低分子量有機酸對土壤磷組分影響的Meta分析

張乃于，閆雙堆*，李 娟，王亞男，劉 越，卜玉山

（1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

磷是植物生長發(fā)育的必需大量營養(yǎng)元素之一，但是施入土壤中的磷會與鈣、鎂、鐵、鋁等金屬離子結(jié)合，有效性往往較低，對植物生長限制較大[1-3]。由于植物對磷肥的低利用率和土壤對磷的高固持能力，施入的磷肥75%～90%滯留于土壤中[4]，當季肥料回收率通常只有10%～20%。土壤中滯留的磷素大部分會被吸附固定形成殘渣態(tài)磷，造成磷的盈余量不斷上升[5-6]。我國土壤中總磷的累積量明顯增加，不同類型農(nóng)田土壤中全磷含量范圍為0.31～1.72 g/kg，平均0.68 g/kg[7]，全國磷盈余總量估計已達1035.8萬t[8]。因此，充分挖掘土壤磷潛力，使難溶性磷轉(zhuǎn)化為有效磷是“減磷增效”的重要途徑。

磷素活化劑是加速和加強土壤磷轉(zhuǎn)化為作物可吸收利用的磷的一系列材料[9]。植物在適應(yīng)低磷脅迫中分泌低分子量有機酸是一種比較普遍和有效的土壤磷活化機制[10]。植物根際的低分子量有機酸種類主要有檸檬酸、草酸、蘋果酸、酒石酸等，含量一般可達1～10 mmol/L，最高可達23 mmol/L[11-12]。大量研究揭示了低分子量有機酸活化土壤磷機制、磷動態(tài)釋放特征和土壤各形態(tài)磷轉(zhuǎn)化規(guī)律[13-15]。由于低分子量有機酸的作用效果受土壤類型、土壤磷素水平、有機酸種類和濃度等因素的影響[16]，加之各研究的特定試驗條件，關(guān)于低分子量有機酸活化土壤磷的結(jié)論尚不統(tǒng)一。Meta分析可對具有共同研究目的相互獨立的多個研究結(jié)果進行系統(tǒng)合并，剖析研究間差異特征，定量綜合評價研究結(jié)果的統(tǒng)計方法[17-18]。我們從國內(nèi)外的30篇文獻中獲取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行Meta分析，綜合評價了低分子量有機酸對土壤磷的影響，比較了土壤pH、有機酸種類和添加量等試驗條件增加土壤有效磷的效果，以探究其作為磷素活化劑的可行性和實用性。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和收集

本研究收集了1990—2018年間在中國知網(wǎng)和Web of Science上發(fā)表的低分子量有機酸活化土壤磷的文獻并建立數(shù)據(jù)庫，搜索關(guān)鍵詞為“低分子量有機酸(low molecular weight organic acids)”、“磷(phosphorus)”和“有效磷(available-P，Olsen-P)”。分析的低分子量有機酸主要包括檸檬酸、草酸、蘋果酸等，土壤磷包括有機磷、無機磷和有效磷。有效磷只是一個普遍的定義，一般認為是直接用化學(xué)浸提法提取的能被植物吸收利用的磷，本文以各文獻報道的有效磷及水溶性磷作為數(shù)據(jù)分析的有效磷。數(shù)據(jù)篩選至少包括上述有機酸和土壤磷的一種或多種，根據(jù)研究內(nèi)容的特點，研究數(shù)據(jù)主要來自室內(nèi)培養(yǎng)試驗，試驗設(shè)置了重復(fù)，同一試驗的研究結(jié)果只引用一次。最終建立的數(shù)據(jù)庫收錄了30篇文獻(中文25篇、英文5篇)的研究數(shù)據(jù)。其中有效磷(available-P)23篇文獻，831組數(shù)據(jù)；鋁磷(Al-P)和鐵磷(Fe-P)各9篇，各131組數(shù)據(jù)；鈣磷(Ca-P)3篇文獻，40組數(shù)據(jù)；二鈣磷(Ca2-P)、八鈣磷(Ca8-P)和十鈣磷(Ca10-P)各5篇文獻，各71組數(shù)據(jù)；閉蓄態(tài)磷(O-P)10篇文獻，131組數(shù)據(jù)；有機磷(organic-P)1篇文獻，96組數(shù)據(jù)。本研究主要以有效磷的文獻為主，分析不同條件對低分子量有機酸活化土壤有效磷的影響。

