镁对作物增产提质的作用与面临的问题

The Effect of Magnesium on Crop Yield Increase and Quality Improvement and Current Problems

鲁振亚 Zhenya LU , 候杰 Jie HOU , 侯翠红 Cuihong HOU , 王好斌 Haobin WANG

1 郑州大学化工与能源学院河南郑州 450001 School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China 2 中国农业大学资源与环境学院北京 100193 College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

Author notes:

Correspondence to: 侯翠红，教授，博士生导师，主要从事磷资源利用与磷复肥技术研发；hch92@zzu.edu.cn

摘要：

研究表明，镁是动植物体所必需的营养元素之一，在人体健康、动植物体的正常生长发育中扮演着重要的角色。简要介绍了镁的发现历史、主要功能、常见镁肥产品与用途，并针对当前作物自身镁含量下降、磷肥产品结构变化导致镁的施用量减少、土壤与作物缺镁现象严重等问题，提出了我国未来含镁肥料发展、促进镁肥施用的建议。

关键词：

镁; 作物; 增产; 提质;

Abstract：

Studies have shown that magnesium is one of the essential nutrients in animal and plant, and it plays an important role in human health, the normal growth and development of animals and plants. The history of magnesium discovery, main functions, common magnesium fertilizer products and uses are briefly introduced. In connection with the current problems, such as the decrease of magnesium content of crops, the decrease of magnesium application caused by structural changes of phosphate fertilizer products, and the seriousness of magnesium deficiency in soil and crops, the proposal of future development of magnesium-containing fertilizers and promotion of magnesium fertilizer application in China is proposed.

Keyword：

magnesium; crop; yield increase; quality improvement;

化肥被称为粮食的“粮食”，化肥的施用对保障我国粮食安全做出了不可磨灭的贡献，据相关文献报道，化肥对我国粮食增产的贡献率为40%~60%^[1-2]。但与此同时，化肥的不科学施用现象十分普遍，氮、磷、钾肥施用过多，钙、镁等中微量元素施用不足等不仅造成资源浪费、土壤酸化、水体富营养化等问题，而且还对作物的产量与品质造成了严重影响^[3]。镁元素作为中量元素之一，在人体健康、动植物体的正常生长发育中都发挥着不可替代的作用，被称为继氮、磷、钾元素之后的第四大营养元素。

1 镁的发现历史^[4-6]

镁的发现历史持续了100多年。1729年，德国化学家Hoffman发现硫酸与苦土反应生成了发苦的水溶性盐；1755年，英国科学家Joseph Black首次确认了镁是一种元素，并辨别了石灰中的苦土(MgO)；1789年，拉瓦锡在化学元素周期表中把镁列为第12位元素；1792年，Anton Rupprecht通过加热苦土和木炭制得了不纯净的金属镁；1808年，Humphry Davy通过电解MgO制得了纯净但非常少量的金属镁；1831年，法国科学家Brutus Bussy等通过氯化镁和钾制取了大量的金属镁；1904—1912年，Richard Willstatter证实了镁是组成叶绿素的中心原子；1923年，烟草上出现缺镁现象被首次提及；1930年初，McCollum等首次用鼠和狗系统观察了动物缺镁反应；1934年，首次发表了人体缺镁的临床报道，证实了镁是人体的必需元素。

2 镁的功能

2.1 镁在维持人体、动物健康方面有重要影响

镁是人体所必需的矿质元素之一，其含量位居第4位，仅次于Na、K和Ca^[7]。镁与健康的关系最早可追溯到1618年^[5]，镁在人体中控制着300多个酶的活化，在维持肌肉和神经功能等方面有重要影响^[8]。据有关研究表明，冠心病、血管疾病、肌肉痉挛、糖尿病等多项疾病的发生都与人体缺镁有很高的相关性^{[7, 9-11]}。同时也有研究表明镁对动物有直接影响，镁元素供应不足，就会引起其功能紊乱，造成生长迟缓、抽搐、水肿等症状^[6]。

