低分子量有机酸对土壤磷组分影响的Meta分析

张乃于，闫双堆*，李 娟，王亚男，刘 越，卜玉山

（1 山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

磷是植物生长发育的必需大量营养元素之一，但是施入土壤中的磷会与钙、镁、铁、铝等金属离子结合，有效性往往较低，对植物生长限制较大[1-3]。由于植物对磷肥的低利用率和土壤对磷的高固持能力，施入的磷肥75%～90%滞留于土壤中[4]，当季肥料回收率通常只有10%～20%。土壤中滞留的磷素大部分会被吸附固定形成残渣态磷，造成磷的盈余量不断上升[5-6]。我国土壤中总磷的累积量明显增加，不同类型农田土壤中全磷含量范围为0.31～1.72 g/kg，平均0.68 g/kg[7]，全国磷盈余总量估计已达1035.8万t[8]。因此，充分挖掘土壤磷潜力，使难溶性磷转化为有效磷是“减磷增效”的重要途径。

磷素活化剂是加速和加强土壤磷转化为作物可吸收利用的磷的一系列材料[9]。植物在适应低磷胁迫中分泌低分子量有机酸是一种比较普遍和有效的土壤磷活化机制[10]。植物根际的低分子量有机酸种类主要有柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸等，含量一般可达1～10 mmol/L，最高可达23 mmol/L[11-12]。大量研究揭示了低分子量有机酸活化土壤磷机制、磷动态释放特征和土壤各形态磷转化规律[13-15]。由于低分子量有机酸的作用效果受土壤类型、土壤磷素水平、有机酸种类和浓度等因素的影响[16]，加之各研究的特定试验条件，关于低分子量有机酸活化土壤磷的结论尚不统一。Meta分析可对具有共同研究目的相互独立的多个研究结果进行系统合并，剖析研究间差异特征，定量综合评价研究结果的统计方法[17-18]。我们从国内外的30篇文献中获取数据，并对数据进行Meta分析，综合评价了低分子量有机酸对土壤磷的影响，比较了土壤pH、有机酸种类和添加量等试验条件增加土壤有效磷的效果，以探究其作为磷素活化剂的可行性和实用性。

1 材料和方法

1.1 数据来源和收集

本研究收集了1990—2018年间在中国知网和Web of Science上发表的低分子量有机酸活化土壤磷的文献并建立数据库，搜索关键词为“低分子量有机酸(low molecular weight organic acids)”、“磷(phosphorus)”和“有效磷(available-P，Olsen-P)”。分析的低分子量有机酸主要包括柠檬酸、草酸、苹果酸等，土壤磷包括有机磷、无机磷和有效磷。有效磷只是一个普遍的定义，一般认为是直接用化学浸提法提取的能被植物吸收利用的磷，本文以各文献报道的有效磷及水溶性磷作为数据分析的有效磷。数据筛选至少包括上述有机酸和土壤磷的一种或多种，根据研究内容的特点，研究数据主要来自室内培养试验，试验设置了重复，同一试验的研究结果只引用一次。最终建立的数据库收录了30篇文献(中文25篇、英文5篇)的研究数据。其中有效磷(available-P)23篇文献，831组数据；铝磷(Al-P)和铁磷(Fe-P)各9篇，各131组数据；钙磷(Ca-P)3篇文献，40组数据；二钙磷(Ca2-P)、八钙磷(Ca8-P)和十钙磷(Ca10-P)各5篇文献，各71组数据；闭蓄态磷(O-P)10篇文献，131组数据；有机磷(organic-P)1篇文献，96组数据。本研究主要以有效磷的文献为主，分析不同条件对低分子量有机酸活化土壤有效磷的影响。

在每一个研究中，我们均记录了试验土壤的采集地点、土壤性质、试验方法、有机酸种类及用量。在建立数据库过程中会存在某些指标和信息原文献没有直接提供数据的情况，我们采取一些再处理措施，主要包括：1)如果文中只报道磷的活化量(处理组磷含量-对照组磷含量)，没有处理组和对照组的具体数值，我们统一以基础土壤的磷含量作为对照组的磷含量，然后计算处理组的磷含量；2)对于以图片格式展示的数据，我们采用Engauge软件对其进行定量化。图1显示所收集的试验组和对照组数据之比的对数(ln，单个效应值)呈正态分布(P＜0.05)，满足Meta分析的条件。