在每一個研究中，我們均記錄了試驗土壤的采集地點、土壤性質(zhì)、試驗方法、有機酸種類及用量。在建立數(shù)據(jù)庫過程中會存在某些指標和信息原文獻沒有直接提供數(shù)據(jù)的情況，我們采取一些再處理措施，主要包括：1)如果文中只報道磷的活化量(處理組磷含量-對照組磷含量)，沒有處理組和對照組的具體數(shù)值，我們統(tǒng)一以基礎(chǔ)土壤的磷含量作為對照組的磷含量，然后計算處理組的磷含量；2)對于以圖片格式展示的數(shù)據(jù)，我們采用Engauge軟件對其進行定量化。圖1顯示所收集的試驗組和對照組數(shù)據(jù)之比的對數(shù)(ln，單個效應(yīng)值)呈正態(tài)分布(P＜0.05)，滿足Meta分析的條件。

圖1 土壤有效磷單個效應(yīng)值的分布Fig.1 The distribution of single effect size of soil available phosphorus

1.2 數(shù)據(jù)分析

采用Meta分析的方法研究低分子量有機酸活化土壤磷的綜合潛力，利用響應(yīng)比率的對數(shù)值作為效應(yīng)值(E)來分析低分子量有機酸在不同條件下活化土壤磷的效果及活化機制，具體方法參照Hedges等[19]的報道。對于每一組觀測值，其效應(yīng)值(E)的計算公式為：

采用Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低分子量有機酸對土壤磷的綜合影響

低分子量有機酸能活化土壤難溶性磷，使其轉(zhuǎn)化為有效性較高形態(tài)的磷(圖2)，其中，對有效磷有顯著的正效應(yīng)，效應(yīng)值為1.139，95%的置信區(qū)間(95% CI)為1.058至1.220，表明低分子量有機酸能顯著提升土壤有效磷的含量。低分子量有機酸對土壤鋁磷、鐵磷、鈣磷、閉蓄態(tài)磷和有機磷均有顯著的負效應(yīng)，表明低分子量有機酸對這些形態(tài)的磷具有活化效果，又以對鈣磷的活化效果最好，效應(yīng)值為-0.315(95% CI，-0.448至-0.202)，但數(shù)據(jù)組較少(n=40)，其次是鋁磷-0.240(95% CI，-0.315至-0.171)和鐵磷-0.168(95% CI，-0.235至-0.108)，對閉蓄態(tài)磷和有機磷的效應(yīng)值分別為-0.085(95%CI，-0.127至-0.046)和-0.055(95% CI，-0.066至-0.045)。磷分級中，二鈣磷、八鈣磷和十鈣磷是專指石灰性土壤中的無機磷形態(tài)，而低分子量有機酸對十鈣磷有顯著的活化效果，效應(yīng)值為-0.125(95%CI，-0.183至-0.078)，對八鈣磷的效應(yīng)值為-0.087(95% CI，-0.260至0.057)，但效果不顯著，而對二鈣磷有正效應(yīng)，效應(yīng)值為0.076(95% CI，1.058至1.220)，效果也不顯著。

圖2 低分子量有機酸對土壤不同形態(tài)磷組分的效應(yīng)值Fig.2 Effect sizes of low molecular weight organic acids on soil different phosphorus fractions

2.2 不同條件對低分子量有機酸提高土壤有效磷含量的影響

圖3 不同土壤pH、全磷含量和有效磷含量條件下低分子量有機酸對土壤有效磷的效應(yīng)值Fig.3 Effect sizes of low molecular weight organic acids on soil available phosphorus under different soil pH, total phosphorus content and available phosphorus content