一个成年人体内的镁含量在20~28 g，属于常量元素^{[7, 12]}。人体内90%的镁存在于键合结构参与物质的形成，如形成核酸、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、蛋白质等。镁在人体中的分布并不均匀，60%~65%的镁分布在骨骼和牙齿中，27%的镁位于肌肉细胞中，其余细胞中含有6%~7%的镁^[7]。镁摄取量在7~10 mg/(kg·d)才能维持身体的健康^[13]，但目前人们的饮食习惯、饮食结构导致人体镁含量摄入不足，已有文献报道西方社会有超过三分之二的人口镁摄入量低于推荐值^[14-15]，人体镁营养问题已成为国内外关注的热点。

2.2 镁对植物的正常生长发育有重要作用

镁是植物体中第二大丰富的阳离子，是植物正常生长所必需的中量矿质营养元素之一。镁是叶绿素分子的重要组成部分，植物体中约有35%的镁在叶绿体内，直接影响着光合作用的正常进行^[16]。此外，镁还参与其他物质和结构的形成，在控制多种酶的活化、核苷酸和蛋白质的合成、蔗糖韧皮部装载、碳水化合物分配、能量代谢、活性氧代谢等方面均有非常重要的影响^[17-20]，如果植物体内镁含量不足，植物的正常生长和发育就会受到抑制，进而影响作物的产量与品质。镁元素除了在植物生理和生物化学等过程中发挥重要的作用之外，在缓解铝毒胁迫、盐胁迫和重金属等非生物胁迫方面也有非常重要的作用^[21-23]。

2.3 施用镁肥能提高作物产量与品质

前人已经在多个地区、多种作物上证明了施用镁肥可明显提高作物的产量与品质。

在粮食作物方面，张书中等^[24]通过对河南周口小麦的镁肥肥效研究表明，底施硫酸镁，小麦的增产幅度在4.3%~11.4%之间；丁玉川等^[25]研究表明，与不施镁肥相比，施用镁肥的玉米增产2.98%~10.21%，玉米籽粒粗蛋白、总淀粉和总糖含量分别提高了9.96%~15.36%、2.41%~6.42%和8.52%~12.50%。林齐民等^[26]通过田间和盆栽试验表明，在福建水稻施用镁肥，稻谷精米率提高3.1%，粗蛋白和淀粉含量分别增加2.1%和4.7%。谢建昌^[27]等在我国南方红壤稻田和旱地上进行的水稻试验表明，施用镁肥的水稻平均增产5%~18%。

在经济作物方面，镁肥增产提质效果更加明显。阮建云等^[28]在浙江等地进行的茶叶田间试验表明，施镁平均增产5.7%，茶叶游离氨基酸含量增加1.2%~16.8%(平均增加7.0%)，这可能与施镁显著增强硝酸还原酶活性，从而改善对氮素的吸收和利用能力有关。丁玉川^[25]等通过对大豆镁肥施用效果研究表明，与不施镁肥相比，施用镁肥的大豆增产2.77%~9.04%，籽粒粗蛋白含量提高4.56%~7.52%。陈星峰等^[29]研究表明，施用镁肥有助于烟叶产量的提高，与不施镁肥相比，施用镁肥的烟草增产4.07%~4.46%，上等烟比例提高24.36%~29.51%，经济效益提高39.88%~45.60%。杜承林等^[30]研究表明，在土壤交换镁含量低于20 mg/kg的情况下，施用镁肥的甘蔗增产47.1%~60.9%，辣椒增产15.9%~19.8%。黄鸿翔等^[31]研究表明，大田施用镁肥后，在红壤旱地上黄豆、花生增产幅度最大，达25%~40%，其次是茶叶和烤烟，增产20%~25%。谢建昌^[27]等在我国南方红壤稻田和旱地上进行的大豆镁肥试验表明，大豆平均增产23.5%。余斌等^[32]在十字花科蔬菜上的镁肥肥效试验表明，与对照相比，施镁处理增产8.14%~29.24%，而且综合病株率降低17%。姚丽贤等^[33]通过对广东荔枝和沙田柚的镁肥肥效研究表明，在土壤缺镁条件下，施用适量镁肥可使荔枝和沙田柚分别增产11.4%~33.3%和11.2%~15.3%，分别增收10.8%~37.5%和17.9%~24.1%。

