刘 路， 沈 浦， 张继光， 吴正锋， 石程仁， 王才斌

(1.山东省花生研究所/国家花生工程技术研究中心， 山东 青岛 266100； 2.青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109； 3.中国农业科学院 烟草研究所， 山东 青岛 266101)

磷是作物生长发育的必需营养元素之一[1]。当磷素供给过量时，植株会过量吸收，造成锌、锰元素的代谢紊乱，致使作物的产量和品质降低；磷素供给不足时，其植株矮小、生长发育受限；磷素供给适宜时，还可增强作物的抗旱抗寒能力。我国农田土壤的缺磷及磷浪费现象比较严重，大田生产中磷肥利用率仅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无效态储备起来。因此，合理地供给作物生长发育所需的磷素，是当前养分资源管理中的一个热点问题。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，称为土壤潜在有效磷，或次效磷/缓效磷。这部分磷素作为次级有效态存在，在土壤有效态磷素耗竭时便会经过物理解吸、化学释放、生物分解等过程释放出有效态磷；同时在一定的环境条件下，又可通过物理吸附、化学固定、生物固持等进一步被钝化成更难利用态磷。土壤潜在有效磷可对应Hedley分级方法中经过碳酸氢钠提取后，可被氢氧化钠溶液和稀盐酸溶液提取的磷[4]。一般而言，土壤全磷含量越高，潜在有效磷就越多[5]。农田土壤潜在有效磷的变化主要受外源磷的影响，外源磷投入量越大，潜在有效磷累积越多。土壤类型、母质、气候和人为管理措施等也影响着潜在有效磷的变化[6-7]。农田土壤中蕴藏着大量的、可再循环利用的磷，全磷含量一般为0.5～1.0 g/kg，潜在有效磷含量约占15%～25%。当前，在磷资源消耗加快、磷肥利用率低的背景下，如何促使土壤潜在有效磷得到进一步转化和利用已成为当前研究的难点问题。为农田土壤磷素管理和合理利用提供依据，从转化机制、影响因素和高效利用措施等方面对农田土壤潜在有效磷的转化与利用研究进展进行了概述，同时结合农业实践，提出了提高磷素的再循环利用途径，并对下一步研究进行了展望。

1潜在有效磷的转化机制及其影响因素

1.1转化机制

从农田土壤磷活性看，潜在有效磷的转化包括活化和钝化2个过程，前者向有效磷含量增多方向变化，而后者向难利用态磷转化，这些过程伴随着磷素的物理、化学和生物学变化，常受土壤性质及环境等各方面因素的影响。潜在有效的转化机制包括物理机制(吸附-解吸)、化学机制(固定-释放)和生物机制(固持-分解)(图1)。

图1土壤有效磷与潜在有效磷之间的转化机制

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

1.1.1物理机制(吸附-解吸)土壤中有效态的磷酸盐离子(H2PO4-或HPO42-)易被土壤颗粒表面吸附，变成植物难以利用的状态，使得潜在有效磷含量增加[8]。这种阴离子的交换吸附主要通过静电作用产生，没有专一性，其中的磷酸盐离子可以被其他离子替换而解吸出来，成为有效态磷[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，土壤湿度维持在田间持水量有利于磷的释放。当温度升高、水分增多、土壤松散时，有利于磷酸盐离子的扩散。

1.1.2化学机制(固定-释放)我国南方土壤中含有大量的无定型的氧化铁和氧化铝，对磷有极强的吸附固定作用，土壤中磷酸盐离子容易形成铁铝磷化合物，易使有效磷变成难溶性磷；而北方石灰性土壤中存在碳酸钙和碳酸镁对磷的固定，形成钙镁磷化合物[12-14]。土壤磷酸盐被不溶性的铁(铝)质或钙质胶膜所包被，导致其失去有效性而发生闭蓄作用，潜在的有效磷含量增加。夏凤禹等[15]研究表明，调节土壤酸碱状况能够有效地释放出有效磷，当土壤pH为6～7时，土壤中的铁/铝和钙/镁等元素对磷素的固定作用最小。在缺磷的石灰性土壤中种植白羽扇豆会分泌大量的柠檬酸，致使其二钙磷、八钙磷和闭蓄态磷的含量增加，而钙磷、铁磷和铝磷含量下降[16]，引起根际土壤酸化，土壤磷的扩散系数显著提高，从而大大提高根际土壤中磷的有效性。另一方面，土壤氧化还原状况能够改变土壤中与磷酸阴离子结合的某些阳离子的价态，从而影响磷的有效性。一般而言，土壤淹水后Fe3+还原成Fe2+，土壤闭蓄态磷释放，增加磷酸盐的溶解从而提高磷的有效性[17-18]。对于酸性和中性土壤，氧化环境会降低土壤中无机磷的有效性，而还原环境可活化难溶性的磷化物，从而提高土壤无机磷的有效性。

