魯振亞，候 杰，侯翠紅，王好斌

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 河南鄭州 450001； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193)

化肥被稱為糧食的“糧食”，化肥的施用對(duì)保障我國(guó)糧食安全做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，化肥對(duì)我國(guó)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為40%～60%[1-2]。但與此同時(shí)，化肥的不科學(xué)施用現(xiàn)象十分普遍，氮、磷、鉀肥施用過多，鈣、鎂等中微量元素施用不足等不僅造成資源浪費(fèi)、土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題，而且還對(duì)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)造成了嚴(yán)重影響[3]。鎂元素作為中量元素之一，在人體健康、動(dòng)植物體的正常生長(zhǎng)發(fā)育中都發(fā)揮著不可替代的作用，被稱為繼氮、磷、鉀元素之后的第四大營(yíng)養(yǎng)元素。

1 鎂的發(fā)現(xiàn)歷史[4-6]

鎂的發(fā)現(xiàn)歷史持續(xù)了100多年。1729年，德國(guó)化學(xué)家Hoffman發(fā)現(xiàn)硫酸與苦土反應(yīng)生成了發(fā)苦的水溶性鹽；1755年，英國(guó)科學(xué)家Joseph Black首次確認(rèn)了鎂是一種元素，并辨別了石灰中的苦土(MgO)；1789年，拉瓦錫在化學(xué)元素周期表中把鎂列為第12位元素；1792年，Anton Rupprecht通過加熱苦土和木炭制得了不純凈的金屬鎂；1808年，Humphry Davy通過電解MgO制得了純凈但非常少量的金屬鎂；1831年，法國(guó)科學(xué)家Brutus Bussy等通過氯化鎂和鉀制取了大量的金屬鎂；1904—1912年，Richard Willstatter證實(shí)了鎂是組成葉綠素的中心原子；1923年，煙草上出現(xiàn)缺鎂現(xiàn)象被首次提及；1930年初，McCollum等首次用鼠和狗系統(tǒng)觀察了動(dòng)物缺鎂反應(yīng)；1934年，首次發(fā)表了人體缺鎂的臨床報(bào)道，證實(shí)了鎂是人體的必需元素。

2 鎂的功能

2.1 鎂在維持人體、動(dòng)物健康方面有重要影響

鎂是人體所必需的礦質(zhì)元素之一，其含量位居第4位，僅次于Na、K和Ca[7]。鎂與健康的關(guān)系最早可追溯到1618年[5]，鎂在人體中控制著300多個(gè)酶的活化，在維持肌肉和神經(jīng)功能等方面有重要影響[8]。據(jù)有關(guān)研究表明，冠心病、血管疾病、肌肉痙攣、糖尿病等多項(xiàng)疾病的發(fā)生都與人體缺鎂有很高的相關(guān)性[7,9-11]。同時(shí)也有研究表明鎂對(duì)動(dòng)物有直接影響，鎂元素供應(yīng)不足，就會(huì)引起其功能紊亂，造成生長(zhǎng)遲緩、抽搐、水腫等癥狀[6]。

一個(gè)成年人體內(nèi)的鎂含量在20～28 g，屬于常量元素[7,12]。人體內(nèi)90%的鎂存在于鍵合結(jié)構(gòu)參與物質(zhì)的形成，如形成核酸、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、蛋白質(zhì)等。鎂在人體中的分布并不均勻，60%～65%的鎂分布在骨骼和牙齒中，27%的鎂位于肌肉細(xì)胞中，其余細(xì)胞中含有6%～7%的鎂[7]。鎂攝取量在7～10 mg/(kg·d)才能維持身體的健康[13]，但目前人們的飲食習(xí)慣、飲食結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人體鎂含量攝入不足，已有文獻(xiàn)報(bào)道西方社會(huì)有超過三分之二的人口鎂攝入量低于推薦值[14-15]，人體鎂營(yíng)養(yǎng)問題已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

