我们经常听到一个说法,“中国用全球9%的耕地养活了21%的人口,同时用掉了33%的化肥”。在化肥的“助攻”下,我们不会饿肚子,但是,如何在资源和环境压力下更好地利用化肥,正成为新的课题。比如“化肥三大件”(氮磷钾)中的磷肥,就面临着磷资源短缺、磷肥利用率低等问题。日前,中国科学院华南植物园的一项研究表明,在人们施加的无机磷肥中,只有约12.6%被植物吸收了,那些没有被利用的,它们又去哪儿了?
我们要怎样改变这种情况呢?
磷是构成地壳的矿物质之一,主要以磷灰石的形式存在,这种矿物含有较高的磷含量。随着地壳运动和风化作用,磷灰石逐渐释放出磷元素,进入土壤,成为植物可吸收利用的养分。在自然界中,磷是循环不息的,它从岩石到土壤,再通过植物吸收,最终回归大地。磷不仅是地质作用的产物,也是生物循环的重要的组成部分。
在生物体内,磷是构成DNA、RNA、ATP等生物分子的关键元素,对生物的生长和繁殖至关重要。磷在植物体内能量转换、细胞分裂、根系发展、花果形成和抗逆性方面扮演着重要的角色。如果缺少磷,植物会出现生长缓慢、叶片变暗、根系发育不良、开花和结果减少及叶片和茎变脆等现象。
随着人类对农业的依赖和对作物产量的追求,天然土壤中的磷含量逐渐不能满足作物生长的需求,必须要额外使用磷肥来提供植物生长所需的磷元素。
农业生产中使用的磷肥有两种:有机磷肥和无机磷肥。有机磷主要来源于动植物残体、有机废弃物等,通过微生物分解转化为植物可吸收的磷,可以说是最早被人们利用的磷肥。而化学合成的无机磷肥,其主要成分是磷酸盐,如磷酸二铵、磷酸一铵、过磷酸钙等。这些磷肥中磷以无机磷形式存在,容易被植物直接吸收利用。因此,相比有机磷肥,无机磷肥成本相对较低,施用效果快。
无机磷肥的使用,虽然极大地提高了农作物的产量,但也带来了资源短缺和环境污染的考验。世界磷矿储量近700亿吨,但是在地球上分布极不均匀,仅摩洛哥便占据全球储量的70%以上。人类对磷矿的消耗速度远远超过地球的成矿速度,全世界的无机磷肥年消耗量近2700万吨磷(约等于6000万吨磷肥)。一个非常可怕的事实是,参照目前全球对磷矿的需求,全球磷矿石的储量只够维持50至400年,这听起来比石油短缺还要急迫。
曾经依靠出口磷肥(主要是鸟粪)过得非常滋润的小岛国瑙鲁现在已经无磷可卖,国家经济因此陷入困境。我国磷矿资源不足全球的5%,却生产和消费了全世界近30%的磷肥,未来磷资源可持续利用的压力十分严峻。
为了缓解磷资源的供需矛盾和由此引发的环境问题,迫切需要深入认识无机磷肥在陆地生态系统中的去向和主要影响因素。
中国科学院华南植物园磷素研究团队首次基于宏数据分析方法构建了一个关于磷添加实验中磷肥去向的全球数据库,整理了磷肥在植物吸收、土壤滞留和淋溶流失方面的占比。基于此数据库,量化分析了施用磷肥的去向,即植物吸收的、储存在土壤中的及流失的磷肥占总施加的磷肥的百分比,并综合分析了不同地点磷肥去向差异的影响因素。研究发现,无机磷肥施入到土壤中主要有三大去向。
针对我国乃至全球无机磷肥利用率低、磷资源短缺问题,结合本研究,可以建议在未来磷肥施用过程中采取以下策略:适时适量施肥。根据植物需求和土壤肥力情况,合理确定施肥量;土壤pH的调整。在酸性或碱性土壤中,磷可能与土壤中其他元素结合,形成植物难以吸收的形式。通过调整土壤pH值至6~7的范围,可以提高磷的可利用性;改善土壤结构。增加土壤有机质,如堆肥和绿肥,可以改善土壤质地,促进土壤磷的释放和植物吸收。
结合改善肥料配方、微生物菌剂及先进的管理技术,让磷肥的利用更加精准高效,减少对环境的影响。