图1 土壤有效磷单个效应值的分布Fig.1 The distribution of single effect size of soil available phosphorus

1.2 数据分析

采用Meta分析的方法研究低分子量有机酸活化土壤磷的综合潜力，利用响应比率的对数值作为效应值(E)来分析低分子量有机酸在不同条件下活化土壤磷的效果及活化机制，具体方法参照Hedges等[19]的报道。对于每一组观测值，其效应值(E)的计算公式为：

采用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 低分子量有机酸对土壤磷的综合影响

低分子量有机酸能活化土壤难溶性磷，使其转化为有效性较高形态的磷(图2)，其中，对有效磷有显著的正效应，效应值为1.139，95%的置信区间(95% CI)为1.058至1.220，表明低分子量有机酸能显著提升土壤有效磷的含量。低分子量有机酸对土壤铝磷、铁磷、钙磷、闭蓄态磷和有机磷均有显著的负效应，表明低分子量有机酸对这些形态的磷具有活化效果，又以对钙磷的活化效果最好，效应值为-0.315(95% CI，-0.448至-0.202)，但数据组较少(n=40)，其次是铝磷-0.240(95% CI，-0.315至-0.171)和铁磷-0.168(95% CI，-0.235至-0.108)，对闭蓄态磷和有机磷的效应值分别为-0.085(95%CI，-0.127至-0.046)和-0.055(95% CI，-0.066至-0.045)。磷分级中，二钙磷、八钙磷和十钙磷是专指石灰性土壤中的无机磷形态，而低分子量有机酸对十钙磷有显著的活化效果，效应值为-0.125(95%CI，-0.183至-0.078)，对八钙磷的效应值为-0.087(95% CI，-0.260至0.057)，但效果不显著，而对二钙磷有正效应，效应值为0.076(95% CI，1.058至1.220)，效果也不显著。

图2 低分子量有机酸对土壤不同形态磷组分的效应值Fig.2 Effect sizes of low molecular weight organic acids on soil different phosphorus fractions

2.2 不同条件对低分子量有机酸提高土壤有效磷含量的影响

图3 不同土壤pH、全磷含量和有效磷含量条件下低分子量有机酸对土壤有效磷的效应值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 低分子量有机酸对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响(图3)。在中性(pH 6～8)和酸性(pH＜6)土壤条件下，低分子量有机酸对有效磷的效应值分别为1.434(95% CI，1.317至1.554)和1.456(95% CI，1.283至1.639)，碱性(pH＞8)土壤条件下，其效应值为0.450(95% CI，0.356至0.543)，表明在pH较低的土壤中，低分子量有机酸对有效磷含量提升的效果较好。在全磷含量低于1 g/kg和有效磷含量低于20 mg/kg条件下，低分子量有机酸对有效磷的效应值分别为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时，其效应值分别为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对较低时，低分子量有机酸对有效磷含量提升的效果更好。

2.2.2 试验方法和培养时间 不同试验方法和培养时间条件下，低分子量有机酸对土壤有效磷含量提升的效果不同(图4)。常规培养试验条件下，低分子量有机酸对土壤有效磷的效应值为0.336(95% CI，0.269至0.407)，振荡培养试验的效应值为1.467(95% CI，1.366至1.568)，而其他试验方法的效应值仅为0.702(95% CI，0.527至0.880)，表明在更加接近实际应用的条件下，低分子量有机酸对有效磷的影响相对较小。培养试验中，培养时间在1天内，低分子量有机酸对土壤有效磷效应值为1.273(95%CI，1.160至1.384)，1～10天内的效应值为1.380(95% CI，1.133至1.633)，10～20天的效应值为1.522(95% CI，1.145至1.983)，效应值逐渐升高；而20～30天的效应值为1.117(95% CI，0.842至1.415)，30天后的效应值为0.718(95% CI，0.587至0.854)，效应值逐渐降低，表明低分子量有机酸对有效磷含量提升的效果具有时效性，并且效果持续增强的时间在20天内，20天后效果减弱。

图4 不同试验方法和培养时间条件下低分子量有机酸对土壤有效磷的效应值Fig.4 Effect sizes of low molecular weight organic acids on soil available phosphorus under different experiment methods and culture time

