张 静1，尹飞虎1，2*，李光永1
（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.新疆农垦科学院）
收稿日期：２０15—0４—２３
*通讯作者：尹飞虎（1954-），男，湖南平江人，研究员，主要从事植物营养和节水农业方面的研究。E-mail：nkyyfh@sohu.com。
摘要：磷是植物生长发育所必需的主要营养元素之一，它既是植物体内许多重要有机化合物的组分， 同时又以多种方式参与植物体内各种代谢过程。近几十年来，全球磷肥工业日益崛起，其在农业中的应用和在作物生理代谢中的作用也越来越被重视。本文主要介绍了磷在作物生长发育中的作用、磷肥的发展与应用、磷在土壤中的运移与利用率，以及施用磷肥面临的问题和今后发展趋势，为后续研究提供借鉴。
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关键词 ：农田；磷肥；有效性；研究进展；发展趋势
磷是植物生长发育的营养元素，属于肥料三要素之一，对作物的生长发育具有极其重要的作用。但是作物对磷肥的有效利用率能力较弱，当季利用率一般只有5% ~ 10%，即使考虑作物的后效，一般也不会超过25%，远低于其他化学肥料的利用率。在氮磷钾三大肥料要素中，磷的移动性最小，磷在土壤中的扩散距离仅为3 ~ 4 cm[1]，对于庞大的作物根系而言，如此近距离的运移范围是远不能满足作物生长发育需求的。因此，自我国开始大规模使用化学磷肥以来，如何提高磷肥利用率已是一些科研部门、农业生产部门长期面临且亟需解决的问题。
1 磷在植物生长发育中的作用
磷是植物必须的营养元素，是影响植物生长发育和生命活动的主要元素之一。在植物生长发育过程中，磷素能够促进苗期根系生长，增加养分吸收，进而促进营养体的生长；生殖生长阶段，大量的磷素由营养体转移至籽粒中，使得籽粒饱满。磷是植物体内细胞原生质的组成元素，对细胞分裂和增殖起重要作用。植物生命过程中养分和能量的转化、传递均与磷素有密切的关系，如蒸腾、光合、呼吸3大生理作用以及糖、淀粉的利用和能量的传递等过程。
1.1 磷是植物有机体的重要组成部分
磷是组成植物体内磷脂、核酸、植素、磷酸腺苷等的重要元素，这些有机磷化合物对植物生长和代谢起重要作用，在储存和转移能量的酶体系中磷也是最为关键的成分之一[2] 。植物体内生物膜的构成，碳水化合物的合成，含氮物质和脂肪的合成、分解和运转等代谢过程也都与磷素有密不可分的关系。磷素是促进植物生长过程中必须的、不可缺少的养分，磷不足将导致细胞完整性缺失。
1.2 磷是植物生理代谢的重要物质
在植物生长期间，磷素与3大生理作用以及糖、淀粉的利用和能量的传递等过程密切相关，足量的外源磷素供应对植物生理代谢有重要意义。当植物细胞中的磷浓度稳定时，外界磷素的供应量不影响光合速率；但当磷的供给量处于较低水平并成为限制因素时，将对植物叶片的扩展产生显著影响，叶片数量、总叶面积显著减少，叶片生长速率减缓，从而降低同化面积；且植物体内缺少磷将导致光合磷酸化过程中有机磷循环受阻，限制叶片光合作用[3]，严重影响光合作用的总碳固定量。
在作物生育期合理施用磷肥对增加作物产量和改善作物产品品质有重要作用，谷类作物施用磷肥后能加速分蘖，促进幼穗分化和灌浆，使得籽粒饱满，促早熟；经济作物、瓜果及蔬菜施用磷肥能促使花芽分化和开花结实，提高结果率，增加作物产量；磷肥施用对浆果、甜菜、甘蔗以及西瓜等的糖分、块茎类作物的淀粉含量以及豆科作物籽粒的蛋白质含量均有提高效应。此外，还能提高作物抗旱、抗寒等抗逆性。
2 磷肥的发展与有效性研究进展
2.1 磷肥的发展现状
磷肥是我国农业生产必须的生产资料，施用磷肥一直是粮食生产中最重要的措施之一。我国磷肥工业发展经历了从无到有、从小到大的历程。于20世纪50年代开始发展过磷酸钙，60年代发展钙镁磷肥，改革开放以来，尤其是80年代后期重点发展重钙、氮磷钾、硝酸磷肥、磷氨铵等高浓度磷复肥。自2000年以来，我国磷肥工业得以快速发展，2005年磷肥产量超过美国居世界第一，2006年实现磷肥自给，2007年在自给有余的基础上成为磷肥主要出口国之一。随着农业发展的需要和测土配方施肥的推广，除传统磷肥品种外，各种缓控释肥、专用肥、掺混肥等也应运而生，形成品种基本齐全的肥料供应体系，也为农业生产中磷肥施用提供了更丰富的选择。
