農田土壤潛在有效磷的轉化與利用研究進展

劉 路， 沈 浦， 張繼光， 吳正鋒， 石程仁， 王才斌

(1.山東省花生研究所/國家花生工程技術研究中心， 山東 青島 266100； 2.青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109； 3.中國農業科學院 煙草研究所， 山東 青島 266101)

磷是作物生長發育的必需營養元素之一[1]。當磷素供給過量時，植株會過量吸收，造成鋅、錳元素的代謝紊亂，致使作物的產量和品質降低；磷素供給不足時，其植株矮小、生長發育受限；磷素供給適宜時，還可增強作物的抗旱抗寒能力。我國農田土壤的缺磷及磷浪費現象比較嚴重，大田生產中磷肥利用率僅10%～20%[2-3]。一方面，作物缺磷主要是由于土壤有效磷含量不足；另一方面，施入土壤的大量磷素在土壤中以無效態儲備起來。因此，合理地供給作物生長發育所需的磷素，是當前養分資源管理中的一個熱點問題。土壤中存在大量不能被作物直接吸收利用，而需要活化后才能被其吸收利用的磷，稱為土壤潛在有效磷，或次效磷/緩效磷。這部分磷素作為次級有效態存在，在土壤有效態磷素耗竭時便會經過物理解吸、化學釋放、生物分解等過程釋放出有效態磷；同時在一定的環境條件下，又可通過物理吸附、化學固定、生物固持等進一步被鈍化成更難利用態磷。土壤潛在有效磷可對應Hedley分級方法中經過碳酸氫鈉提取后，可被氫氧化鈉溶液和稀鹽酸溶液提取的磷[4]。一般而言，土壤全磷含量越高，潛在有效磷就越多[5]。農田土壤潛在有效磷的變化主要受外源磷的影響，外源磷投入量越大，潛在有效磷累積越多。土壤類型、母質、氣候和人為管理措施等也影響著潛在有效磷的變化[6-7]。農田土壤中蘊藏著大量的、可再循環利用的磷，全磷含量一般為0.5～1.0 g/kg，潛在有效磷含量約占15%～25%。當前，在磷資源消耗加快、磷肥利用率低的背景下，如何促使土壤潛在有效磷得到進一步轉化和利用已成為當前研究的難點問題。為農田土壤磷素管理和合理利用提供依據，從轉化機制、影響因素和高效利用措施等方面對農田土壤潛在有效磷的轉化與利用研究進展進行了概述，同時結合農業實踐，提出了提高磷素的再循環利用途徑，并對下一步研究進行了展望。

1潛在有效磷的轉化機制及其影響因素

1.1轉化機制

從農田土壤磷活性看，潛在有效磷的轉化包括活化和鈍化2個過程，前者向有效磷含量增多方向變化，而后者向難利用態磷轉化，這些過程伴隨著磷素的物理、化學和生物學變化，常受土壤性質及環境等各方面因素的影響。潛在有效的轉化機制包括物理機制(吸附-解吸)、化學機制(固定-釋放)和生物機制(固持-分解)(圖1)。

圖1土壤有效磷與潛在有效磷之間的轉化機制

Fig.1 Transformation mechanisms of available P and potentially available P in soils

1.1.1物理機制(吸附-解吸)土壤中有效態的磷酸鹽離子(H2PO4-或HPO42-)易被土壤顆粒表面吸附，變成植物難以利用的狀態，使得潛在有效磷含量增加[8]。這種陰離子的交換吸附主要通過靜電作用產生，沒有專一性，其中的磷酸鹽離子可以被其他離子替換而解吸出來，成為有效態磷[9-10]。有研究表明[11]，充足的土壤水分有利于提高磷素的有效性，土壤濕度維持在田間持水量有利于磷的釋放。當溫度升高、水分增多、土壤松散時，有利于磷酸鹽離子的擴散。

