中低品位磷礦資源高效利用機(jī)制與途徑研究進(jìn)展

趙 鑫，蔡慢弟，董倩倩，李云駒，申建波*

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/植物與土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2 國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南昆明 650600）

磷 (P) 是對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育十分重要的營(yíng)養(yǎng)元素，在作物的生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中不可替代[1]。磷礦是生產(chǎn)磷肥的主要原料，且不可再生，如何實(shí)現(xiàn)磷資源的可持續(xù)利用是本世紀(jì)全球農(nóng)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一[2]，近年來(lái)的研究普遍認(rèn)為磷礦的短缺時(shí)代正在來(lái)臨，世界磷肥價(jià)格的穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將受到嚴(yán)重威脅[3]。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù) (2016年) 顯示，全世界磷礦儲(chǔ)量為690億噸，其中中國(guó)磷礦儲(chǔ)量為37億噸，位居世界第二。中國(guó)磷礦主要有三種類型，分別為巖漿巖型磷灰石、沉積巖型磷塊巖、沉積變質(zhì)巖型磷灰?guī)r，其中70%～80%為沉積巖型磷塊巖礦床，礦層厚、礦體堅(jiān)硬，約60%需采用地下開(kāi)采的形式，開(kāi)采難度較大[4]。

根據(jù)磷礦的品級(jí)劃分，磷礦品位 (P2O5含量) ＞30%的磷礦為Ⅰ級(jí)磷礦，即高品位磷礦，25%＜P2O5＜30% 為Ⅱ級(jí)磷礦，12%＜P2O5＜25% 為Ⅲ級(jí)磷礦石。中國(guó)磷礦石品位普遍較低，只有大約10%的磷礦品位超過(guò)30%，約90%的磷礦為品位小于25%的中低品位磷礦[5]。高品位磷礦石一般不需經(jīng)過(guò)選礦工藝，即可用于生產(chǎn)磷酸，繼而生產(chǎn)磷肥產(chǎn)品，而中低品位磷礦必須經(jīng)過(guò)選礦 (通常是浮選) 工藝提高品位，才能用于生產(chǎn)磷酸與高濃度磷基肥料[6](圖1)。最近，國(guó)家勘探人員在貴州省開(kāi)陽(yáng)縣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)資源量高達(dá)8億噸的磷礦，且礦石屬于高品位優(yōu)質(zhì)磷礦石，可能會(huì)對(duì)我國(guó)目前富礦資源短缺的局面有所緩解，但是仍舊不能改變我國(guó)磷礦主體為中低品位磷礦的格局，中低品位磷礦的活化與綜合利用依然是我國(guó)磷礦產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)面臨的重大課題。

長(zhǎng)期以來(lái)，中低品位磷礦大多用于工業(yè)，進(jìn)行選礦富集，生產(chǎn)磷酸，但是成本大，耗能高，選礦過(guò)程中產(chǎn)生大量尾礦，堆積在尾礦庫(kù)，造成資源巨大浪費(fèi)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由此，有關(guān)專家開(kāi)始致力于將中低品位磷礦直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的研究。中低品位磷礦在農(nóng)業(yè)上直接利用，可避免選礦富集的工藝過(guò)程，減少選礦過(guò)程中造成的磷損失，大幅度降低生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度；明顯改善由于選礦產(chǎn)生的尾礦堆積造成的環(huán)境問(wèn)題；顯著降低能耗，延長(zhǎng)我國(guó)磷礦的使用年限[7]。同時(shí)，還可以使中低品位磷礦中的鎂、鈣、鐵等中微量元素得到充分利用，減少資源浪費(fèi)[7]。但是，中低品位磷礦直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，存在的關(guān)鍵問(wèn)題是有效磷含量較低、農(nóng)學(xué)效率低下，如何活化利用中低品位磷礦中的難溶性磷，是提高其農(nóng)業(yè)應(yīng)用效率的核心。本文系統(tǒng)總結(jié)了中低品位磷礦的活化原理和方法，進(jìn)而剖析了植物的根際效應(yīng)及其在磷礦粉活化中的作用，為強(qiáng)化作物根系對(duì)難溶性磷的活化能力，提高中低品位磷礦的利用效率提供理論依據(jù)。

