因素,要真正做到科學(xué)配肥、科學(xué)施肥或測土精準(zhǔn)施肥還有許多理論問題和實踐問題需要解決。崔艷秋等[7]研究認(rèn)為,大蒜生長需要的氮、磷、鉀最佳比例為 10∶3.6∶7;同時發(fā)現(xiàn),氮、鉀吸收高峰在鱗莖膨大期,磷吸收高峰在蒜薹伸長期,這個結(jié)論與文獻(xiàn)中的其他報道結(jié)果基本一致。其推薦的最佳施肥量為純N436.95kg/hm2、P2O5213.34kg/hm2、K2O336.74kg/hm2,其中氮、鉀肥均2/3作底肥、1/3作追肥時效果最好。由于普通肥料在施用過程中存在“一炮轟”現(xiàn)象,無法與大蒜在苗期、鱗莖膨大期需要的氮、磷、鉀數(shù)量以及比例要求相匹配,而速溶肥、滴灌肥存在施肥頻次高、勞動成本高的特點。在此背景下,緩控釋肥料引起了研究人員的關(guān)注。王 干等[8]研究表明,施用緩釋尿素的大蒜,雖然苗期長勢沒有優(yōu)勢、表現(xiàn)一般,但最終產(chǎn)量明顯高于普通肥料。
在上述研究的基礎(chǔ)上,筆者選用的一種礦物浮選末端組分(圖2)作為專用高效結(jié)構(gòu)化肥的設(shè)計基礎(chǔ)材料,利用其組分、結(jié)構(gòu)和自黏結(jié)性能,研制出了具有緩釋、控釋功能的組裝顆粒,實現(xiàn)了肥料組分的結(jié)構(gòu)化。這種肥料具有一定的環(huán)境響應(yīng)和時空調(diào)控功能,將肥料顆粒的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計與現(xiàn)有摻混、捏合、復(fù)合肥的優(yōu)勢結(jié)合,同時吸納納微顆粒復(fù)配以及功能材料的最新成果,形成了能夠調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與組分復(fù)配方式,開發(fā)出符合大蒜營養(yǎng)吸收規(guī)律的長效、高吸收專用肥。其基本原理如圖3(a)所示,實際制備的顆粒如圖3(b)所示。
根據(jù)使用材料的不同以及結(jié)構(gòu)化方式的差異,設(shè)計制備了兩類高效專用肥:一類是利用率應(yīng)達(dá)到國際平均水平的結(jié)構(gòu)肥料,氮、磷、鉀的利用率為60%;一類是專用的結(jié)構(gòu)化高效肥,氮、磷、鉀的利用率可以達(dá)到85%以上。不同利用率對應(yīng)的設(shè)計配方如下:①在利用率達(dá)到60%水平時,大蒜施肥的理論數(shù)據(jù)為氮 225 kg/hm2、磷 30 kg/hm2、鉀 75 kg/hm2,對應(yīng)的肥料型號可設(shè)計成15-2-5或30-4-10;②在利用率達(dá)到85%水平時,大蒜施肥的理論數(shù)據(jù)應(yīng)為氮157.5 kg/hm2、磷 22.5 kg/hm2、鉀 52.5 kg/hm2,對應(yīng)的肥料型號可設(shè)計成11-1.5-3.5或22-3-7。
應(yīng)該注意的是,以上討論和提供的理論配方與設(shè)計方案,在具體種植和實踐中,用戶和肥料研究者應(yīng)該根據(jù)耕地土壤的測土數(shù)據(jù)、大蒜產(chǎn)量、大蒜品種等,參照本文理論數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)行養(yǎng)分配伍,同時要在肥料結(jié)構(gòu)化方面進(jìn)行創(chuàng)新,研制新型高效肥料,使獲得的理論數(shù)據(jù)和大蒜營養(yǎng)機理能夠通過新產(chǎn)品的性能、功能體現(xiàn)出來,從而大幅減少化肥施用量,大幅提升肥料利用率,從源頭解決肥料利用率低、流失率高、污染重等問題。