2.2 鎂對(duì)植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用

鎂是植物體中第二大豐富的陽離子，是植物正常生長(zhǎng)所必需的中量礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一。鎂是葉綠素分子的重要組成部分，植物體中約有35%的鎂在葉綠體內(nèi)，直接影響著光合作用的正常進(jìn)行[16]。此外，鎂還參與其他物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的形成，在控制多種酶的活化、核苷酸和蛋白質(zhì)的合成、蔗糖韌皮部裝載、碳水化合物分配、能量代謝、活性氧代謝等方面均有非常重要的影響[17-20]，如果植物體內(nèi)鎂含量不足，植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育就會(huì)受到抑制，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。鎂元素除了在植物生理和生物化學(xué)等過程中發(fā)揮重要的作用之外，在緩解鋁毒脅迫、鹽脅迫和重金屬等非生物脅迫方面也有非常重要的作用[21-23]。

2.3 施用鎂肥能提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)

前人已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)、多種作物上證明了施用鎂肥可明顯提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。

在糧食作物方面，張書中等[24]通過對(duì)河南周口小麥的鎂肥肥效研究表明，底施硫酸鎂，小麥的增產(chǎn)幅度在4.3%～11.4%之間；丁玉川等[25]研究表明，與不施鎂肥相比，施用鎂肥的玉米增產(chǎn)2.98%～10.21%，玉米籽粒粗蛋白、總淀粉和總糖含量分別提高了9.96%～15.36%、2.41%～6.42%和8.52%～12.50%。林齊民等[26]通過田間和盆栽試驗(yàn)表明，在福建水稻施用鎂肥，稻谷精米率提高3.1%，粗蛋白和淀粉含量分別增加2.1%和4.7%。謝建昌[27]等在我國(guó)南方紅壤稻田和旱地上進(jìn)行的水稻試驗(yàn)表明，施用鎂肥的水稻平均增產(chǎn)5%～18%。

在經(jīng)濟(jì)作物方面，鎂肥增產(chǎn)提質(zhì)效果更加明顯。阮建云等[28]在浙江等地進(jìn)行的茶葉田間試驗(yàn)表明，施鎂平均增產(chǎn)5.7%，茶葉游離氨基酸含量增加1.2%～16.8%(平均增加7.0%)，這可能與施鎂顯著增強(qiáng)硝酸還原酶活性，從而改善對(duì)氮素的吸收和利用能力有關(guān)。丁玉川[25]等通過對(duì)大豆鎂肥施用效果研究表明，與不施鎂肥相比，施用鎂肥的大豆增產(chǎn)2.77%～9.04%，籽粒粗蛋白含量提高4.56%～7.52%。陳星峰等[29]研究表明，施用鎂肥有助于煙葉產(chǎn)量的提高，與不施鎂肥相比，施用鎂肥的煙草增產(chǎn)4.07%～4.46%，上等煙比例提高24.36%～29.51%，經(jīng)濟(jì)效益提高39.88%～45.60%。杜承林等[30]研究表明，在土壤交換鎂含量低于20 mg/kg的情況下，施用鎂肥的甘蔗增產(chǎn)47.1%～60.9%，辣椒增產(chǎn)15.9%～19.8%。黃鴻翔等[31]研究表明，大田施用鎂肥后，在紅壤旱地上黃豆、花生增產(chǎn)幅度最大，達(dá)25%～40%，其次是茶葉和烤煙，增產(chǎn)20%～25%。謝建昌[27]等在我國(guó)南方紅壤稻田和旱地上進(jìn)行的大豆鎂肥試驗(yàn)表明，大豆平均增產(chǎn)23.5%。余斌等[32]在十字花科蔬菜上的鎂肥肥效試驗(yàn)表明，與對(duì)照相比，施鎂處理增產(chǎn)8.14%～29.24%，而且綜合病株率降低17%。姚麗賢等[33]通過對(duì)廣東荔枝和沙田柚的鎂肥肥效研究表明，在土壤缺鎂條件下，施用適量鎂肥可使荔枝和沙田柚分別增產(chǎn)11.4%～33.3%和11.2%～15.3%，分別增收10.8%～37.5%和17.9%～24.1%。