1.1.3生物机制(固持-分解)微生物吸收土壤中的速效磷以组成有机体，形成生物固定。当C/P大于300时，磷进行纯生物固定作用[19-20]。土壤温度和湿度通过影响微生物活性，对土壤磷的有效性产生影响。如早春低温时，土壤微生物的活性随之降低，从而降低了土壤磷的活化和有效性。当气温升高时，微生物的活动加快了有机磷的分解，磷的活化和有效性提高[21-22]。土壤生物对磷素的活化作用机制：主要通过产生质子和有机酸溶解难溶态无机磷，通过分泌磷酸酶水解有机磷。另外，菌根真菌可通过呼吸作用释放大量的CO2使土壤酸化，产生螯合或交换过程，并通过分泌物产生有机酸和磷酸酶等进而有效地利用土壤中难吸收的磷酸盐[11]。文亦芾等[23]研究表明，微生物在生长过程中固定了部分磷，当其细胞裂解后所释放的磷是土壤有效磷的重要来源。此外，生物结皮的形成显著地提高结皮层碱性磷酸酶的活性，随着生物结皮生物量的逐渐增多，生物结皮层碱性磷酸酶活性呈缓慢上升趋势，在一定程度上对土壤磷的有效性产生影响[24]。

1.2影响因素

1.2.1土壤类型土壤类型及质地不同，其对应的理化性质也不同，固定磷的能力存在一定的差异。一般情况下，粘质土的固磷能力大于砂质土，而砂质土有机磷的分解速率大于粘质土。北方的石灰性土壤大多数呈碱性，无机磷以Ca-P为主，自然土壤的风化程度越低，土壤的Ca-P含量越高，随着土壤的发育，Ca-P逐渐被Al-P和Fe-P所取代，磷素有效性发生变化。不同土壤类型的固磷能力为红壤>水稻土>紫色土。且有效态磷大多分布在土壤耕层，所占比重随着土层的增大而减少[25-26]。

1.2.2施肥施入的外源性磷肥及其他元素肥料会影响磷的转化，使得潜在有效磷发生变化[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内饱和时，会发生吸附等过程向潜在有效磷方向转化，使潜在有效磷含量增加。其他元素肥料通过影响土壤养分形态和作物对养分的吸收等间接影响土壤潜在有效磷的含量。施用有机肥和化肥能够增加活性有机磷含量[28]。化学磷肥配施氮钾和微量元素有机肥能够提高花生对磷的吸收，使土壤有效磷含量下降，促使潜在有效磷分解活化为有效磷。此外，酸化磷肥能有效促进土壤磷的活化，使得潜在有效磷转化为能够被作物吸收利用的有效磷[29]。

1.2.3有机质有机质分解过程中产生的CO2和有机酸对Fe3+、Al3+和Ca2+均有不同程度的螯合作用，促进Fe氧化物、Al氧化物和水化物所吸附磷的释放，因而有利于潜在有效磷的活化。有机质中一些阴离子竞争专性吸附点，会抑制对水溶态磷的吸附固定。另外，腐殖酸-金属-磷酸盐络合物能防止土壤磷的固定，提高其有效性。安志装等[30]报道，大量添加腐殖酸不仅阻碍施入的水溶性磷被固定，而且也可活化土壤中原有的磷。这可能与腐殖酸提高土壤中磷酸酶的活性，促进有机磷(包括腐殖酸自身含磷)的矿化有关[31]。孙小燕等[32]的研究结果也验证了腐殖酸能与土壤中的Al3+、Ca2+及高岭土等发生鳌合作用，降低其对磷的固定，提高磷的有效性。

1.2.4重金属金属元素尤其是重金属可使土壤胞外酶钝化，在重金属条件下，酸性磷酸酶的活性降低，不同重金属离子对酶活性的降低程度有显著差异，且重金属对磷酸酶活性的抑制程度与重金属浓度有关[33-34]。于寿娜等[35]研究表明，镉和汞等重金属无论单一及复合污染都对小粉土和黄红壤的酸性磷酸酶活性产生明显的抑制作用。重金属通过对酸性和碱性磷酸酶活性的抑制作用，影响土壤磷的转化和潜在有效磷的含量。而土壤镉、铜、铅和锌复合污染对酸性磷酸酶的影响不大[36]。

1.2.5温湿度土壤水分较充足时，磷的有效形态存在的比例高，有利于提高磷的有效性，但水分过量时，土壤磷素受淋溶作用损失较多。土壤湿度可影响土壤微生物的活性，进一步影响磷的有效性。温度也可影响有机磷的释放，有机磷的释放速率开始时随温度的升高而增加，当温度超过40℃时其变化速度又逐渐减慢[37]。此外，温度过高和过低都将抑制微生物活性，从而影响土壤磷的有效性。温度和降水等还可通过影响土壤理化性质如有机质分解等间接地影响土壤中磷素的有效性。

