叶面喷施镁肥：提升缺磷土壤花生产量的新型营养管理策略

《Journal of Agriculture and Food Research》：Foliar magnesium application: A new nutrient management strategy to enhance peanut yield in phosphorus-limited soils

本研究针对磷限制土壤中花生减产问题，通过叶面喷施镁肥的系统研究，发现镁可通过增强光合作用电子传递链活性、优化类囊体质子动力（PMF）分配，缓解低磷胁迫对光合机构的抑制，使花生产量提升4-13%。该策略为缺磷地区作物稳产提供了低成本、易推广的解决方案。

　　

在全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，花生作为重要的油料和经济作物，其可持续生产对保障植物蛋白和食用油供应至关重要。然而，花生种植常面临土壤磷匮乏的困境——全球超过三分之一的耕地存在有效磷不足问题，导致作物减产最高达40%。更严峻的是，磷肥利用率仅10-15%，过量施肥还会引发水体富营养化等环境问题。尤其对于花生这类需磷量高的豆科作物，其根瘤固氮过程高度依赖磷能代谢，磷短缺会直接抑制生物固氮效率和光合作用，形成“低磷-低光合同化-低产量”的恶性循环。

传统解决方案主要依赖增施磷肥，但磷矿资源不可再生且分配不均，迫使科研人员转向提高作物自身磷效率的新途径。其中，光合磷利用效率（PPUE，即单位叶片磷含量的光合速率）成为关键指标。近期研究发现，镁元素在光合作用中扮演着“能量桥梁”角色：不仅是叶绿素中心原子，更作为ATP合酶的关键辅因子，直接参与光能转化为化学能的过程。理论上，镁的补充可能通过激活光合机构功能，间接提升磷的利用效率，但这一假说在田间条件下的验证尚属空白。

针对这一科学问题，沈阳农业大学马明柱领衔的研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》发表最新成果，通过两年田间试验系统探究了叶面镁肥对缺磷土壤花生生长的调控机制。研究选取两种PPUE特性迥异的花生品种（高PPUE品种ICG4750和低PPUE品种ICG9249），设置磷充足（52.4 kg P ha^-1）与磷缺乏（0 kg P ha^-1）两个水平，并结合叶面喷施30 mM MgSO₄（M1）与清水对照（M0）处理，从光合生理、叶片超微结构及产量形成三个维度解析镁-磷互作机制。

研究团队综合运用气体交换测量系统（GFS-3000）、双通道调制叶绿素荧光成像系统（Dual-PAM 100）、紫外-可见荧光光谱等技术，监测了花生叶片的光合参数、光系统I/II活性、类囊体质子动力（PMF）组分变化等关键指标。试验在辽宁农科院试验田（土壤Olsen-P含量10.2 mg kg^-1，低于花生低磷胁迫临界值12.7 mg kg^-1）进行，所有数据经过三重复生物学统计验证。

3.1 叶面镁肥对花生生长和产量的影响

缺磷处理（P0M0）使花生株高、干物质积累量和叶面积分别降低19.5%、26.0%和15.5%，且根系-地上部比（R/S）显著升高，表明植株将更多资源投向磷吸收器官。叶面镁肥（P0M1）使上述指标恢复至磷充足处理（P1M0）的85%以上，其中高PPUE品种在“磷缺+镁补”条件下干物质积累量甚至超过低PPUE品种的磷充足处理。产量分析显示，镁肥使缺磷花生的百果重、百仁重和亩产提升4-7%，且高PPUE品种的增产幅度（13.3%）显著高于低PPUE品种（9.6%）。

3.2 叶面镁肥对叶片气体交换参数的影响

低磷胁迫导致净光合速率（Pn）、气孔导度（g_s）和蒸腾速率（Tr）分别下降28%、31%和22%，而胞间CO₂浓度（C_i）升高。镁肥处理后，Pn、g_s和Tr同步回升13-17%，Ci显著降低，说明镁首先缓解了气孔限制。值得注意的是，镁对光合的促进效应在磷缺乏条件下更为突出，表明其作用与磷营养水平密切关联。

3.3 叶面镁肥对光系统活性的调控

通过叶绿素荧光参数分析发现，低磷胁迫导致PSII最大光化学效率（Fv/Fm）降低0.12，实际量子产量[Y(II)]下降40%，同时非光化学淬灭[Y(NPQ)]升高2.3倍。镁肥处理使Fv/Fm恢复至对照的92%，并通过降低Y(NPQ)和Y(NO)（非调节性能量耗散）减轻光抑制。对PSI的监测显示，镁肥使受体侧限制导致的能量耗散[Y(NA)]降低34%，供体侧限制[Y(ND)]减少28%，从而提升PSI实际量子产量[Y(I)]至磷充足处理的88%。

3.4 光合电子传递与类囊体能量转换

光响应曲线表明，镁肥显著增强PSI和PSII的相对电子传递速率[ETR(I)和ETR(II)]，在强光下（1000 μmol photons·m^-2·s^-1）尤为明显。通过P515信号检测发现，低磷处理导致类囊体膜完整性受损，ATP合酶活性下降，表现为暗适应后P515信号快速衰减（膜泄漏）和照光后信号衰减缓慢（质子泵出受阻）。镁肥处理使类囊体质子动力（PMF）提升26%，其中膜电位（Δψ）组分增加19%，而质子梯度（ΔpH）降低14%，表明镁通过优化PMF分配减轻了类囊体过度酸化的光损伤风险。

本研究首次在田间尺度证实了叶面镁肥对缺磷土壤花生的“光合保护-产量提升”双重效应。其核心机制在于：镁一方面作为ATP合酶辅因子，促进质子跨膜运输转化为ATP；另一方面通过稳定类囊体膜结构，协调光系统间能量分配。这种“镁驱动-磷循环”的正反馈机制，为缺磷地区作物营养管理提供了新思路。研究还揭示了品种间响应差异：高PPUE基因型具有更强的镁助迫缓解能力，提示未来育种可结合PPUE特性与镁效率指标。尽管镁肥对产量的绝对提升幅度（4-13%）看似有限，但其成本仅为磷肥的1/5-1/3，在土壤有效磷低于12.7 mg kg^-1的产区具有显著经济生态效益。该成果为发展“基因型-营养管理”协同的可持续农业模式提供了理论依据和实践范例。