土壤中的磷一般不能满足农作物生长发育的需要，必须通过施肥来补充。但是施用磷肥必须讲究方法，具体有：早施（农作物的苗期吸磷速度最快，必须保证苗期不能缺磷）；集中施（穴施、条施等方法能使磷肥存留在作物种子和根系周围，有利于农作物根系的吸收利用）；细施（常用的磷肥过磷酸钙在储存时易吸潮结块，因此在施用时一定要打碎过筛）；分层施（在底层和浅层都要施用磷肥，一般浅层施用1/3，深层施用2/3，以满足农作物根系不同层次对磷肥的需求）；与氮肥结合使用（氮磷配合施用既可以平衡养分，又可以提高利用率）；灌溉施肥（如滴灌、喷灌）。
2.2 磷肥的有效性研究进展
磷肥是作物生长过程中需求量仅次于氮肥的肥料，但磷肥有效性却远远低于氮肥。氮无论在土壤或在植物中都是活动能力很强的营养元素，而磷的活动能力却极差，且植物需求也较氮少得多。一般认为，磷肥有效性低的主要原因是土壤对磷的固定，在外源磷肥施入的同时，大量的磷也被固定，即能被作物吸收利用的有效态磷被转化为不能被作物利用的无效态磷储存在土壤中。而这些被固定的无效态磷在当季基本不能给作物提供养分[4]。
据统计，传统施肥方式下我国氮肥的当季利用率为30% ~ 35%，钾肥为35% ~ 50%，而磷肥的利用率只有10% ~ 25%[5]。根据程明芳等人对作物磷肥利用率的研究进展可以看出，采用传统施磷方法，不同地区的不同作物对磷肥的当季利用率和累积利用率都比较低。赵玲等通过对膜下滴灌棉花氮磷肥料施用效果进行研究，结果表明随水滴施磷肥籽棉产量提高8.80% ~ 17.40%；氮、磷肥利用效率得到提高，与基施相比磷肥利用率达到36.75% ~ 45.88%[6]。
磷肥的施用可在很大程度上改变农田土壤的含磷量和土壤中磷素肥力，提高土壤向作物供磷的能力。甘润明[7]等通过研究膜下滴灌施肥磷养分在土壤中的分布后认为，磷肥渗透深度为砂壤土 ＞ 壤土 ＞ 粘土，土壤中有效磷的含量主要分布在0 ~ 20 cm土层。Bar - Yosef[8]的试验结果也显示，在相同灌溉方式下，磷酸根离子在砂土中水平移动为粘土的2倍，垂直移动为粘土的3倍。张建新、等[9]通过研究膜下滴灌方式下磷在土壤中的分布特点以及棉花生长状况后发现：膜下滴灌施磷方式下，磷在土壤中分布集中，浓度相对较高，分布均匀；磷在土壤中下渗距离为0 ～ 30 cm，浓度为25 ～ 30 mg/kg；侧渗范围为0 ~ 10 cm，浓度为9 ～ 25 mg/kg 。但是Strabbioli[10]在研究不同灌水量情况下桃园养分的淋湿时发现，灌水量小的表层处理（0 ~ 10 cm）土壤有效磷含量最高，根活性最高的中间层有效磷含量最低；随着灌水量的增大，磷素有向深层（70 ~ 100 cm）土壤移动的趋势。
土壤中有效磷含量增加可以促进作物对磷素的吸收利用，如施磷后稻株全生物量明显增加，主要是促进地上部分的生长发育；且水稻植株地上部分干物质的含磷百分率峰值主要出现在分蘖盛期和孕穗期，此后逐渐下降；根部含磷量在分蘖盛期、孕穗期含量较低，齐穗期和黄熟期因磷肥施用水平不同而有较大差异；根系活力大小及其强度、持续时间对磷在稻株体内的运移有较大影响[11]。小麦是对磷反应敏感的作物，施磷后，次生根条数增加，促进小麦对水分和养分的吸收。生长前期小麦吸收磷的强度和数量比较大，生殖期小麦籽粒中的磷主要来自抽穗前积累在茎叶中的磷，抽穗后从土壤中吸收的磷主要积累在小麦根部。对于棉花，棉株的茎作为疏导组织在棉花的生长过程中起重要作用，茎部磷活度相对较高[12]；虽然叶片中单位磷含量低于其他器官，但由于棉花叶片生物量占总生物量的比重较大，所以所有叶片的总磷量相对较高。进入生殖生长后，棉花的花、铃对磷素的吸收增强，棉株中磷素逐渐转移至繁殖器官。
3 施用磷肥面临的问题及发展趋势