1 中低品位磷礦的活化利用機(jī)制

植物生長(zhǎng)在復(fù)雜的土壤環(huán)境中，土壤中發(fā)生的離子交換反應(yīng)、吸附/解吸反應(yīng)、沉淀/溶解反應(yīng)、酸堿反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、配位體交換反應(yīng)等深刻影響?zhàn)B分在土壤中的轉(zhuǎn)化和有效性[9]，從而影響植物的生長(zhǎng)。磷在土壤中難以移動(dòng)，有效性很低，主要原因是由于磷酸根離子極易與土壤中的陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)，被土壤固定，顯著降低磷的生物有效性[10]。磷在土壤中的轉(zhuǎn)化與土壤類型密切相關(guān)。在酸性土壤上，磷被黏土礦物表面的鐵、鋁等氧化物或者氫氧化物所吸附，形成各種復(fù)合體，植物難以吸收利用[9,11]。在石灰性土壤上，鈣與磷結(jié)合形成不能被植物吸收利用的磷酸八鈣沉淀物[9]，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最終形成磷酸十鈣，這些磷次生礦物的溶解速率受沉淀物顆粒大小與土壤pH值的影響[9–10]。

當(dāng)土壤性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，植物可通過(guò)調(diào)控根系形態(tài)學(xué)和生理學(xué)特性適應(yīng)土壤環(huán)境條件的改變，以便提高對(duì)土壤養(yǎng)分資源的獲取效率。這種根系特性同時(shí)也進(jìn)一步改善了土壤 (主要是根際環(huán)境) 的理化性質(zhì)，可以提高后茬作物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用[12]。因此，優(yōu)化土壤與植物根系的互作，是提高養(yǎng)分效率和作物產(chǎn)量的重要途徑。

圖1 磷礦的主要用途過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.1 A brief diagram of the main use process of phosphate rocks[注（Note）：① 高品位磷礦石可以不經(jīng)過(guò)選礦或者只進(jìn)行簡(jiǎn)單的擦洗脫泥工藝即可成為磷精礦 High-grade phosphate rock can be used as phosphate concentrate without ore dressing or simply washing and de-sliming.② 而絕大部分中低品位磷礦則通過(guò)選礦工藝得到磷精礦，繼而進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)。根據(jù)中國(guó)化學(xué)礦業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012 年，我國(guó)磷礦 80.5% 用于生產(chǎn)磷肥[8] In contrast,beneficiation process is needed to obtain phosphorous concentrate from medium-low grade phosphate rocks.According to the statistics of China Chemical Mining Association,in 2012,80.5%of phosphate rock in China was used to produce phosphate fertilizer.③ 目前基本不用來(lái)生產(chǎn)磷礦粉 It is basically not used to produce phosphate rock powder.④ 部分中低品位磷礦直接磨成粉狀 (磷礦粉)，作為磷肥施用。磷礦粉作為磷肥施用時(shí)，分為直接應(yīng)用和活化后應(yīng)用兩個(gè)途徑，其中磷礦粉的活化是提高磷礦粉農(nóng)學(xué)利用效率的重要手段 At the same time,some medium-low phosphate rock was ground into powder and applied or used as fertilizer after activation.The activation processes are important to improve the agricultural utilization efficiency of phosphate rock.]