2.2.1 土壤pH和土壤磷含量 低分子量有機酸對土壤有效磷含量提升的效果受到土壤pH、全磷和有效磷含量的影響(圖3)。在中性(pH 6～8)和酸性(pH＜6)土壤條件下，低分子量有機酸對有效磷的效應(yīng)值分別為1.434(95% CI，1.317至1.554)和1.456(95% CI，1.283至1.639)，堿性(pH＞8)土壤條件下，其效應(yīng)值為0.450(95% CI，0.356至0.543)，表明在pH較低的土壤中，低分子量有機酸對有效磷含量提升的效果較好。在全磷含量低于1 g/kg和有效磷含量低于20 mg/kg條件下，低分子量有機酸對有效磷的效應(yīng)值分別為1.461(95% CI，1.324至1.598)和1.488(95% CI，1.332至1.649)；在全磷含量 ≥ 1 g/kg和有效磷含量 ≥ 20 mg/kg時，其效應(yīng)值分別為1.175(95% CI，1.051至1.297)和0.929(95% CI，0.815至1.045)，表明在土壤全磷和有效磷含量相對較低時，低分子量有機酸對有效磷含量提升的效果更好。

2.2.2 試驗方法和培養(yǎng)時間 不同試驗方法和培養(yǎng)時間條件下，低分子量有機酸對土壤有效磷含量提升的效果不同(圖4)。常規(guī)培養(yǎng)試驗條件下，低分子量有機酸對土壤有效磷的效應(yīng)值為0.336(95% CI，0.269至0.407)，振蕩培養(yǎng)試驗的效應(yīng)值為1.467(95% CI，1.366至1.568)，而其他試驗方法的效應(yīng)值僅為0.702(95% CI，0.527至0.880)，表明在更加接近實際應(yīng)用的條件下，低分子量有機酸對有效磷的影響相對較小。培養(yǎng)試驗中，培養(yǎng)時間在1天內(nèi)，低分子量有機酸對土壤有效磷效應(yīng)值為1.273(95%CI，1.160至1.384)，1～10天內(nèi)的效應(yīng)值為1.380(95% CI，1.133至1.633)，10～20天的效應(yīng)值為1.522(95% CI，1.145至1.983)，效應(yīng)值逐漸升高；而20～30天的效應(yīng)值為1.117(95% CI，0.842至1.415)，30天后的效應(yīng)值為0.718(95% CI，0.587至0.854)，效應(yīng)值逐漸降低，表明低分子量有機酸對有效磷含量提升的效果具有時效性，并且效果持續(xù)增強的時間在20天內(nèi)，20天后效果減弱。

圖4 不同試驗方法和培養(yǎng)時間條件下低分子量有機酸對土壤有效磷的效應(yīng)值Fig.4 Effect sizes of low molecular weight organic acids on soil available phosphorus under different experiment methods and culture time

圖5 不同低分子量有機酸和濃度條件下土壤有效磷的效應(yīng)值Fig.5 Effect sizes of soil available phosphorus under different low molecular weight organic acids and concentrations

2.2.3 低分子量有機酸種類和濃度 低分子量有機酸對土壤有效磷含量提升的效果受到酸種類和濃度的影響(圖5)。草酸對土壤有效磷含量提升的效果較好，效應(yīng)值為1.355(95% CI，1.196至1.517)，檸檬酸和蘋果酸的效應(yīng)值分別為1.047(95% CI，0.923至1.178)和0.914(95% CI，0.672至1.167)，而其他酸的綜合效應(yīng)值為1.156(95% CI，0.999至1.314)；當?shù)头肿恿坑袡C酸濃度低于30 mmol/L時，其對土壤有效磷的效應(yīng)值為1.051(95% CI，0.965至1.138)，30～90 mmol/L時的效應(yīng)值為1.664(95% CI，1.433至1.894)，90～1000 mmol/L時的效應(yīng)值為1.050(95% CI，0.741至1.377)，這說明在一定的濃度范圍內(nèi)，低分子量有機酸濃度越高，對土壤有效磷含量提升的效果越好。