綜上所述，鎂肥的效果在糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物上都得到了很好的驗(yàn)證，施用鎂肥可以實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)、提質(zhì)和增效。

3 存在的問題

鎂對(duì)動(dòng)植物和人體的正常生長(zhǎng)發(fā)育都具有非常重要的影響，由于人體對(duì)鎂的攝入不足，人體的健康受到了多種疾病威脅，所以增加鎂的攝入量顯得尤為重要。人體攝入鎂的途徑主要來自于食物，但又不得不面對(duì)如下問題。

(1) 作物自身的鎂含量在下降。Ficco等[34]研究表明，意大利現(xiàn)代選育的小麥品種鎂含量比1910—1974年間的小麥品種下降了12.5%。Mayer等[35]通過對(duì)英國(guó)蔬菜和水果中的鎂含量分析發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)80年代種植的蔬菜、水果中的鎂含量分別比20世紀(jì)30年代種植的蔬菜、水果下降了35%和11%。

(2) 磷肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致鎂的施用量減少。我國(guó)磷礦資源以膠磷礦為主，本身含有較多的雜質(zhì)，尤其磷礦中的鎂雜質(zhì)對(duì)高濃度磷肥的生產(chǎn)有不利影響[36]。隨著我國(guó)磷肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由低濃度向高濃度發(fā)展(圖1)，2015年磷酸銨的產(chǎn)量占磷肥總產(chǎn)量的82.7%，而在磷酸銨的生產(chǎn)中，必須對(duì)磷礦進(jìn)行脫鎂預(yù)處理。因此，磷肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化在一定程度上降低了鎂的應(yīng)用。

圖1 1960—2014年不同磷肥產(chǎn)品產(chǎn)量變化

(3) 受限于科學(xué)知識(shí)水平，農(nóng)民不施用鎂肥現(xiàn)象十分普遍。

(4) 土壤與作物缺鎂現(xiàn)象嚴(yán)重。白由路等[38]研究表明，我國(guó)有效鎂含量處于嚴(yán)重缺乏或缺乏狀態(tài)的土壤面積占21%，有54%的土壤需要不同程度地補(bǔ)充鎂肥，尤其是福建、廣東、廣西等南方地區(qū)。在小麥、玉米等糧食作物以及冬瓜、番茄、柑橘、葡萄等經(jīng)濟(jì)作物上缺鎂癥狀時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。

我國(guó)對(duì)鎂肥的需求量巨大，很多作物對(duì)鎂的需求量并不亞于對(duì)磷的需求量(表1)[38]，白由路等估計(jì)我國(guó)土壤對(duì)鎂的年需求量為9 840 kt(以氧化鎂計(jì))[37]。在我國(guó)土壤與作物缺鎂現(xiàn)象愈發(fā)普遍的大背景下，及時(shí)、合理地施用鎂肥顯得尤為迫切，如何快速實(shí)現(xiàn)鎂肥的大面積施用是解決我國(guó)缺鎂現(xiàn)狀面臨的首要問題。

表1 不同作物的需肥量 kg/t

4 常見鎂肥產(chǎn)品與主要用途

按照溶解性進(jìn)行分類，主要可分為水溶性鎂肥和枸溶性鎂肥。水溶性鎂肥主要包括硝酸鎂、硫酸鎂、氯化鎂、硫酸鉀鎂、螯合態(tài)鎂等，枸溶性鎂肥主要包括氧化鎂、白云石、鈣鎂磷肥等。

從鎂化合物主要用途來說[39]，氯化鎂主要用于建材、食品、化雪劑、醫(yī)藥、冶金等領(lǐng)域；氧化鎂主要用于高級(jí)潤(rùn)滑油、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域；氫氧化鎂主要用于生產(chǎn)中和劑、填充劑、阻燃劑等；碳酸鎂主要用于生產(chǎn)耐火材料、保溫材料等；用作肥料的鎂化合物主要有硫酸鎂、硫酸鉀鎂、鈣鎂磷肥等。