不同作物種類對(duì)難溶性磷的利用存在較大差異。禾本科的須根系作物小麥、玉米等更多傾向于調(diào)控根系形態(tài)適應(yīng)低磷脅迫，而白羽扇豆和鷹嘴豆則通過(guò)調(diào)節(jié)根系生理，主要是增加根系分泌物的釋放，提高對(duì)磷的吸收[13]。當(dāng)以蠶豆作為鄰居作物時(shí)，目標(biāo)玉米總根長(zhǎng)、地上部生物量、地上部磷吸收顯著高于以玉米作為鄰居植物的單作系統(tǒng)。蠶豆與玉米間作時(shí)，與玉米相比，蠶豆具有更小的根系，但具有更強(qiáng)的根系分泌檸檬酸和酸性磷酸酶的能力，能夠顯著活化更多的土壤磷，以供應(yīng)間作的目標(biāo)玉米吸收[14]。由此可見(jiàn)，禾本科與豆科作物間作能有效提高間作系統(tǒng)對(duì)難溶性磷 (含中低品位磷礦) 的利用效率。

綜合土壤特征、磷礦的溶解特征以及植物生物學(xué)潛力，提高中低品位磷礦活化的機(jī)制主要涉及以下幾個(gè)方面：1) 改變磷礦的晶格結(jié)構(gòu)，提高其生物有效性；2) 增加H+濃度，降低介質(zhì)的pH值，提高磷礦的溶解性；3) 增強(qiáng)絡(luò)合反應(yīng)，有機(jī)陰離子與金屬陽(yáng)離子 (主要是鈣、鐵、鋁離子) 結(jié)合，釋放磷酸根離子；4) 根分泌物主導(dǎo)的根際過(guò)程；5) 根際生物互作效應(yīng)；6) 篩選和利用磷高效的作物基因型。針對(duì)磷礦活化利用的主要機(jī)制，可以將中低品位磷礦的活化技術(shù)途徑分為三個(gè)方面，即物理途徑、化學(xué)途徑、生物學(xué)途徑。

2 中低品位磷礦中的磷生物有效化的活化利用途徑

2.1 物理途徑

活化磷礦粉的物理途徑是指通過(guò)機(jī)械作用或物理混合作用使磷礦的晶格破碎、裸露，提高與土壤和作物根系的接觸面積，達(dá)到作物高效利用的目的。這種物理方法 (圖 2) 主要包括：1) 直接作用 改變粒徑以及與水溶性磷肥混合施用；2) 間接作用 改善土壤物理結(jié)構(gòu)。將磷礦粉經(jīng)過(guò)物理破碎，降低磷礦粉粒徑的大小[15]，甚至通過(guò)物理研磨的方法，破壞磷礦粉的晶格結(jié)構(gòu)，增加比表面積，增強(qiáng)磷的溶解與釋放能力[16–17]。微晶化磷礦粉的粒徑一般為納米級(jí)別。研究表明，施用微晶化磷礦粉的小麥與水稻，產(chǎn)量和品質(zhì)顯著提高，且對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用顯著增強(qiáng)[16]。

磷礦粉與水溶性磷肥按照一定的比例混合施用，可有效提高磷礦粉的施用效果。研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)材料為玉米時(shí)，磷礦粉與重過(guò)磷酸鈣以1∶1比例混合施用，其肥效與施用重過(guò)磷酸鈣相同[18]?；旌戏柿蠈?shí)際上是多種物理結(jié)構(gòu)相匹配的緩控釋肥，水溶性磷肥為前期作物快速生長(zhǎng)提供磷營(yíng)養(yǎng)，相當(dāng)于啟動(dòng)磷肥，肥效快，能有效促進(jìn)作物早期的生長(zhǎng)發(fā)育；作物生長(zhǎng)后期根系生長(zhǎng)發(fā)育良好、活化養(yǎng)分的能力增強(qiáng)，可有效利用以難溶性磷為主的磷礦粉，維持較長(zhǎng)時(shí)間的肥效。

通過(guò)采用土壤調(diào)理劑、有機(jī)肥等物質(zhì)，或者通過(guò)翻耕等措施，改善土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使其疏松多孔，增加透氣性，有利于植物根系的生長(zhǎng)，間接擴(kuò)大了根系與磷礦粉的接觸面積，提高了磷的空間有效性，可增強(qiáng)植物對(duì)磷礦粉的吸收和利用。