3 討論

3.1 低分子量有機酸對不同土壤磷組分的活化

低分子量有機酸不僅來源于根系分泌，也是動、植物殘體分解的產(chǎn)物，被認為可以活化土壤中的磷[23]。本研究的Meta分析結(jié)果顯示，低分子量有機酸可以活化土壤無機磷，使鋁磷、鐵磷、八鈣磷、十鈣磷、鈣磷和閉蓄態(tài)磷量分別減少21.3%、15.5%、8.36%、11.8%、27.1%、8.22%，而有效磷和二鈣磷分別增加213%、7.9%。低分子量有機酸可以降低磷的固定，提高土壤磷的有效性，這與孫桂芳等[24]研究結(jié)果一致。土壤無機磷一般占總磷的60%～80%[25]，而在石灰性土壤中又以鈣磷為主，酸性土壤中以鋁磷和鐵磷為主，這反映出低分子量有機酸既能在堿性土壤中，也能在酸性土壤中發(fā)揮活化無機磷的作用，并且潛力巨大。許多人的研究也證明了這一點，例如，孔濤等[26]采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究4種低分子量有機酸對濱海鹽堿地無機磷的活化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)低分子量有機酸可以活化鈣磷、鋁磷、鐵磷和閉蓄態(tài)磷，且20 mmol/kg的用量，可以使有效磷提高12.9倍；龔松貴等[27]通過室溫振蕩培養(yǎng)試驗，研究不同類型的低分子量有機酸對紅壤無機磷的活化作用，結(jié)果表明，在較高濃度的用量下(≥ 5 mmol/L)，低分子量有機酸可以活化紅壤中的鋁磷、鐵磷、閉蓄態(tài)磷和鈣磷，最高能釋放出140 mg/kg的無機磷。普遍認為，低分子量有機酸活化土壤無機磷的機制有：1)改變土壤pH，促進難溶性磷礦物的溶解[28]，比如磷酸八鈣或磷灰石[29]；2)與土壤鐵、鋁、鈣等金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用，降低磷酸氫根離子(HPO42-、H2PO4-)的結(jié)合位點[30-31]；3)與磷酸根離子競爭土壤膠體的吸附位點[32]。

本研究表明低分子量有機酸能使土壤有機磷含量降低5.42%，這是由于低分子量有機酸能產(chǎn)生礦化激發(fā)效應(yīng)，也能促進土壤有機磷由有效性低的形態(tài)逐步向有效性高的形態(tài)轉(zhuǎn)化[33]，這與陳立新等[34]的研究結(jié)果相似。低分子量有機酸加入土壤，可以作為碳源，對微生物有激活作用[35]，進而可能促進微生物對有機磷的周轉(zhuǎn)利用。有機磷在大多數(shù)土壤中可占30%～50%，但也可能從低至5%到高至95%[36]，這就意味著在高有機磷含量的土壤中，低分子量有機酸也可以作為潛在的磷素活化劑。

3.2 不同條件對低分子量有機酸活化土壤磷的影響

眾多因素如土壤pH、有機酸種類和用量等會影響到低分子量有機酸對土壤磷活化的效果[16]。首先，在酸性和中性的土壤中，低分子量有機酸能增加有效磷幅度分別為329%和320%，遠高于堿性土壤的56.9%。堿性土壤中含有大量的CaCO3，外源H+的加入不會使土壤pH發(fā)生太大改變，而當土壤不含有CaCO3時，外源H+加入會顯著降低土壤pH[37-38]。換言之，在堿性土壤里，低分子量有機酸解離的H+主要與CaCO3發(fā)生反應(yīng)，對磷酸鹽或磷礦石的影響較小，而低分子量有機酸對磷酸根的絡(luò)合和競爭吸附作用，可能是有效磷增多的主要原因。本研究的結(jié)果也表明，低分子量有機酸在全磷含量低于1 g/kg的土壤中，能增加有效磷331%，低分子量有機酸在有效磷低于20 mg/kg的土壤中，能增加有效磷343%，比在相對應(yīng)的高磷土壤中效果更好，這可能是隨著土壤全磷的增加，有效磷含量也會升高[39]，而活化的磷所占比例相對降低。

