6月23日，在第十二届中国国际新型肥料展览会同期举办的FSHOW土壤改良与根系发育论坛上，中国科学院南京土壤研究所研究员王火焰以《作物根际过程与养分高效利用》为题作了精彩报告。
以下是王火焰研究员演讲精编（部分内容有删减），文末附演讲视频。
演讲人：王火焰 中国科学院南京土壤研究所研究员
编 辑：FSHOW组委会
来 源：肥料国际贸易（ID：FertilizerTrade）
中国科学院南京土壤研究所研究员 王火焰
今天下午主要讲根系的部分，围绕作物的根际过程与养分高效利用，跟大家交流一下。
报告主要讲三个方面，第一部分讲根际过程与养分吸收，第二讲养分高效利用，第三浅谈土壤改良与连作障碍。
植物从周围介质中吸收养分，首先需要明确的是养分主要通过根系来吸收，叶面不是主要的。根系吸收养分，养分从木质部上去，又有一部分从韧皮部下来，木质部相当于动脉，韧皮部相当于静脉，形成内部的养分循环。
根系有一部分叫质外体空间，养分可以自由扩散；还有一部分养分需要跨膜运输，养分通过凯氏带以后进入共质体。根系吸收养分，跨过原生质膜，这个过程中是要消耗很多能量的，哪怕是水分跨过原生质膜，都需要一些通道、载体、离子泵等运输机构。
离子通道、载体、离子泵三个类型的运输通道，是在原生质膜广泛存在的，不同的类型的物质通过的机制不同。
植物内养分的浓度，绝大部分远远高于土壤溶液里面的养分浓度，包括根系。氮、磷、钾等都是逆浓度梯度的富集，从化学的角度来讲，这个过程是要消耗能量的。所以对植物而言，活的根系才能吸收养分，死的根系不但不能吸收，反而会把体内已有的养分释放出来。
那么这个过程植物是怎么实现的呢？
植物如何吸收阳离子？首先通过质子泵将质子外排，将细胞膜外的电势升高，同时这也促进了根际土壤酸化，这个酸化是驱动阳离子扩散进入细胞的简单的过程。电化学梯度对离子运输非常重要。
因此大家要重新理解土壤酸化的原因，即任何植物生长都会导致土壤酸化，哪怕是在碱性土壤上，在看不出来的情况下，酸化都在发生。
讲这些的目的是要说明，质膜外酸化是细胞逆浓度吸收养分的动力，没有这一“酸化”过程，植物就没办法有效的吸收养分。
质子ATP酶具有多种功能，不只是对根际的，地上部分的养分运转、物质的跨膜运输、营养物质从“源”到“库”的运输等很多过程都要有它的参与。所以我们说土壤pH值及它所触动的这些电化学势的变化对生命过程极其重要。人类也一样，人体细胞的pH值都是一个严密的、维持得非常好的一个系统。
植物主要吸收阳离子或阴离子态的矿质养分，C、H、O主要来源于空气和水，不属于矿质养分；一些有机小分子营养可被根系吸收，但量小非必需。
我们要做养分高效吸收、高效利用，要从哪些方面入手？一个是吸收效率，一个是利用效率。
都在讲我们国家磷肥、钾肥、氮肥利用率平均30%-40%，这里面有一个很大的问题，上次报告我也讲过，我们把化肥利用率算错了。
土壤对磷的固定，大部分人觉得是坏事，但我要说是好事，如果土壤不能固定磷，那么磷就会像氮肥一样，施进去马上就流失掉。土壤固磷是有好处的，它有一定的缓冲性，大家不要以为固定的磷就是化石，并不是的，作物的根际周围都能把固定的磷活化出来。
养分利用效率的重要性是远远高于养分吸收效率的。利用效率与吸收量呈反比，吸收同样的磷，通过提高利用效率而产生更多的经济效益，这是值得我们去攻克的。
吸收效率更多的时候是用来判断需要向土壤中施入多少肥料，相比之下吸收效率的重要性远远没有那么重要。这是我的一点个人观点。
那么我们先讲一下如何提高养分的吸收效率。讨论养分吸收效率的影响因素，与根系相关的因素都被包括进去了，根类型、数量、构型、活力和根际过程决定养分吸收效率。
首先看根的类型，根多和根少。对于难以移动的元素，比如说磷肥，根多了它吸收的好，很少就不易吸收，影响很大；对于容易移动的元素，根多根少影响就没有那么大，少量的根系吸收一部分养分就够了。
还有根的构型，有些根平着长，地上部分的养分就容易吸收，有些根的构型往下扎，深层的养分吸收的就要多一点儿，水分也会多一些点。
