農(nóng)田土壤潛在有效磷的轉(zhuǎn)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(shù)研究中心， 山東 青島 266100； 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109； 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 煙草研究所， 山東 青島 266101)

磷是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一[1]。當(dāng)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(chǎn)量和品質(zhì)降低；磷素供給不足時，其植株矮小、生長發(fā)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(nóng)田土壤的缺磷及磷浪費現(xiàn)象比較嚴(yán)重，大田生產(chǎn)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(tài)儲備起來。因此，合理地供給作物生長發(fā)育所需的磷素，是當(dāng)前養(yǎng)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(tài)存在，在土壤有效態(tài)磷素耗竭時便會經(jīng)過物理解吸、化學(xué)釋放、生物分解等過程釋放出有效態(tài)磷；同時在一定的環(huán)境條件下，又可通過物理吸附、化學(xué)固定、生物固持等進一步被鈍化成更難利用態(tài)磷。土壤潛在有效磷可對應(yīng)Hedley分級方法中經(jīng)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(nóng)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(zhì)、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(nóng)田土壤中蘊藏著大量的、可再循環(huán)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(dāng)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(zhuǎn)化和利用已成為當(dāng)前研究的難點問題。為農(nóng)田土壤磷素管理和合理利用提供依據(jù)，從轉(zhuǎn)化機制、影響因素和高效利用措施等方面對農(nóng)田土壤潛在有效磷的轉(zhuǎn)化與利用研究進展進行了概述，同時結(jié)合農(nóng)業(yè)實踐，提出了提高磷素的再循環(huán)利用途徑，并對下一步研究進行了展望。

1潛在有效磷的轉(zhuǎn)化機制及其影響因素

1.1轉(zhuǎn)化機制

從農(nóng)田土壤磷活性看，潛在有效磷的轉(zhuǎn)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(tài)磷轉(zhuǎn)化，這些過程伴隨著磷素的物理、化學(xué)和生物學(xué)變化，常受土壤性質(zhì)及環(huán)境等各方面因素的影響。潛在有效的轉(zhuǎn)化機制包括物理機制(吸附-解吸)、化學(xué)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(zhuǎn)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(tài)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(tài)，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(chǎn)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(tài)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(dāng)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(xué)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(zhì)或鈣質(zhì)膠膜所包被，導(dǎo)致其失去有效性而發(fā)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(diào)節(jié)土壤酸堿狀況能夠有效地釋放出有效磷，當(dāng)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(tài)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(shù)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(jié)合的某些陽離子的價態(tài)，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(tài)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(huán)境會降低土壤中無機磷的有效性，而還原環(huán)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(dāng)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(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生質(zhì)子和有機酸溶解難溶態(tài)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(chǎn)生螯合或交換過程，并通過分泌物產(chǎn)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(dāng)其細(xì)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(jié)皮的形成顯著地提高結(jié)皮層堿性磷酸酶的活性，隨著生物結(jié)皮生物量的逐漸增多，生物結(jié)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(chǎn)生影響[24]。

1.2影響因素

1.2.1土壤類型土壤類型及質(zhì)地不同，其對應(yīng)的理化性質(zhì)也不同，固定磷的能力存在一定的差異。一般情況下，粘質(zhì)土的固磷能力大于砂質(zhì)土，而砂質(zhì)土有機磷的分解速率大于粘質(zhì)土。北方的石灰性土壤大多數(shù)呈堿性，無機磷以Ca-P為主，自然土壤的風(fēng)化程度越低，土壤的Ca-P含量越高，隨著土壤的發(fā)育，Ca-P逐漸被Al-P和Fe-P所取代，磷素有效性發(fā)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(tài)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(zhuǎn)化，使得潛在有效磷發(fā)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(nèi)飽和時，會發(fā)生吸附等過程向潛在有效磷方向轉(zhuǎn)化，使?jié)撛谟行Я缀吭黾?。其他元素肥料通過影響土壤養(yǎng)分形態(tài)和作物對養(yǎng)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]?；瘜W(xué)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?jié)撛谟行Я追纸饣罨癁橛行Я?。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(zhuǎn)化為能夠被作物吸收利用的有效磷[29]。

1.2.3有機質(zhì)有機質(zhì)分解過程中產(chǎn)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(zhì)中一些陰離子競爭專性吸附點，會抑制對水溶態(tài)磷的吸附固定。另外，腐殖酸-金屬-磷酸鹽絡(luò)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(guān)[31]。孫小燕等[32]的研究結(jié)果也驗證了腐殖酸能與土壤中的Al3+、Ca2+及高嶺土等發(fā)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(guān)[33-34]。于壽娜等[35]研究表明，鎘和汞等重金屬無論單一及復(fù)合污染都對小粉土和黃紅壤的酸性磷酸酶活性產(chǎn)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(zhuǎn)化和潛在有效磷的含量。而土壤鎘、銅、鉛和鋅復(fù)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(tài)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(dāng)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(zhì)如有機質(zhì)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(xué)

充分利用各種物理和化學(xué)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(yīng)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(zhuǎn)化成為無效磷[38]。改性膨潤土與磷結(jié)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(tài)的轉(zhuǎn)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(zhì)地發(fā)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(zhuǎn)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(jīng)濟產(chǎn)量。在水稻研究上，通過構(gòu)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(dāng)?shù)仄贩N和國家區(qū)試對照品種。因此，通過基因漸滲可實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(shù)解磷細(xì)菌(PSMs)都能溶解Ca-P化合物，只有少數(shù)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(qū)，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(chǎn)生的排泄物等影響潛在有效磷的轉(zhuǎn)化。蚯蚓的活動產(chǎn)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(zhuǎn)化[27,49]。

2.3農(nóng)藝

合理的農(nóng)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(wěn)性有機磷[55]，而利用秸稈還田可使土壤有機磷主要向中穩(wěn)性和高穩(wěn)性有機磷轉(zhuǎn)化[56]。減少耕作和交叉坡度種植是阻止農(nóng)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(yīng)適當(dāng)集中施于播種穴和播種溝內(nèi)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(nóng)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(huán)、利用土壤潛在有效磷將變得越來越重要。農(nóng)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(dāng)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(chǔ)。

當(dāng)今農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中存在土壤全磷量高、有效利用率低和磷素營養(yǎng)不足的矛盾。今后需要進一步深入研究土壤中各種形態(tài)磷的數(shù)量、轉(zhuǎn)化和固定釋放機制，評價各種形態(tài)磷的有效性，弄清土壤有機磷的組成與轉(zhuǎn)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(huán)的利用率具有重要意義。此外，如何根據(jù)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(fā)揮潛在有效磷對作物生長發(fā)育及產(chǎn)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(tài)磷處于一種動態(tài)平衡，如何在促進有效性磷增加的同時，降低磷素增加而產(chǎn)生的環(huán)境污染風(fēng)險，進一步促進磷素平衡和環(huán)境友好型發(fā)展，也值得深入研究。