1.1.2化學機制(固定-釋放)我國南方土壤中含有大量的無定型的氧化鐵和氧化鋁，對磷有極強的吸附固定作用，土壤中磷酸鹽離子容易形成鐵鋁磷化合物，易使有效磷變成難溶性磷；而北方石灰性土壤中存在碳酸鈣和碳酸鎂對磷的固定，形成鈣鎂磷化合物[12-14]。土壤磷酸鹽被不溶性的鐵(鋁)質或鈣質膠膜所包被，導致其失去有效性而發生閉蓄作用，潛在的有效磷含量增加。夏鳳禹等[15]研究表明，調節土壤酸堿狀況能夠有效地釋放出有效磷，當土壤pH為6～7時，土壤中的鐵/鋁和鈣/鎂等元素對磷素的固定作用最小。在缺磷的石灰性土壤中種植白羽扇豆會分泌大量的檸檬酸，致使其二鈣磷、八鈣磷和閉蓄態磷的含量增加，而鈣磷、鐵磷和鋁磷含量下降[16]，引起根際土壤酸化，土壤磷的擴散系數顯著提高，從而大大提高根際土壤中磷的有效性。另一方面，土壤氧化還原狀況能夠改變土壤中與磷酸陰離子結合的某些陽離子的價態，從而影響磷的有效性。一般而言，土壤淹水后Fe3+還原成Fe2+，土壤閉蓄態磷釋放，增加磷酸鹽的溶解從而提高磷的有效性[17-18]。對于酸性和中性土壤，氧化環境會降低土壤中無機磷的有效性，而還原環境可活化難溶性的磷化物，從而提高土壤無機磷的有效性。

1.1.3生物機制(固持-分解)微生物吸收土壤中的速效磷以組成有機體，形成生物固定。當C/P大于300時，磷進行純生物固定作用[19-20]。土壤溫度和濕度通過影響微生物活性，對土壤磷的有效性產生影響。如早春低溫時，土壤微生物的活性隨之降低，從而降低了土壤磷的活化和有效性。當氣溫升高時，微生物的活動加快了有機磷的分解，磷的活化和有效性提高[21-22]。土壤生物對磷素的活化作用機制：主要通過產生質子和有機酸溶解難溶態無機磷，通過分泌磷酸酶水解有機磷。另外，菌根真菌可通過呼吸作用釋放大量的CO2使土壤酸化，產生螯合或交換過程，并通過分泌物產生有機酸和磷酸酶等進而有效地利用土壤中難吸收的磷酸鹽[11]。文亦芾等[23]研究表明，微生物在生長過程中固定了部分磷，當其細胞裂解后所釋放的磷是土壤有效磷的重要來源。此外，生物結皮的形成顯著地提高結皮層堿性磷酸酶的活性，隨著生物結皮生物量的逐漸增多，生物結皮層堿性磷酸酶活性呈緩慢上升趨勢，在一定程度上對土壤磷的有效性產生影響[24]。

1.2影響因素

1.2.1土壤類型土壤類型及質地不同，其對應的理化性質也不同，固定磷的能力存在一定的差異。一般情況下，粘質土的固磷能力大于砂質土，而砂質土有機磷的分解速率大于粘質土。北方的石灰性土壤大多數呈堿性，無機磷以Ca-P為主，自然土壤的風化程度越低，土壤的Ca-P含量越高，隨著土壤的發育，Ca-P逐漸被Al-P和Fe-P所取代，磷素有效性發生變化。不同土壤類型的固磷能力為紅壤>水稻土>紫色土。且有效態磷大多分布在土壤耕層，所占比重隨著土層的增大而減少[25-26]。

1.2.2施肥施入的外源性磷肥及其他元素肥料會影響磷的轉化，使得潛在有效磷發生變化[27]。磷肥可直接增加土壤有效磷的含量，但土壤有效磷含量在短期內飽和時，會發生吸附等過程向潛在有效磷方向轉化，使潛在有效磷含量增加。其他元素肥料通過影響土壤養分形態和作物對養分的吸收等間接影響土壤潛在有效磷的含量。施用有機肥和化肥能夠增加活性有機磷含量[28]。化學磷肥配施氮鉀和微量元素有機肥能夠提高花生對磷的吸收，使土壤有效磷含量下降，促使潛在有效磷分解活化為有效磷。此外，酸化磷肥能有效促進土壤磷的活化，使得潛在有效磷轉化為能夠被作物吸收利用的有效磷[29]。