在我们的种植体系里面，尤其是单一作物种植体系下，我们要了解这个作物的根，才能够知道它吸收的养分来自于什么土层。
还有一点：根毛对养分吸收效率的贡献很大。根毛很细很短、寿命不长，它是不断调整的。但是它对磷等迁移性比较弱的阳离子养分的吸收贡献极大。尽管阳离子养分的水溶性一般都很好，但土壤里面带有很多的负电荷，这些阳离子是很容易被土壤吸附固定的，所以水溶性好不代表它在土壤里面扩散的快，不代表容易吸收利用。土壤是一个复杂的基质，所以有没有根毛的作物，他的吸收利用效率是不一样的。
根系还有一点很重要：就是他的活力。老根和新根活力是不一样的，黑根和白根的生命力也是不一样的，新根、白根的活力更强。
下面我们再讲讲根际，根际的范围实际上只有几毫米，但这个空间很重要。根际（Rhizosphere）是指受植物根系活动的影响，在物理、化学和生物学性质上不同于土体的那部分微域土区。离根轴表面数毫米范围内，土壤的pH值、氧化还原电位、微生物活性、无机与有机物质等都不同于土体土壤，在远离根表的径向及根基到根尖的纵向都存在差异。
土壤中养分的形态是我们做养分调控所必须要关注的。根系吸收土壤养分，理论上主要有三个途径，质留、截获和扩散。
有些养分难以移动，对这些难以移动的养分，被作物根系吸收，养分耗竭的范围很窄，只有靠近根表很近的一部分能被吸收；对于容易移动的养分，溶于水后，很快就会被吸收耗尽，养分耗竭范围大。
不同迁移方式对植物养分吸收的贡献是不同的，土壤溶液浓度高的元素（钙、镁、硝、硫等）质流量大，土壤溶液浓度低的元素（磷、钾、铵等）以扩散为主。
根际养分浓度直接影响养分的吸收速率。植物对于根际范围内的不同养分的浓度的反应是不同的，大量元素，这一范围通常比较宽，比如钾；但对有些元素，这个范围是非常窄的，比如大多数微量元素，微量元素从“缺乏”到“中毒”这个范围非常窄。养分吸收是有不同的系统机制的，当养分浓度低的时候，它采用高亲和系统，当养分浓度较高时，则采用低亲和系统。
但任何东西都有成本代价，在低范围内，作物吸收这些低浓度的养分，是主动吸收，需要消耗很多能量；在养分浓度高的时候，养分通过扩散就可以进入根系，就不需要消耗那么多碳水化合物，养分能够充足的供应，这个过程不需要消耗能量。
我们要提高作物的产量，就要尽量让作物的根系少消耗能量。
还有一点，根际的养分浓度是经常变化的，有些元素富集，有些亏缺。作物生长要吸收大量的水分，作物所需要吸收的养分的量与水分带来的离子量之间有差值。如果养分含量太高，有些养分离子就会在根际累积，甚至产生胁迫效应；如果养分含量太低，截获＋质流＋扩散＜吸收量，这时它就会造成养分亏缺。
土壤溶液中含量较高的养分如Ca2+、NO3-、SO42-、Mg2+等易累积；石灰性土壤中的钙，盐渍土中的盐份易在根际积累；土壤溶液中的浓度低、难以移动的养分如H2PO4-、NH4+、K+和一些微量元素Fe2+、Mn2+、Zn2+等易在根际出现亏缺。
根际养分的浓度受多种因素的制约，将来做养分调控要重点关注养分浓度，而不是总量。影响浓度的有多重因素，土壤的缓冲性能是一个主要的方面。
我们做电化学的要知道不同矿物类型，但在生产实践中，你只需要知道这个土是板结的、黏的还是沙的。黏的土壤上，它的缓冲能力比较强，但养分的强度上不来；在沙土上养分强度够了，但是缓冲力又不够。
很多因素都会影响根际养分浓度，其中最关键的是施肥和灌溉，水多了，养分就稀了，可能造成浓度不够；水少了，养分浓度够了，又有可能造成干旱胁迫，这些都是生产实践中需要考虑的。
根际养分互作也会影响养分的有效性，这涉及到养分间的拮抗与协同作用。作物根际吸收的养分，阳离子与阳离子之间是有竞争的，阴离子与阴离子之间也是有竞争的，就会产生拮抗作用。但阴离子+阳离子，通常协同作用比较好，所以硝酸钾是好东西。
下面讲讲根际pH值，对大部分作物而言，pH值在5-6之间是比较适宜的，且养分的有效性也是比较高的。pH值影响到质膜质子泵的功能，膜外的pH值太高、太低，电势梯度就不能有效的形成，对作物的生长有都会有很大的影响。
那么pH值受哪些因素影响？土壤酸化是怎么形成的？