2.2 化學(xué)途徑

活化磷礦粉的化學(xué)途徑是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)提高磷礦粉的有效磷含量。主要包括：部分酸化[19–21]、與有機(jī)酸或者某些活化劑[22]反應(yīng)、與某些其它材料如硫磺反應(yīng)、熱分解生產(chǎn)鈣鎂磷肥等 (圖2)。

磷礦粉部分酸化是指酸化磷礦粉時(shí)，酸用量為完全酸化酸用量的一部分[23]。將部分酸化磷礦粉施入土壤中，水溶性磷水解時(shí)產(chǎn)生的磷酸與未被酸化的磷礦粉反應(yīng)，繼續(xù)分解磷礦粉，同時(shí)減少了水溶性磷被土壤固定[24]。酸化程度為50%的磷礦粉施用在酸性土壤上，種植豆科作物，效果顯著[25]。

圖2 改善中低品位磷礦肥效的方法 (物理法、化學(xué)法、生物學(xué)方法)Fig.2 Strategies of improving the use efficiency of medium-low grade phosphate rocks(physical, chemical and biological approaches)

磷礦粉與活化劑反應(yīng)時(shí)，活化劑中的陰離子活性基團(tuán)可以通過(guò)絡(luò)合作用，將被金屬陽(yáng)離子結(jié)合的磷酸根離子釋放出來(lái)，從而增加磷礦粉中磷的生物有效性[26]。磷礦粉與活化劑混合施入土壤中不僅能增強(qiáng)磷的肥效，還能夠?yàn)樽魑锾峁┢渌B(yǎng)分離子，從而提高作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。研究證明經(jīng)過(guò)活化劑處理的磷礦粉在田間果樹(shù)與盆栽小麥中施用，肥效均較為顯著[27–28]。

磷礦粉與氨堿廠產(chǎn)生的固體廢棄物工業(yè)白泥反應(yīng)生產(chǎn)的土壤調(diào)理劑，在南方酸性土壤上施用，有效提高土壤pH值的同時(shí)，還能為作物供給多種營(yíng)養(yǎng)成分[29]。磷礦粉與白云石、磷石膏高溫反應(yīng)后，施用于酸性土壤可促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[30]，同時(shí)消耗了廢棄物磷石膏，使資源得以充分利用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磷礦粉與硫磺等含硫物質(zhì)混合時(shí)，磷的溶解性顯著提高[31–32]。這是由于硫元素轉(zhuǎn)化為硫酸溶解了磷礦粉，釋放出有效磷[33]。一般認(rèn)為大田中，每公頃施用磷 (P) 70 kg 和硫 (S) 400 kg 是一個(gè)優(yōu)化配比，能夠明顯提高作物的產(chǎn)量[31]。澳大利亞研究人員發(fā)現(xiàn)將細(xì)硫粉與磷礦粉做成顆粒狀后接種氧化硫桿菌，適合施用于牧場(chǎng)與草地。其原理也是因?yàn)檠趸驐U菌能夠促進(jìn)硫轉(zhuǎn)化為硫酸，形成酸性環(huán)境，加速了磷礦粉的分解[34]。磷礦粉與腐殖酸類物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，腐殖酸根的絡(luò)合作用與酸化作用，使磷礦粉中難溶性磷加速溶解。100 g磷礦粉與8～12 g腐殖酸反應(yīng)，磷礦粉中有效磷的轉(zhuǎn)化率顯著提高[35]。熱法分解磷礦即將磷礦與硅鎂礦物、焦炭等經(jīng)過(guò)高溫熔融，生產(chǎn)鈣鎂磷肥，磷礦粉中難溶性的氟磷酸鈣轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的磷酸鹽[8]。鈣鎂磷肥養(yǎng)分種類多，呈堿性，能提高酸性土壤的pH值，改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)作物的抗病能力與抗倒伏能力[5]。

2.3 生物學(xué)途徑

生物活化主要包括根系生理活化效應(yīng)、溶磷微生物、菌根效應(yīng)以及生物互作等 (圖2)。但是目前為止，對(duì)于生物活化磷礦粉的研究大多集中于微生物以及菌根的效應(yīng)，對(duì)于植物根系的生理活化效應(yīng)以及生物互作研究較少。