1.2.3有機質有機質分解過程中產生的CO2和有機酸對Fe3+、Al3+和Ca2+均有不同程度的螯合作用，促進Fe氧化物、Al氧化物和水化物所吸附磷的釋放，因而有利于潛在有效磷的活化。有機質中一些陰離子競爭專性吸附點，會抑制對水溶態磷的吸附固定。另外，腐殖酸-金屬-磷酸鹽絡合物能防止土壤磷的固定，提高其有效性。安志裝等[30]報道，大量添加腐殖酸不僅阻礙施入的水溶性磷被固定，而且也可活化土壤中原有的磷。這可能與腐殖酸提高土壤中磷酸酶的活性，促進有機磷(包括腐殖酸自身含磷)的礦化有關[31]。孫小燕等[32]的研究結果也驗證了腐殖酸能與土壤中的Al3+、Ca2+及高嶺土等發生鰲合作用，降低其對磷的固定，提高磷的有效性。

1.2.4重金屬金屬元素尤其是重金屬可使土壤胞外酶鈍化，在重金屬條件下，酸性磷酸酶的活性降低，不同重金屬離子對酶活性的降低程度有顯著差異，且重金屬對磷酸酶活性的抑制程度與重金屬濃度有關[33-34]。于壽娜等[35]研究表明，鎘和汞等重金屬無論單一及復合污染都對小粉土和黃紅壤的酸性磷酸酶活性產生明顯的抑制作用。重金屬通過對酸性和堿性磷酸酶活性的抑制作用，影響土壤磷的轉化和潛在有效磷的含量。而土壤鎘、銅、鉛和鋅復合污染對酸性磷酸酶的影響不大[36]。

1.2.5溫濕度土壤水分較充足時，磷的有效形態存在的比例高，有利于提高磷的有效性，但水分過量時，土壤磷素受淋溶作用損失較多。土壤濕度可影響土壤微生物的活性，進一步影響磷的有效性。溫度也可影響有機磷的釋放，有機磷的釋放速率開始時隨溫度的升高而增加，當溫度超過40℃時其變化速度又逐漸減慢[37]。此外，溫度過高和過低都將抑制微生物活性，從而影響土壤磷的有效性。溫度和降水等還可通過影響土壤理化性質如有機質分解等間接地影響土壤中磷素的有效性。

2潛在有效磷的高效利用措施

2.1物理/化學

充分利用各種物理和化學措施，促進土壤磷的解吸與釋放，提高作物可吸收有效磷的含量，是高效利用潛在有效磷的重要途徑之一。改性膨潤土具有很強的吸水性和交換能力，在玉米中應用改性膨潤土能夠使磷肥的H2PO4-和HPO42-在膨潤土顆粒上吸附，以緩效磷的形式保存，可有效地防止磷肥固定轉化成為無效磷[38]。改性膨潤土與磷結合后水溶性弱，但在其不失有效性的情況下抑制土壤對水溶性磷的固定，減緩了速效磷向遲效、無效態的轉化[29]。粉煤灰對施入土壤中的磷肥具有一定的緩效作用。一方面，土壤質地發生變化，土壤對磷的固定力減小，有效磷得以釋放，另一方面，粉煤灰中含有大量的活性三氧化二鋁，可促使土壤中難溶性鈣磷化合物向可溶性鋁磷化合物轉化。對于酸性土壤，加入粉煤灰可使土壤酸度降低，部分鐵磷和鋁磷化合物中的磷得以釋放[16,39]。

2.2生物

2.2.1選育磷利用高效品種篩選和培育磷利用高效品種，能夠更多利用土壤潛在有效磷，活化磷素以增加根系吸收。SCHETTINI等[40]采用磷利用高效野生蠶豆P1206002與栽培種Sanilac雜交、回交，獲得磷高效回交系，提高了磷的吸收利用效率和經濟產量。在水稻研究上，通過構建近等基因系群體(磷利用低效品種Nipponbare和磷利用高效品種Kasalath)，選育出的一些新品系在低磷條件下，其吸收磷量和干物重都高于親本[41]。程鳳嫻等[42]培育了4個磷利用高效大豆新品種，無論在低磷土壤還是在中、高磷土壤條件下，磷利用高效品種的收益遠高于當地品種和國家區試對照品種。因此，通過基因漸滲可實現植物磷高效性狀的遺傳改良。