本研究主要收集的是培養(yǎng)試驗的數(shù)據(jù)，因此試驗條件也會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。在振蕩培養(yǎng)試驗條件下，低分子量有機酸能增加有效磷334%，而常規(guī)培養(yǎng)試驗為40%，這一方面反映出低分子量有機酸具有活化土壤磷的巨大潛力，另一方面說明在更加接近實際應(yīng)用的條件下，效果會受到制約。Taghipour等[40]通過振蕩培養(yǎng)試驗，表明在10 mmol/L的草酸溶液中，石灰性土壤最高可以釋放1555 mg/kg的磷，而楊紹瓊等[33]的常規(guī)培養(yǎng)試驗研究結(jié)果表明，60 mmol/L的草酸最高能使有效磷增加22 mg/kg左右，可能原因是化學(xué)反應(yīng)在水溶液中更容易進行。低分子量有機酸對土壤磷的活化受到培養(yǎng)時間的影響，在培養(yǎng)1天內(nèi)有效磷就增加257%，隨后活化效果不斷增強，在培養(yǎng)10～20天內(nèi)達到最高372%，20天后效果不斷減弱，表現(xiàn)出速效性和時效性，這與楊紹瓊等[33]的研究結(jié)果一致。酸質(zhì)子反應(yīng)是一個快速的過程，所以在低分子量有機酸加入土壤后，可以先快速地活化一部分磷轉(zhuǎn)化為有效磷，隨后持續(xù)進行絡(luò)合和競爭吸附作用，有效磷持續(xù)增多。低分子量有機酸作為碳源，可被微生物吸收利用，并且也能被土壤自身吸附[41]，因此，隨著低分子量有機酸的耗竭，培養(yǎng)后期提升土壤有效磷的效果逐漸減弱。

眾多低分子量有機酸中，草酸對土壤磷的活化效果最好，能使有效磷增加288%，而檸檬酸和蘋果酸則分別為185%和149%，這與Str?m等[42]的研究結(jié)果一致，劉慧等[43]的研究結(jié)果也表明較高濃度的草酸對磷的活化效果要高于檸檬酸。檸檬酸也有較高的活化能力，龔松貴等[27]通過室內(nèi)模擬試驗表明，在相同濃度下，檸檬酸對酸性土壤磷的活化效果最高。草酸和檸檬酸能與Al3+和Fe3+結(jié)合形成穩(wěn)定的環(huán)狀化合物，降低鐵鋁對磷的吸附[44]。本研究得出的結(jié)論是草酸活化能力大于檸檬酸，可能原因是草酸的酸性強于檸檬酸，在土壤溶液中可以釋放出大量的H+[45]，由于酸質(zhì)子反應(yīng)而釋放出大量的有效磷。低分子量有機酸對土壤磷的活化作用亦受到酸濃度的影響，大量的研究均表明酸濃度越高，對土壤磷的活化效果越好[26,46]。這與本研究低分子量有機酸濃度超過90 mmol/L時，對土壤磷的活化效果降低的結(jié)果不一致，可能原因是低分子量有機酸超過90 mmol/L的處理獨立研究量較少(n=21)，所以95%的置信區(qū)間也表現(xiàn)出較寬的范圍，結(jié)果不太可信。對于植物而言，低分子量有機酸的分泌量可以高至50 mmol/kg[47]，太高的量會造成土壤酸化和重金屬溶解等問題[48]，因此，高濃度低分子量有機酸不具有實際應(yīng)用價值。

低分子量有機酸具有活化土壤磷的巨大潛力，但作為磷素活化劑，在實際應(yīng)用中應(yīng)當注意速效性和時效性，并應(yīng)該考慮不同因素對土壤磷活化效果的影響，以免與植物需磷水平和時期不匹配，或者因過量活化而造成磷素的淋溶損失。

4 結(jié)論

低分子量有機酸的添加濃度范圍為0～1 mol/L，在該添加濃度范圍內(nèi)，其活化土壤磷的效果與土壤pH、磷含量有關(guān)，也與低分子量有機酸的種類和添加時間有關(guān)。在中性和酸性土壤上，磷的活化效果好于在石灰性土壤。在全磷低于1 g/kg或有效磷含量＜20 mg/kg的土壤中的活化效果好于在高磷土壤。草酸和檸檬酸的活化效果較其他低分子量有機酸好，特別是在添加后的1 0～2 0天內(nèi)，超過20天，土壤磷的活化效果降低。