图5 不同低分子量有机酸和浓度条件下土壤有效磷的效应值Fig.5 Effect sizes of soil available phosphorus under different low molecular weight organic acids and concentrations

2.2.3 低分子量有机酸种类和浓度 低分子量有机酸对土壤有效磷含量提升的效果受到酸种类和浓度的影响(图5)。草酸对土壤有效磷含量提升的效果较好，效应值为1.355(95% CI，1.196至1.517)，柠檬酸和苹果酸的效应值分别为1.047(95% CI，0.923至1.178)和0.914(95% CI，0.672至1.167)，而其他酸的综合效应值为1.156(95% CI，0.999至1.314)；当低分子量有机酸浓度低于30 mmol/L时，其对土壤有效磷的效应值为1.051(95% CI，0.965至1.138)，30～90 mmol/L时的效应值为1.664(95% CI，1.433至1.894)，90～1000 mmol/L时的效应值为1.050(95% CI，0.741至1.377)，这说明在一定的浓度范围内，低分子量有机酸浓度越高，对土壤有效磷含量提升的效果越好。

3 讨论

3.1 低分子量有机酸对不同土壤磷组分的活化

低分子量有机酸不仅来源于根系分泌，也是动、植物残体分解的产物，被认为可以活化土壤中的磷[23]。本研究的Meta分析结果显示，低分子量有机酸可以活化土壤无机磷，使铝磷、铁磷、八钙磷、十钙磷、钙磷和闭蓄态磷量分别减少21.3%、15.5%、8.36%、11.8%、27.1%、8.22%，而有效磷和二钙磷分别增加213%、7.9%。低分子量有机酸可以降低磷的固定，提高土壤磷的有效性，这与孙桂芳等[24]研究结果一致。土壤无机磷一般占总磷的60%～80%[25]，而在石灰性土壤中又以钙磷为主，酸性土壤中以铝磷和铁磷为主，这反映出低分子量有机酸既能在碱性土壤中，也能在酸性土壤中发挥活化无机磷的作用，并且潜力巨大。许多人的研究也证明了这一点，例如，孔涛等[26]采用室内培养试验，研究4种低分子量有机酸对滨海盐碱地无机磷的活化规律，研究发现低分子量有机酸可以活化钙磷、铝磷、铁磷和闭蓄态磷，且20 mmol/kg的用量，可以使有效磷提高12.9倍；龚松贵等[27]通过室温振荡培养试验，研究不同类型的低分子量有机酸对红壤无机磷的活化作用，结果表明，在较高浓度的用量下(≥ 5 mmol/L)，低分子量有机酸可以活化红壤中的铝磷、铁磷、闭蓄态磷和钙磷，最高能释放出140 mg/kg的无机磷。普遍认为，低分子量有机酸活化土壤无机磷的机制有：1)改变土壤pH，促进难溶性磷矿物的溶解[28]，比如磷酸八钙或磷灰石[29]；2)与土壤铁、铝、钙等金属离子发生络合作用，降低磷酸氢根离子(HPO42-、H2PO4-)的结合位点[30-31]；3)与磷酸根离子竞争土壤胶体的吸附位点[32]。

本研究表明低分子量有机酸能使土壤有机磷含量降低5.42%，这是由于低分子量有机酸能产生矿化激发效应，也能促进土壤有机磷由有效性低的形态逐步向有效性高的形态转化[33]，这与陈立新等[34]的研究结果相似。低分子量有机酸加入土壤，可以作为碳源，对微生物有激活作用[35]，进而可能促进微生物对有机磷的周转利用。有机磷在大多数土壤中可占30%～50%，但也可能从低至5%到高至95%[36]，这就意味着在高有机磷含量的土壤中，低分子量有机酸也可以作为潜在的磷素活化剂。