首先土壤pH值与我们供应的阴阳离子形态有关，施用硝态氮，pH值马上就上升，施用钾离子，pH值就下降，这是电荷的平衡。所有植物吸收的阳离子量一定多于阴离子，因为植物体内有相当一部分的阴离子来自于碳水化合物合成过程形成的果胶、纤维素及多种多样的有机酸等。植物的生长过程就是在土壤里把碱拿走，最后留下酸，无论什么植物生长，最后都会导致酸化。
以上是第一部分，要研究根系、根际、根土互作、根肥互作，这对我们的农业和生态是尤为关键的。
接下来讲养分高效利用的过程，所有影响根系生长的要素都会影响养分的有效性。养分吸收需要直接或间接地消耗能量，所有影响呼吸作用的因素都会影响离子的累积。
高效施肥、养分高效利用的关键因素是什么？“4R”理论已经提出好多年了，我们现在最欠缺的是对适宜的施肥位置的认识不够，对养分浓度的认识不够，这两点尤其关键。
所以我提出要根区施肥，只有根区施肥才能实现科学施肥的理想目标。如果整个土层施肥，要施很多很多的肥料还感觉养分不够，就是因为我们根系接触的面很小。
随着产量越来越高，短时间内需要消耗大量的养分，如果早中期都给它充足的养分供应，作物肯定能长的更好。
在大田作物上，我们做了很多实验，实际上我们现在的施肥没有把作物的高产潜力发挥出来。反而是由于肥料没施好，一些负面作用让人们觉得一定要节肥，实际上节肥是有空间，但未来要达到产量更高，化肥用量可能还要更多。
举个例子，我们把同等用量的磷肥，与不同比例的土壤混合，效果显示，与10%土壤混合的效果最好。
我们将来一定要改进施肥方法，在这个基础上再去调配方、用量，其他问题迎刃而解。
根区施肥，要以穴施为主，经济作物要另当别论，大田作物主要以穴施为主。形成根包肥，这样肥料就很难损失。局部施肥好于传统施肥，这个观念大家一定要重视。
如何评价施肥系统是否合理？就是要尽可能保证肥料投入和养分带走应该是平衡的，作物带走多少养分，以这个为底线，再加上损失量，计算出合理的施肥量。如果每季作物的施肥量都远远超过吸收养分量，就是有严重问题的。
我们做一次施肥，玉米上面，我们的氮肥损失率降的很低。
我们在江西做一次施肥，氮、磷、钾都穴施，水稻两季的产量可以超过三季的产量，我们的施肥方法还有很大的改进空间。根区施肥养分大部分都被作物吸收了，撒肥的只有20%-30%被吸收，大部分都损失掉了。
下面再讲讲土壤改良与连作障碍。首先将土壤障碍大致分个类，在这些不同的情况下怎么解决，难易程度是不一样的。这些障碍在短时间内如果一两袋调理剂、一两袋化肥能解决的事情都不是难题，反而是那些投入很多，很长时间才能解决的问题才是真正的难题。
谈谈对连作障碍的几点认识，有机质和微生物在植物营养上的功能起的是间接作用；土壤有机质的作用很重要，但有机质提到一定程度就提不上去了，加多少分解多少，我们一定要找出颠覆性的方法。比如生物炭，它不降解，主要改良物理性质。
对有机质的关注一定要有准确的认识，什么情况下有用，什么情况下作用不大。做土壤调理剂、做生物刺激素也一样，要说明什么情况下可以不用，如果任何情况下都能用是不行的。
关于微生物，应该归为生物刺激剂领域，要将其作用机理研究清楚。
连作障碍，如果说是酸化、盐渍化，这个是化肥没用好，完全可以解决，肥料添加剂、增效剂、包括各种各样的生物刺激素未来会有非常好的发展方向，尤其是微生物，我们要降减肥减药是必须的，但怎么降是个问题，靠生态之间的调整来减少用量有很大空间。
减肥药有一个底线，作物生产所带走的，一定要还回来。一两季少施一点肥没问题，但是长时间施肥不足一定是不行的。
同时，各种肥料添加剂、增效剂，功能要与养分的功能进行区分，包括有机肥、微生物，这些东西有用，但作用机理不一样。
关于盐渍化，在一个封闭的体系内，能够实现各种离子循环下去，而不是残留在体系内，这样才是最好的解决方案。
土壤改良，全土改良代价很高，局部改良未来可能有很大的空间，包括灌根，把局部的一部分根救过来，这个作物也能生长好。
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