通过植物生物刺激剂提高养分利用效率

上世纪下半叶发生的被称为 "绿色革命 "的全球农业生产方式变革取得了巨大成果，由于大量使用化肥，满足了全世界许多人对食物的需求。

虽然农业生产率提高了，但这种高化学投入的方法产生了多种环境损害，并导致了气候变化。农业部门别无选择，只能进行一场绿色革命，这意味着采用可持续的做法提高作物产量和质量，并减少环境足迹。

在世界范围内，我们正经历着原材料的短缺和物流的困难，这将延迟和提高商品的价格。

在这种情况下，可持续的施肥管理对于提高种植系统的整体性能至关重要，它可以为作物提供经济上最理想的营养，同时最大限度地减少田间的营养损失，并通过提高营养物质利用效率（NUE）来支持农业系统的可持续性。

营养物质利用效率

NUE 似乎是一个简单的术语。然而，由于潜在养分来源的数量（土壤、肥料、粪便、大气（空中沉降）等），以及影响作物养分需求的众多因素（作物管理、遗传、天气），一个有意义的、可操作的定义具有相当的复杂性。

NUE的六个常见措施（根据Dobermann，2007）。

1.部分要素生产率（PFP ）是一个简单的生产效率表达，以每单位养分施用的作物产量为单位计算。

PFP= Y/F

Y=施用营养剂的作物收获部分的产量
F=施用营养剂的数量

2.农艺效率（AE） 是以每单位养分施用的产量增加为单位计算的。它更能反映出施用肥料对生产的直接影响，并与经济收益直接相关。计算AE需要了解没有养分投入时的产量，因此只有在农场实施零养分投入的研究地块时才能知道。

AE=（Y-_Y0）/F

Y=施用营养剂的作物收获部分的产量
_Y0=未施用营养剂的产量
F=施用营养剂的数量

3.部分养分平衡（PNB） 是养分回收效率的最简单形式，通常表示为每单位养分投入的养分产出（"去除与使用 "的比率）。比较少见的是报告为 "产出减去投入"。

PNB=_UH/F

UH=作物收获部分的养分含量
F=施用的养分量

4.表观恢复效率（RE） 是NUE表达中比较复杂的形式之一，最常见的定义是施肥和未施肥的作物在地上部分的养分吸收量相对于施肥量的差异。它通常是科学家研究作物养分反应的首选NUE表达方式。与AE一样，它只能在没有养分的地块上进行测量，此外还需要测量作物中的养分浓度。

RE=（U-_U0）/F

U=施用养分后地上作物生物量对养分的总吸收量
_U0=不施用养分后地上作物生物量对养分的吸收量
F=施用养分的量

5.内部利用效率（IE） 被定义为与总养分吸收有关的产量。它随基因型、环境和管理而变化。非常高的IE表明该营养物质的缺乏。IE低表明由于其他胁迫（其他营养物质的缺乏、干旱胁迫、热胁迫、矿物毒性、虫害等）导致内部养分转化率低。

IE= Y/U

Y=施用养分后作物收获部分的产量
U=施用养分后作物地上部分生物量对养分的总吸收量。

6.生理效率（PE） 被定义为与作物对植物地上部分养分的吸收量增加有关的产量增加。与AE和RE一样，它需要一个没有施用相关养分的地块在现场实施。它还需要测量作物中的营养物质浓度。

pe= (y-_y0) / (_u-u0)

Y=施用养分的作物收获部分的产量
_Y0=未施用养分的产量
U=施用养分的地上作物生物量的总养分吸收量。
_U0=未施用养分的地上作物生物量的养分吸收量。

六种常见的价值衡量标准

从农民的角度看问题

从农民的角度来看，在不忽视低NUE对环境影响的情况下，将这一指标与作物产量联系起来是特别有意思的。在这种情况下，NUE通常被定义为每单位土壤和肥料中的养分所产生的可收获产品的产量。它是两个生理因素的产物。