研究表明，土壤中微生物的活性提高時(shí)，磷礦粉中磷的生物利用效率明顯提高，即土壤中特定溶磷微生物能夠溶解磷礦粉中難溶性的磷[36–37]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在磷礦粉上直接接種解磷細(xì)菌能夠有效促進(jìn)磷礦粉的溶解性，提高其枸溶性磷含量[38–39]。磷礦粉與有機(jī)肥配合施用，多用于有機(jī)農(nóng)業(yè)的綠色種植，糞肥等有機(jī)肥或者有機(jī)廢棄物與磷礦粉混合進(jìn)行堆肥處理，磷礦粉中磷的溶解度顯著提高[39–40]，這可能與微生物的作用有關(guān)。大多數(shù)人認(rèn)為有機(jī)肥或有機(jī)廢棄物在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的微生物群落，而部分微生物具有顯著的溶磷作用。且微生物在生命代謝中產(chǎn)生的有機(jī)酸、腐殖酸等代謝產(chǎn)物，具有螯合金屬離子和降低pH值的作用，能夠促進(jìn)難溶性磷酸鹽的分解[41–43]。磷礦粉的溶解速度受有機(jī)肥或有機(jī)廢棄物種類的影響。落葉等植物材料與畜禽糞便堆肥處理能產(chǎn)生大量有機(jī)酸與腐殖質(zhì)，對(duì)磷礦粉的溶解效果較好[44]。此外有機(jī)肥能夠明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，使其疏松多孔，有利于根系增長(zhǎng)，提高磷礦粉的活化與利用。

通過(guò)接種菌根提高植物溶解吸收磷礦粉的能力也是目前研究的熱點(diǎn)。菌根是植物與真菌形成的互惠共生體[45]，菌根通過(guò)將菌絲延伸到根系不能進(jìn)入的土壤微孔隙中生長(zhǎng)，增加了磷的吸收面積。同時(shí)，與植物根系相比，菌絲對(duì)磷具有更高的親和力，菌根吸收磷后形成的聚磷酸鹽可以高速轉(zhuǎn)移到根系，供給植物吸收。菌根的某些分泌物會(huì)顯著改變菌絲際與根際的環(huán)境，提高土壤無(wú)機(jī)磷的溶解度[46–47]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在不施肥土壤上接種菌根，菌根對(duì)植株吸收利用磷的貢獻(xiàn)率可高達(dá)70%以上[48]。

相比而言，以上有關(guān)研究在一定程度上忽略了植物自身的生物學(xué)潛力，植物根系的生理活化效應(yīng)以及根際的生物互作效應(yīng)是植物活化吸收磷的強(qiáng)大武器，能顯著提高植物對(duì)難溶性磷的利用。植物根系的生理活化效應(yīng)是指在低磷條件下，植物根系通過(guò)釋放質(zhì)子、酸性磷酸酶、低分子量有機(jī)酸等分泌物，深刻改變根際環(huán)境，增加難溶性磷與有機(jī)磷的溶解與吸收[49]。上述植物對(duì)磷的活化效應(yīng)因土壤類型、作物種類和栽培方式而存在較大變異性。研究表明，適合鈣質(zhì)土壤的植物分泌二元或三元羧酸 (檸檬酸)，可高效活化土壤中的鈣、磷[50]；適合南方酸性土壤的植物分泌單羧酸，對(duì)磷的活化能力較弱。就植物本身而言，通常豆科作物主要通過(guò)分泌有機(jī)酸提高對(duì)磷的攝取能力，而禾本科作物釋放有機(jī)酸的能力較弱，這些原理對(duì)于優(yōu)化作物搭配，改善栽培方式具有重要的指導(dǎo)意義。本文中所述的中低品位磷礦主要含有磷灰石，有效磷含量較低，當(dāng)施用于土壤時(shí)，適度低磷的養(yǎng)分脅迫環(huán)境有利于提高植物根分泌物的釋放能力，增強(qiáng)對(duì)磷的利用。