尽管近年来磷肥在灌溉施肥中的应用逐渐增多，但是肥料用量大而利用率低的情况仍然存在。如在印度一些不发达的地区，灌溉施肥落实不到位，应用在农业中的灌溉方法不规范，政府规定的政策在地方上落实不到实处，灌溉施肥设备不完善等导致肥料不能得到充分利用，再者是未按照作物不同生长发育时期合理施肥，从而影响作物产量及产品品质。
目前我国农业生产中磷肥使用存在施用量大、利用率低等主要问题，而且我国农田土壤中磷素含量及其有效性在不同类型土壤中存在很大差异。磷肥过量施用增加了磷素水平径流和垂直淋洗的流失风险，是我国水体大范围发生富营养化现象的重要原因之一。由于磷肥的生产原料磷矿石中含有As、Cd、Cr、Hg、U等有毒、有害元素，又因重金属元素在土壤中不能被微生物降解，且移动性和淋失量较小，就会在作物种植过程中逐渐在耕层积累，进而影响农产品质量，危害动物和人类健康。一般磷肥中Cd含量较高，长期施用磷肥会导致土壤Cd含量升高。有研究显示，澳大利亚新南威尔士由于长期超量施用磷肥，部分种植蔬菜的农田土壤Cd含量增加了10倍以上。我国四川省白鳝泥耕作土壤连续15年施用过磷酸钙，土壤Cd含量增加了24.35%。
3.1 制约磷肥有效性的主要因素
影响土壤磷素有效性的因素十分复杂，凡是影响土壤化学过程的各种因素都会影响土壤不同形态磷之间的转化及其对植物的有效性，这些因素包括土壤理化性质、环境因子（温度和水分）、气候条件、地理位置、施肥方式和种植方式等。
土壤对磷的固定是磷肥低效利用的主要原因，磷肥中的水溶性或有效性磷施入土壤中后通过物理、化学和生物的作用而转化成低溶解度、有效性差的磷的过程称为磷的固定。磷有效性最高的土壤pH值为6.5 ~ 7.0，过低或过高均影响磷酸离子存在的形态与转化的有效性。磷肥在石灰性土壤中易转变成溶解度极低的磷酸钙盐，而在酸性土壤中则易形成磷酸铁或磷酸铝；生物固定是指土壤中的微生物吸收有效磷构成自身细胞体，而使磷不能被作物作用，从而降低磷肥的利用率。另外，土壤有机质数量及其分解状况、微生物的活动、温度环境等对磷肥的化学形态变化有较大影响。土壤越贫脊，固磷能力越强，有效磷含量就越低[13]。气候对土壤磷素的影响主要体现在温度和降水2个方面，降水丰富的地区，土壤水分也比较充足，施入磷肥后以有效态存在的比例较高，但水分过量时会影响土壤微生物的活性，进而影响到土壤磷素形态转化；温度是影响土壤微生物活性的主要因子，温度过高或过低都将抑制微生物活性，从而影响土壤磷素的有效性。早春低温或天气潮湿时作物容易出现缺磷症状，而天气变暖后缺磷症状消失，这种现象与温度、水分等气候条件的变化有很大关系。地理位置与温度、降水、母质类型等因素密切相关，不同区域的土壤理化性质有所差别；不同耕作制度下磷肥的不同施用方式也会影响土壤磷素的空间分布和形态转化[14]。
3.2 提升磷肥有效性的主要途径
为了解决磷肥利用率较低的问题，就需要根据不同土壤、不同作物、不同磷肥品种进行合理施用，由于土壤基础肥力也会影响到磷的有效性，故还可采用增施有机肥，氮、磷配合施用，以氮促磷，提高磷的有效性。要减弱土壤对磷的固定，就需要降低土壤中水溶性磷的浓度。即在保证作物对土壤磷吸收需求的前提下，降低土壤中水溶性磷浓度，如使用包膜控释磷肥；少量多次施入磷肥也是降低土壤磷固定的一个途径。在施肥过程中尽量采用水溶性磷肥，常见的有磷酸钙、磷酸铵和或重过磷酸钙。灌溉施肥是当今世界提高肥料利用率的有效方法。滴灌施肥尤为显著，它主要是借助滴灌系统，在灌溉的同时将肥料配兑成肥液一起输入到农作物根部土壤，可以精确控制灌水量、施肥量和灌溉及施肥时间。由于滴灌过程主要是根部灌溉，肥料也随水直接被输送到根系的周围，直接被作物吸收利用，极大地减少灌溉用水和肥料的投入，提高了水资源和肥料的利用率及养分的有效性。
4 结语
磷在作物生长发育中的重要作用是其它肥料元素无法替代的，随着农业生产的发展和作物产量的提高，对磷的需求量也随之增加，提升肥料利用率的重要性也越来越被重视。灌溉施肥可以把水分直接输送到根系周围被作物吸收利用，极大地减少灌溉用水和肥料的投入，且能提高水资源和肥料的利用率以及养分的有效性。因此，在今后的生产实践中，应充分发挥灌溉施肥技术的优势，扩大其应用范围。
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