2.2.2微生物資源利用滕澤棟等[43]研究發現，乳酸和α-酮基葡萄糖酸能有效溶解磷酸鹽，酸化、鰲合土壤中難溶性磷。大多數解磷細菌(PSMs)都能溶解Ca-P化合物，只有少數能溶解Fe-P和Al-P。也有研究表明，接種菌根真菌對不同磷源的利用率都大大提高[44]。一是菌根增加了作物根系與土壤的接觸面積，二是菌根菌絲能穿過根際磷的虧缺區，吸收利用對作物根系自身無效的那部分磷素，從而提高植物對土壤磷的利用率[45-46]。接種菌根真菌還能提高土壤磷酸酶的活性[47]，促進土壤有機磷水解。此外，黑曲霉、簡易青霉和金黃青霉等能有效地溶解難溶性的鋁磷，且水稻根系中某些固氮菌具有溶解鐵磷的能力[48]。

2.2.3土壤動物土壤動物通過其生命活動及產生的排泄物等影響潛在有效磷的轉化。蚯蚓的活動產生大量的蚓糞，蚓糞中含有大量的腐殖酸，而腐殖酸等可明顯地減少磷素的固定，從而促進磷向有效磷方向轉化[27,49]。

2.3農藝

合理的農藝管理措施能夠減少磷肥投入，有效改善土壤磷素活性，降低磷的固定，增加磷肥利用效率[50-53]。有機物(肥)與磷肥配合施用，可減少土壤對磷的固定作用，對土壤中難溶性磷化合物具有活化作用[54]。免耕處理能夠增加土壤有機磷總量，主要增加中活性和中穩性有機磷[55]，而利用秸稈還田可使土壤有機磷主要向中穩性和高穩性有機磷轉化[56]。減少耕作和交叉坡度種植是阻止農田磷地表徑流流失的有效措施，在保持水土的同時提高土壤有效磷的含量。此外，在旱耕條件下酸性土壤固磷強度較大。為減少土壤中磷的固定，磷肥應適當集中施于播種穴和播種溝內效果較好[57]。如果撒施于整個耕層，由于土壤與磷肥的接觸增加，磷素容易被土壤固定，從而使肥效降低。也可采用顆粒肥料，與有機肥、農家肥或腐植酸類混合后施用，達到減少磷素固定作用，增加作物吸收磷量的目的[58-59]。

3展望

我國磷肥消費量近30年來增長了3倍，由于世界磷肥資源有限，促進土壤磷素的再循環、利用土壤潛在有效磷將變得越來越重要。農田土壤全磷含量一般為0.5～1.0 g/kg，而潛在有效磷約占土壤全磷的比例為15%～25%，相當于每1 hm2土壤有P2O56.5～10.0 t，初步估算潛在有效磷量能夠滿足作物需求>50 a。然而，對于不同土壤類型和土地利用方式潛在有效磷的儲量變化較大，要深入探明土壤潛在有效磷的儲量，這是土壤磷素有效利用的重要基礎。

當今農業生態系統中存在土壤全磷量高、有效利用率低和磷素營養不足的矛盾。今后需要進一步深入研究土壤中各種形態磷的數量、轉化和固定釋放機制，評價各種形態磷的有效性，弄清土壤有機磷的組成與轉化及其對植物有效性的機理，對磷肥合理施用及提高磷素再循環的利用率具有重要意義。此外，如何根據不同作物需求，一次性或多次性激活土壤潛在有效磷，也需要開展深入研究。

如何發揮潛在有效磷對作物生長發育及產量形成的直接或間接作用，還需要進一步明確。與此同時，土壤潛在有效磷與有效磷及難利用態磷處于一種動態平衡，如何在促進有效性磷增加的同時，降低磷素增加而產生的環境污染風險，進一步促進磷素平衡和環境友好型發展，也值得深入研究。