研究發(fā)現(xiàn)，給玉米供應(yīng)銨態(tài)氮肥時(shí)，由于植株需要保持電荷的平衡，會(huì)向根際釋放質(zhì)子，引起根際環(huán)境的酸化，能夠明顯促進(jìn)植株對(duì)磷的活化和吸收[51]。不同作物在低磷的情況下，向根際分泌質(zhì)子的強(qiáng)度不同，鷹嘴豆、白羽扇豆分泌質(zhì)子能力較強(qiáng)[52]，但是小麥與大豆[53]的質(zhì)子分泌強(qiáng)度幾乎不受磷濃度的影響。同時(shí)低磷情況下，植物根系向根際釋放有機(jī)酸陰離子，通過(guò)與磷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，活化難溶性磷，增加磷的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，油菜能夠通過(guò)分泌有機(jī)酸明顯增加對(duì)磷礦粉中磷的獲取能力[54]。有機(jī)酸活化磷礦粉的能力與有機(jī)酸的種類、數(shù)量有關(guān)，同一濃度時(shí)，草酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸對(duì)磷礦粉的活化能力較強(qiáng)，而乙酸和琥珀酸則相對(duì)較弱[55]。低磷情況下，植物向根際釋放酸性磷酸酶也是其生理活化的重要組成部分，但是由于酸性磷酸酶主要活化土壤有機(jī)磷[56]，是否有利于中低品位磷礦粉的活化，仍有待進(jìn)一步深入研究。

根際的互作效應(yīng)可顯著影響難溶性磷的活化與利用。以往研究的關(guān)注點(diǎn)大多在植物與微生物的互作以及植物與菌根的互作，但是不同種類植物之間的互作，例如：間作、套作、水旱輪作等對(duì)植物獲取難溶性磷資源同樣具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，根系為細(xì)根的作物如玉米和小麥，主要是依賴根系形態(tài)學(xué)的改變?cè)黾訉?duì)磷的吸收利用，而以粗根為主的作物如鷹嘴豆等，主要通過(guò)根系生理學(xué)，調(diào)控根系分泌物的釋放，增加對(duì)磷的活化與吸收[57]，總體來(lái)說(shuō)，豆科比禾本科具有更強(qiáng)的根分泌物釋放能力[58]。間作種植模式可以有效改善禾本科對(duì)磷的吸收和利用[59]，蠶豆與玉米間作種植時(shí)，蠶豆提高了土壤中的有效磷含量，促進(jìn)了玉米對(duì)磷的吸收[60]。水旱輪作的種植模式，也能提高磷的利用效率，旱作種植小麥時(shí)，小麥根能夠吸收深層土壤中的磷，同時(shí)小麥根系的下扎一定程度改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了下茬作物水稻，沿著小麥根系的生長(zhǎng)痕跡繼續(xù)生長(zhǎng)，提高了磷的利用效率[57]。

由以上分析可見(jiàn)，提高中低品位磷礦粉的活化效率必須綜合考慮植物種類、土壤類型、磷礦粉特性和栽培方式的協(xié)同作用。

3 影響中低品位磷礦肥效的主要因素

3.1 土壤性質(zhì)

土壤H+含量對(duì)磷礦粉的生物有效性影響巨大。Chien等[61]以15種性狀不同的土壤作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)降低土壤pH值能夠顯著提高磷礦粉的相對(duì)肥效。多年的全國(guó)定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磷礦粉適合直接施用于低pH值土壤，且能夠明顯增加作物產(chǎn)量[62]。此外，由于磷礦粉的有效成分一般為Ca5(PO4)3F或Ca5(PO4)3OH或Ca10(PO4)6(OH)2，溶解的同時(shí)會(huì)釋放鈣離子，由電離平衡原理可知，若土壤中鈣離子含量較高，會(huì)影響磷礦粉中有效磷的溶解與釋放[63]。