硫酸鎂可細(xì)分為七水硫酸鎂、一水硫酸鎂和無水硫酸鎂，水溶性好，易于被作物吸收，適合不同類型的土壤，可用作基肥、追肥和葉面肥，但在降雨量大的地區(qū)容易造成鎂淋洗或徑流損失[41]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤與作物缺鎂。

鈣鎂磷肥一般被認(rèn)為是磷肥，但其同時(shí)含MgO、CaO和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%～18%、25%～32%和25%～40%[3,41]，價(jià)值在一定程度上被低估。鈣鎂磷肥作為一種堿性多養(yǎng)分肥料，在改良土壤、養(yǎng)分供給、降低徑流淋洗損失等方面都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其在南方酸性土壤上的優(yōu)勢(shì)更加明顯[41]。但因環(huán)保壓力、生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新性不足、經(jīng)濟(jì)效益低等原因，致使鈣鎂磷肥未能得到較好的推廣應(yīng)用[42]。

5 發(fā)展與建議

鎂對(duì)人體健康、動(dòng)植物體的正常生長(zhǎng)發(fā)育都有著重要的、不可替代的作用，但由于國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂的認(rèn)識(shí)程度不足，鎂成為一種被忽視的元素[16,43]。在我國(guó)土壤和作物缺鎂現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重的大背景下，施用鎂肥迫在眉睫。為促進(jìn)我國(guó)鎂肥發(fā)展與快速施用，提出如下建議。

(1) 加強(qiáng)科學(xué)施肥知識(shí)普及，提高農(nóng)民對(duì)鎂營(yíng)養(yǎng)的認(rèn)知水平，加強(qiáng)鎂肥應(yīng)用推廣力度。

(2) 研究鈣鎂磷肥造粒技術(shù)。鈣鎂磷肥是農(nóng)民較認(rèn)可的肥料產(chǎn)品，但由于其呈粉末狀，導(dǎo)致施用不便，在一定程度上阻礙了其推廣和應(yīng)用。

(3) 對(duì)現(xiàn)有鎂肥產(chǎn)品進(jìn)行特性評(píng)價(jià)，建立鎂肥產(chǎn)品特性數(shù)據(jù)庫。我國(guó)幅員遼闊，不同土壤類型、不同作物、不同氣候條件下宜選用不同的鎂肥產(chǎn)品和施用方式，對(duì)現(xiàn)有的鎂肥產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品特性評(píng)價(jià)，可以為正確選用合適的鎂肥品種、施用方式以及新型鎂肥產(chǎn)品的研發(fā)提供理論支持。

(4) 進(jìn)行復(fù)混肥中添加鎂肥工藝研究與產(chǎn)品評(píng)價(jià)。復(fù)混肥是農(nóng)民最常施用的肥料，考慮到農(nóng)民對(duì)鎂肥認(rèn)識(shí)不夠、對(duì)鎂肥施用重視程度較低的問題，把鎂加入復(fù)混肥中可能是實(shí)現(xiàn)鎂肥大面積施用的較快、較有效的途徑之一。

(5) 創(chuàng)新適合未來農(nóng)業(yè)需求的新型鎂肥產(chǎn)品。南方地區(qū)土壤酸化嚴(yán)重，降雨豐富，是我國(guó)主要缺鎂地區(qū)。硫酸鎂等水溶性鎂肥雖然供鎂能力及時(shí)，但極易造成鎂的淋洗或徑流損失。氧化鎂等枸溶性鎂肥雖然能減少鎂的淋洗等損失，但供鎂能力可能無法滿足作物需求。所以，研制既能養(yǎng)分供應(yīng)匹配作物需求又能減少淋洗等損失的鎂肥新產(chǎn)品尤為重要。

(6) 加強(qiáng)鎂營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)理論研究。目前，鎂營(yíng)養(yǎng)的基礎(chǔ)理論研究較為薄弱，加強(qiáng)不同作物鎂與其他元素之間互作、配方配伍研究，可為研制適應(yīng)未來農(nóng)業(yè)需求的作物專用含鎂肥料新產(chǎn)品提供理論基礎(chǔ)。