3.2 不同条件对低分子量有机酸活化土壤磷的影响

众多因素如土壤pH、有机酸种类和用量等会影响到低分子量有机酸对土壤磷活化的效果[16]。首先，在酸性和中性的土壤中，低分子量有机酸能增加有效磷幅度分别为329%和320%，远高于碱性土壤的56.9%。碱性土壤中含有大量的CaCO3，外源H+的加入不会使土壤pH发生太大改变，而当土壤不含有CaCO3时，外源H+加入会显著降低土壤pH[37-38]。换言之，在碱性土壤里，低分子量有机酸解离的H+主要与CaCO3发生反应，对磷酸盐或磷矿石的影响较小，而低分子量有机酸对磷酸根的络合和竞争吸附作用，可能是有效磷增多的主要原因。本研究的结果也表明，低分子量有机酸在全磷含量低于1 g/kg的土壤中，能增加有效磷331%，低分子量有机酸在有效磷低于20 mg/kg的土壤中，能增加有效磷343%，比在相对应的高磷土壤中效果更好，这可能是随着土壤全磷的增加，有效磷含量也会升高[39]，而活化的磷所占比例相对降低。

本研究主要收集的是培养试验的数据，因此试验条件也会对试验结果产生影响。在振荡培养试验条件下，低分子量有机酸能增加有效磷334%，而常规培养试验为40%，这一方面反映出低分子量有机酸具有活化土壤磷的巨大潜力，另一方面说明在更加接近实际应用的条件下，效果会受到制约。Taghipour等[40]通过振荡培养试验，表明在10 mmol/L的草酸溶液中，石灰性土壤最高可以释放1555 mg/kg的磷，而杨绍琼等[33]的常规培养试验研究结果表明，60 mmol/L的草酸最高能使有效磷增加22 mg/kg左右，可能原因是化学反应在水溶液中更容易进行。低分子量有机酸对土壤磷的活化受到培养时间的影响，在培养1天内有效磷就增加257%，随后活化效果不断增强，在培养10～20天内达到最高372%，20天后效果不断减弱，表现出速效性和时效性，这与杨绍琼等[33]的研究结果一致。酸质子反应是一个快速的过程，所以在低分子量有机酸加入土壤后，可以先快速地活化一部分磷转化为有效磷，随后持续进行络合和竞争吸附作用，有效磷持续增多。低分子量有机酸作为碳源，可被微生物吸收利用，并且也能被土壤自身吸附[41]，因此，随着低分子量有机酸的耗竭，培养后期提升土壤有效磷的效果逐渐减弱。

众多低分子量有机酸中，草酸对土壤磷的活化效果最好，能使有效磷增加288%，而柠檬酸和苹果酸则分别为185%和149%，这与Ström等[42]的研究结果一致，刘慧等[43]的研究结果也表明较高浓度的草酸对磷的活化效果要高于柠檬酸。柠檬酸也有较高的活化能力，龚松贵等[27]通过室内模拟试验表明，在相同浓度下，柠檬酸对酸性土壤磷的活化效果最高。草酸和柠檬酸能与Al3+和Fe3+结合形成稳定的环状化合物，降低铁铝对磷的吸附[44]。本研究得出的结论是草酸活化能力大于柠檬酸，可能原因是草酸的酸性强于柠檬酸，在土壤溶液中可以释放出大量的H+[45]，由于酸质子反应而释放出大量的有效磷。低分子量有机酸对土壤磷的活化作用亦受到酸浓度的影响，大量的研究均表明酸浓度越高，对土壤磷的活化效果越好[26,46]。这与本研究低分子量有机酸浓度超过90 mmol/L时，对土壤磷的活化效果降低的结果不一致，可能原因是低分子量有机酸超过90 mmol/L的处理独立研究量较少(n=21)，所以95%的置信区间也表现出较宽的范围，结果不太可信。对于植物而言，低分子量有机酸的分泌量可以高至50 mmol/kg[47]，太高的量会造成土壤酸化和重金属溶解等问题[48]，因此，高浓度低分子量有机酸不具有实际应用价值。

低分子量有机酸具有活化土壤磷的巨大潜力，但作为磷素活化剂，在实际应用中应当注意速效性和时效性，并应该考虑不同因素对土壤磷活化效果的影响，以免与植物需磷水平和时期不匹配，或者因过量活化而造成磷素的淋溶损失。

4 结论

低分子量有机酸的添加浓度范围为0～1 mol/L，在该添加浓度范围内，其活化土壤磷的效果与土壤pH、磷含量有关，也与低分子量有机酸的种类和添加时间有关。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。草酸和柠檬酸的活化效果较其他低分子量有机酸好，特别是在添加后的1 0～2 0天内，超过20天，土壤磷的活化效果降低。