土壤有機(jī)質(zhì)的含量也會(huì)影響磷礦粉的施用效果，高有機(jī)質(zhì)含量利于磷礦粉的溶解與釋放。原因是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)中的有機(jī)酸能夠螯合金屬陽(yáng)離子，溶解磷礦粉，釋放磷酸根離子[63–64]。

3.2 磷礦粉的理化性質(zhì)

磷礦粉的理化性質(zhì)主要包括磷礦粉的有效磷含量 (主要是枸溶性磷含量)、粒徑、晶格構(gòu)型等。磷礦粉是否適合農(nóng)業(yè)施用，取決于其枸溶性磷含量，枸溶性磷含量＜5%的磷礦粉，幾乎對(duì)任何作物都沒(méi)有肥效[65]，理論上磷礦粉的粒徑越小，比表面積越大，越有利于磷礦粉的溶解。但是目前我國(guó)對(duì)磷礦粉最大肥效的粒徑范圍還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。磷礦粉的結(jié)晶性質(zhì)是影響其肥效高低的內(nèi)在因素，高肥效的磷礦粉一般結(jié)構(gòu)疏松、結(jié)晶形狀不清晰，晶粒很小，而肥效低的磷礦石則結(jié)構(gòu)緊密、結(jié)晶形狀清晰，晶粒較大[66]。

3.3 作物種類

作物種類不同，對(duì)中低品位磷礦的吸收利用能力差異較大，常見(jiàn)作物利用磷礦粉的能力大小為油菜、芥麥 ＞ 大豆 ＞ 玉米 ＞ 小麥[67]。

排根作物是高效吸收利用磷的特有物種，排根是生長(zhǎng)在側(cè)根上的類似于毛刷一樣的根簇[68]，排根通常由濃密的有限生長(zhǎng)的小側(cè)根構(gòu)成，成熟的排根小側(cè)根被根毛覆蓋，這種特殊的根結(jié)構(gòu)顯著擴(kuò)大了根系的吸收面積。低磷誘導(dǎo)排根形成[69–70]，促進(jìn)植物根系吸收磷。Dinkelaker等[68]觀察到排根能夠分泌大量的檸檬酸，檸檬酸能夠有效溶解難溶性磷。Wasaki等[71]通過(guò)試驗(yàn)證明了減磷處理的白羽扇豆排根會(huì)釋放更多的酸性磷酸酶，酸性磷酸酶能夠有效地分解土壤中的有機(jī)磷，供應(yīng)植物吸收利用。Yan等[72]發(fā)現(xiàn)低磷情況下白羽扇豆排根會(huì)比非排根釋放更多的質(zhì)子，降低根際pH值，從而溶解更多的磷。采用分根試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[53,69]，局部根系供磷顯著促進(jìn)排根的形成，而且局部供應(yīng)磷酸鈣和磷酸鐵模擬難溶性磷，顯著提高了供磷一側(cè)的有機(jī)酸，特別是檸檬酸的分泌，表明排根能有效利用難溶性磷。排根極強(qiáng)的根際過(guò)程可能會(huì)促進(jìn)排根作物高效利用磷礦粉，對(duì)于特定的高效作物基因型，直接施用中低品位磷礦粉可能是提高磷資源可持續(xù)利用的有效途徑。應(yīng)用根際營(yíng)養(yǎng)的原理，結(jié)合新型肥料的研制，揭示磷礦粉-作物-土壤之間的匹配關(guān)系與機(jī)制將是未來(lái)植物營(yíng)養(yǎng)一個(gè)重要的研究方向。

綜上所述，目前中低品位磷礦中磷的有效化途徑主要分為三方面，即物理途徑、化學(xué)途徑、生物學(xué)途徑；而磷礦粉的肥效受多方面因子的影響，包括土壤性質(zhì)、磷礦粉的性質(zhì)，以及作物種類等。實(shí)現(xiàn)磷礦粉–作物–土壤相匹配是提高磷礦粉肥效、實(shí)現(xiàn)磷礦粉高效利用的關(guān)鍵。