综上所述，镁肥的效果在粮食作物和经济作物上都得到了很好的验证，施用镁肥可以实现作物的增产、提质和增效。

3 存在的问题

镁对动植物和人体的正常生长发育都具有非常重要的影响，由于人体对镁的摄入不足，人体的健康受到了多种疾病威胁，所以增加镁的摄入量显得尤为重要。人体摄入镁的途径主要来自于食物，但又不得不面对如下问题。

(1) 作物自身的镁含量在下降。Ficco等^[34]研究表明，意大利现代选育的小麦品种镁含量比1910—1974年间的小麦品种下降了12.5%。Mayer等^[35]通过对英国蔬菜和水果中的镁含量分析发现，20世纪80年代种植的蔬菜、水果中的镁含量分别比20世纪30年代种植的蔬菜、水果下降了35%和11%。

(2) 磷肥产品结构变化导致镁的施用量减少。我国磷矿资源以胶磷矿为主，本身含有较多的杂质，尤其磷矿中的镁杂质对高浓度磷肥的生产有不利影响^[36]。随着我国磷肥产品结构由低浓度向高浓度发展(图 1)，2015年磷酸铵的产量占磷肥总产量的82.7%，而在磷酸铵的生产中，必须对磷矿进行脱镁预处理。因此，磷肥产品结构的变化在一定程度上降低了镁的应用。

图 1

1960—2014年不同磷肥产品产量变化

(3) 受限于科学知识水平，农民不施用镁肥现象十分普遍。

(4) 土壤与作物缺镁现象严重。白由路等^[38]研究表明，我国有效镁含量处于严重缺乏或缺乏状态的土壤面积占21%，有54%的土壤需要不同程度地补充镁肥，尤其是福建、广东、广西等南方地区。在小麦、玉米等粮食作物以及冬瓜、番茄、柑橘、葡萄等经济作物上缺镁症状时常发生，严重影响了作物的产量与品质。

我国对镁肥的需求量巨大，很多作物对镁的需求量并不亚于对磷的需求量(表 1)^[38]，白由路等估计我国土壤对镁的年需求量为9 840 kt(以氧化镁计)^[37]。在我国土壤与作物缺镁现象愈发普遍的大背景下，及时、合理地施用镁肥显得尤为迫切，如何快速实现镁肥的大面积施用是解决我国缺镁现状面临的首要问题。

表 1

不同作物的需肥量 kg/t

作物	矿质营养
作物	N	P₂O₅	K₂O	CaO	MgO
大豆	81~101	18~30	29~63	23	10
花生	50~68	10~13	20~38	25.2	25.3
荔枝	13~16	6~9	17~21	6~9	3~6
菠萝	3.7~8.8	1.1~1.9	7.4~17.2	2.2	0.8
芒果	1.74	0.23	1.97	0.25	0.23
番茄	2.1~3.4	0.6~1.0	3.7~5.3	1.6~2.1	0.3~0.6
茄子	2.6~3.3	0.6~1.0	4.7~5.6	1.2	0.5
辣椒	3.0~5.2	0.6~1.1	5.0~6.5	1.5~2.0	0.5~0.7
大白菜	1.8~2.6	0.9~1.1	3.2~3.7	1.6	0.2
芹菜	1.8~3.5	0.7~1.6	3.9~5.9	1.5	0.8
胡萝卜	4.1~4.5	1.7~1.9	10.3~11.7	3.8~5.9	0.5~0.8
洋葱	2.0~2.4	0.7~0.9	2.2~4.2	1.2	0.3
黄瓜	2.8~3.2	0.8~1.3	3.6~4.4	2.3~3.8	0.6~0.7
西瓜	2.9	1.2	3.3	3.0	1.6
甜瓜	3.5	1.7	6.8	5.0	1.0