I.养分吸收效率，定义为作物每单位可用养分所吸收的养分量。

II.养分利用效率，定义为作物每单位可利用的养分所吸收的养分量。

NUE = 产量/供应或可用的营养素

NUE = 氮素吸收效率 x 氮素利用效率

氮素吸收效率=植物中的氮素含量/供应或可用的氮素含量

氮的利用效率=植物中的产量/N含量

这种细分可以评估哪些现象会降低NUE，从而了解在营养吸收或利用方面是否存在任何限制。

生物刺激剂是如何改善NUE的？

植物生物刺激剂通过提高营养物质的吸收和利用效率来提高净值。

营养供应

例如，在用蛋白水解物（PHs）处理的土壤中，植物吸收的营养物质的生物利用率提高了。

(1) 形成金属氨基酸/肽，防止养分不溶解（铁、锌、锰、铜）；
(2)由于一些氨基酸的还原剂活性，将微量营养素还原成更容易被植物吸收的形式（如Cu2+到Cu+或Fe3+到Fe2+）；
(3) 刺激有益微生物，如固氮菌、营养物质溶解菌/真菌。

另外，有益微生物有能力通过不同的方式改善植物吸收的营养供应。

(1)增加植物根系可利用的土壤体积
(2)向植物提供氮
(3)植物养分的溶化

营养物质的吸收

PHs可以通过以下方式加强营养物质的吸收。

(1) 促进细根的生长 ，从而提高根部吸收养分的能力；
(2) 刺激参与养分吸收的根部酶 （如铁螯合还原酶的活性）；
(3) 上调养分运输器 （如硝酸盐运输器）的编码基因 。此外，由于金属-氨基酸/肽复合物的形成，PHs可以增加微量营养素在植物体内的转移。

营养物质的同化

大量的研究表明，微生物和非微生物生物刺激剂上调了参与植物同化无机营养物质（如硝酸盐）的酶的编码基因。

生物刺激剂可增加收入：实验数据

非微生物和微生物植物生物刺激剂可能会积极影响养分利用效率（NUE），特别是氮（N），它是限制植物生长的最重要的宏观营养素之一，也是农民的主要成本之一。已经进行了一些实验来测量施用植物生物刺激剂后氮利用率的提高。

Carrillo等人3证明，每周叶面喷洒一种豆科植物衍生的蛋白水解物，即使在次优的氮肥水平（0和15公斤/公顷的硝酸铵氮）下，与未处理的菠菜植物相比，其可销售的产量也会增加（+33%和+24%）。这与小肽的存在有关，小肽作为信号分子在叶子和根部激发辅助素和/或类似赤霉素的活动，从而诱发 "营养获取反应"，增强营养的获取和同化。在本实验中，叶面施用蛋白水解物在所有的氮肥施用量下都增加了NUE，最高值为+25%，在较低的氮肥施用量（15千克/公顷）下，对照组的NUE为0.56，生物刺激剂处理为0.70。

Rouphael等人⁴，通过应用微生物（Trichoderma virens）和非微生物生物刺激剂（含有氨基酸、肽和维生素的植物生物聚合物）的协同作用，证明了在温室生菜上生长的三种氮条件：次优、最优和超优（0、70和140千克/公顷）。在非施肥条件下生长的生菜显示，当单独接种T. virens时，可销售的产量增加（45%），而同时使用微生物和非微生物生物刺激剂时，产量增加更多（67%）。植物生物刺激剂的有益效果在最佳氮素条件下不太明显，在豪华氮素条件下不存在。作者的结论是，根据温室生菜植物新鲜产量和NUE的提高，用植物生物刺激剂处理不仅改善了叶绿素的合成和矿物质状态，还改善了抗氧化代谢物的合成和积累，这些抗氧化代谢物负责重新激活光合作用活性，从而提高农艺性能。

迫切需要减少合成肥料的使用，同时提高净利用率和最大限度地提高作物生产力，这对现代农业是一个巨大的挑战。此外，全球范围内商品价格的上涨使我们需要实施农艺战略，以减少化肥的使用剂量，同时保障作物的生产力和农民的收益率。由于植物生物刺激剂能够直接或间接地提高作物的养分利用效率，特别是在养分供应不足的情况下，它代表了一种促进可持续农业生产的有希望的战略。