2潜在有效磷的高效利用措施

2.1物理/化学

充分利用各种物理和化学措施，促进土壤磷的解吸与释放，提高作物可吸收有效磷的含量，是高效利用潜在有效磷的重要途径之一。改性膨润土具有很强的吸水性和交换能力，在玉米中应用改性膨润土能够使磷肥的H2PO4-和HPO42-在膨润土颗粒上吸附，以缓效磷的形式保存，可有效地防止磷肥固定转化成为无效磷[38]。改性膨润土与磷结合后水溶性弱，但在其不失有效性的情况下抑制土壤对水溶性磷的固定，减缓了速效磷向迟效、无效态的转化[29]。粉煤灰对施入土壤中的磷肥具有一定的缓效作用。一方面，土壤质地发生变化，土壤对磷的固定力减小，有效磷得以释放，另一方面，粉煤灰中含有大量的活性三氧化二铝，可促使土壤中难溶性钙磷化合物向可溶性铝磷化合物转化。对于酸性土壤，加入粉煤灰可使土壤酸度降低，部分铁磷和铝磷化合物中的磷得以释放[16,39]。

2.2生物

2.2.1选育磷利用高效品种筛选和培育磷利用高效品种，能够更多利用土壤潜在有效磷，活化磷素以增加根系吸收。SCHETTINI等[40]采用磷利用高效野生蚕豆P1206002与栽培种Sanilac杂交、回交，获得磷高效回交系，提高了磷的吸收利用效率和经济产量。在水稻研究上，通过构建近等基因系群体(磷利用低效品种Nipponbare和磷利用高效品种Kasalath)，选育出的一些新品系在低磷条件下，其吸收磷量和干物重都高于亲本[41]。程凤娴等[42]培育了4个磷利用高效大豆新品种，无论在低磷土壤还是在中、高磷土壤条件下，磷利用高效品种的收益远高于当地品种和国家区试对照品种。因此，通过基因渐渗可实现植物磷高效性状的遗传改良。

2.2.2微生物资源利用滕泽栋等[43]研究发现，乳酸和α-酮基葡萄糖酸能有效溶解磷酸盐，酸化、鳌合土壤中难溶性磷。大多数解磷细菌(PSMs)都能溶解Ca-P化合物，只有少数能溶解Fe-P和Al-P。也有研究表明，接种菌根真菌对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与土壤的接触面积，二是菌根菌丝能穿过根际磷的亏缺区，吸收利用对作物根系自身无效的那部分磷素，从而提高植物对土壤磷的利用率[45-46]。接种菌根真菌还能提高土壤磷酸酶的活性[47]，促进土壤有机磷水解。此外，黑曲霉、简易青霉和金黄青霉等能有效地溶解难溶性的铝磷，且水稻根系中某些固氮菌具有溶解铁磷的能力[48]。

2.2.3土壤动物土壤动物通过其生命活动及产生的排泄物等影响潜在有效磷的转化。蚯蚓的活动产生大量的蚓粪，蚓粪中含有大量的腐殖酸，而腐殖酸等可明显地减少磷素的固定，从而促进磷向有效磷方向转化[27,49]。

2.3农艺

合理的农艺管理措施能够减少磷肥投入，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]。有机物(肥)与磷肥配合施用，可减少土壤对磷的固定作用，对土壤中难溶性磷化合物具有活化作用[54]。免耕处理能够增加土壤有机磷总量，主要增加中活性和中稳性有机磷[55]，而利用秸秆还田可使土壤有机磷主要向中稳性和高稳性有机磷转化[56]。减少耕作和交叉坡度种植是阻止农田磷地表径流流失的有效措施，在保持水土的同时提高土壤有效磷的含量。此外，在旱耕条件下酸性土壤固磷强度较大。为减少土壤中磷的固定，磷肥应适当集中施于播种穴和播种沟内效果较好[57]。如果撒施于整个耕层，由于土壤与磷肥的接触增加，磷素容易被土壤固定，从而使肥效降低。也可采用颗粒肥料，与有机肥、农家肥或腐植酸类混合后施用，达到减少磷素固定作用，增加作物吸收磷量的目的[58-59]。

3展望

我国磷肥消费量近30年来增长了3倍，由于世界磷肥资源有限，促进土壤磷素的再循环、利用土壤潜在有效磷将变得越来越重要。农田土壤全磷含量一般为0.5～1.0 g/kg，而潜在有效磷约占土壤全磷的比例为15%～25%，相当于每1 hm2土壤有P2O56.5～10.0 t，初步估算潜在有效磷量能够满足作物需求>50 a。然而，对于不同土壤类型和土地利用方式潜在有效磷的储量变化较大，要深入探明土壤潜在有效磷的储量，这是土壤磷素有效利用的重要基础。

当今农业生态系统中存在土壤全磷量高、有效利用率低和磷素营养不足的矛盾。今后需要进一步深入研究土壤中各种形态磷的数量、转化和固定释放机制，评价各种形态磷的有效性，弄清土壤有机磷的组成与转化及其对植物有效性的机理，对磷肥合理施用及提高磷素再循环的利用率具有重要意义。此外，如何根据不同作物需求，一次性或多次性激活土壤潜在有效磷，也需要开展深入研究。

如何发挥潜在有效磷对作物生长发育及产量形成的直接或间接作用，还需要进一步明确。与此同时，土壤潜在有效磷与有效磷及难利用态磷处于一种动态平衡，如何在促进有效性磷增加的同时，降低磷素增加而产生的环境污染风险，进一步促进磷素平衡和环境友好型发展，也值得深入研究。