4 常见镁肥产品与主要用途

按照溶解性进行分类，主要可分为水溶性镁肥和枸溶性镁肥。水溶性镁肥主要包括硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、硫酸钾镁、螯合态镁等，枸溶性镁肥主要包括氧化镁、白云石、钙镁磷肥等。

从镁化合物主要用途来说^[39]，氯化镁主要用于建材、食品、化雪剂、医药、冶金等领域；氧化镁主要用于高级润滑油、食品、医药等领域；氢氧化镁主要用于生产中和剂、填充剂、阻燃剂等；碳酸镁主要用于生产耐火材料、保温材料等；用作肥料的镁化合物主要有硫酸镁、硫酸钾镁、钙镁磷肥等。

硫酸镁可细分为七水硫酸镁、一水硫酸镁和无水硫酸镁，水溶性好，易于被作物吸收，适合不同类型的土壤，可用作基肥、追肥和叶面肥，但在降雨量大的地区容易造成镁淋洗或径流损失^[41]，进而导致土壤与作物缺镁。

钙镁磷肥一般被认为是磷肥，但其同时含MgO、CaO和SiO₂质量分数分别为10%~18%、25%~32%和25%~40%^{[3, 41]}，价值在一定程度上被低估。钙镁磷肥作为一种碱性多养分肥料，在改良土壤、养分供给、降低径流淋洗损失等方面都有其独特优势，尤其在南方酸性土壤上的优势更加明显^[41]。但因环保压力、生产工艺技术和产品创新性不足、经济效益低等原因，致使钙镁磷肥未能得到较好的推广应用^[42]。

5 发展与建议

镁对人体健康、动植物体的正常生长发育都有着重要的、不可替代的作用，但由于国内外对镁的认识程度不足，镁成为一种被忽视的元素^{[16, 43]}。在我国土壤和作物缺镁现象愈发严重的大背景下，施用镁肥迫在眉睫。为促进我国镁肥发展与快速施用，提出如下建议。

(1) 加强科学施肥知识普及，提高农民对镁营养的认知水平，加强镁肥应用推广力度。

(2) 研究钙镁磷肥造粒技术。钙镁磷肥是农民较认可的肥料产品，但由于其呈粉末状，导致施用不便，在一定程度上阻碍了其推广和应用。

(3) 对现有镁肥产品进行特性评价，建立镁肥产品特性数据库。我国幅员辽阔，不同土壤类型、不同作物、不同气候条件下宜选用不同的镁肥产品和施用方式，对现有的镁肥产品进行产品特性评价，可以为正确选用合适的镁肥品种、施用方式以及新型镁肥产品的研发提供理论支持。

(4) 进行复混肥中添加镁肥工艺研究与产品评价。复混肥是农民最常施用的肥料，考虑到农民对镁肥认识不够、对镁肥施用重视程度较低的问题，把镁加入复混肥中可能是实现镁肥大面积施用的较快、较有效的途径之一。

(5) 创新适合未来农业需求的新型镁肥产品。南方地区土壤酸化严重，降雨丰富，是我国主要缺镁地区。硫酸镁等水溶性镁肥虽然供镁能力及时，但极易造成镁的淋洗或径流损失。氧化镁等枸溶性镁肥虽然能减少镁的淋洗等损失，但供镁能力可能无法满足作物需求。所以，研制既能养分供应匹配作物需求又能减少淋洗等损失的镁肥新产品尤为重要。

(6) 加强镁营养基础理论研究。目前，镁营养的基础理论研究较为薄弱，加强不同作物镁与其他元素之间互作、配方配伍研究，可为研制适应未来农业需求的作物专用含镁肥料新产品提供理论基础。

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