4 結(jié)論與展望

中低品位磷礦粉中磷的有效活化途徑中，采用物理途徑改變磷礦粉的粒徑大小和晶格構(gòu)型對(duì)磷礦粉肥效的提高程度相對(duì)較小，發(fā)展空間也有限，主要適用于根際過(guò)程較強(qiáng)的豆科作物，以及其它根分泌物釋放量較大的作物；較細(xì)顆粒的磷礦粉在我國(guó)南方低pH酸性土壤上的效果優(yōu)于北方石灰性土壤。相比而言，化學(xué)活化方法能顯著提高磷礦粉的肥效，但資源消耗相對(duì)較大，也存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。而生物活化是充分利用了作物的根系特征以及根系生物的互作效應(yīng)，充分發(fā)揮作物本身高效利用磷的生物學(xué)潛力，綠色環(huán)保，提高對(duì)磷資源的綜合利用效率，對(duì)于我國(guó)未來(lái)綠色增產(chǎn)增效，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的生態(tài)和現(xiàn)實(shí)意義。

磷源多種多樣，生長(zhǎng)在不同土壤上的植物對(duì)磷吸收利用的策略也具有多樣性，而且不同土壤對(duì)同一種磷肥的肥效反應(yīng)也存在較大差別。在集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，需根據(jù)不同物種間養(yǎng)分吸收利用的基因型差異以及不同磷肥品種的特性、土壤性質(zhì)的特征，實(shí)現(xiàn)磷肥-作物-土壤的有效匹配，是實(shí)現(xiàn)磷礦粉及其他磷基肥料高效利用的重要機(jī)制和關(guān)鍵點(diǎn)。難溶性磷含量高的磷礦粉可考慮施用于磷高效作物上；將磷礦粉的肥效改善后，可施用于一般作物上；而耗費(fèi)大量人力、物力生產(chǎn)的高濃度水溶性磷肥，則適用于需磷較多并且活化磷資源能力較差的作物上。Smalberger等[73]建議使用“Phosphate Rock Decision Support System (PRDSS)”方法評(píng)價(jià)是否可以使用某種磷礦粉代替水溶性磷肥?！癙RDSS”是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果總結(jié)而創(chuàng)建的、評(píng)判磷礦粉農(nóng)用效率的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，可以有效整合生物物理和經(jīng)濟(jì)因素來(lái)評(píng)估磷礦粉替代水溶性磷肥的可能性，但“PRDSS”并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量和對(duì)施用磷礦粉進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，這也是未來(lái)“PRDSS”模型發(fā)展改進(jìn)的一個(gè)重要方向。盡管如此，充分發(fā)揮作物高效利用磷的生物學(xué)潛力，通過(guò)土壤–作物–磷肥的相互匹配，有效利用作物的根際特性，對(duì)作物系統(tǒng)進(jìn)行合理的規(guī)劃與布局，因地制宜地優(yōu)化設(shè)計(jì)作物的輪作、間作體系，結(jié)合開(kāi)發(fā)新型的“綠色”磷肥，將是未來(lái)實(shí)現(xiàn)磷資源可持續(xù)綜合利用的有效途徑。

中低品位磷礦中通常含有鐵、鎂、鈣、鋅、硅等伴生礦[74]，伴生礦物的回收可以充分利用自然資源,同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)收益[7]。國(guó)際上已開(kāi)始研究磷礦中其他礦質(zhì)資源的回收利用，我國(guó)的相關(guān)研究也逐漸開(kāi)展[25]。面對(duì)磷礦資源日益緊缺的現(xiàn)實(shí)，磷礦中各種養(yǎng)分資源的全量綜合利用也將成為磷資源可持續(xù)利用研究的重點(diǎn)，這將為從單一的磷資源研究轉(zhuǎn)向全量養(yǎng)分的可持續(xù)綜合利用提供新的機(jī)遇，也為植物根際活化與調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新提出新的課題與挑戰(zhàn)。