玉米种植体系土壤磷素有效性对有机肥长期施用响应的Meta分析

吕春玲，陈延华，何文天，张思宇，姜娜，樊代佳，杨华薇，杨殿林*，邹国元*

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097；3.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

玉米是我国三大粮食作物之一，玉米轮作体系也是我国重要的农作物种植体系之一，对我国粮食安全起着至关重要的作用。但在该种植体系下，为了提高作物产量，过量施磷现象非常普遍。由于在玉米种植体系中作物对磷肥的当季利用率较低，约有75%以上的磷素以难利用态累积在土壤中。有效磷作为土壤磷库中对作物最为有效的部分，可直接被作物吸收利用，是表征土壤供磷能力的重要指标。长期施肥的农田中虽然土壤磷素盈余，但是可被作物利用的有效磷亏缺，已成为作物生长的一个重要限制因子。大量研究表明，长期施用有机肥能提高土壤磷素有效性，其提升效果受有机肥投入、土壤性质和气候条件的综合影响。因此，明确不同影响因素下施用有机肥对土壤有效磷含量的差异变化，对于合理施用有机肥、保障粮食安全和实现废弃物资源化利用具有重要意义。

有机肥的施用是影响土壤有效磷含量的重要因素之一。大量长期试验表明，单施有机肥或化肥配施有机肥处理的土壤有效磷增加量显著高于单施化学磷肥。同时，肥料投入，如投入量、有机肥种类、有机肥配施比例以及施用年限，均对土壤有效磷具有不同程度的影响。如张田等在河北潮土上连续7 a的试验表明，不同种类有机肥对土壤有效磷的贡献，表现为猪粪＞鸡粪＞污泥。此外，如英国洛桑试验站170多年的长期定位试验研究表明化肥和有机肥的合理配施可以显著提高土壤有效磷含量，不同有机肥替代比例对土壤中有效磷含量影响显著，随有机肥替代比例的增加，有效磷含量增加。杨振兴等对褐土进行21 a定位施肥试验后发现，有机肥替代比例为40%时，土壤有效磷变化量为1.7 mg·kg·a；替代比例为50%时，变化量为3.7 mg·kg·a；替代比例为100%时，变化量为5.6 mg·kg·a，有效磷含量年上升率是单施化学磷肥的1.6～5.4倍。NOBILE等发现连续施用有机肥，随着施肥时间的延长，土壤有效磷的含量增加。另外，不同轮作方式对土壤磷素状况影响差异较大。

土壤因素（如土壤类型、有机质和pH）对土壤有效磷含量有显著影响。对于褐土而言，长期化肥配施有机肥处理20 a后，土壤有效磷含量由4.97 mg·kg提升至79.57～117.57 mg·kg，年增加量为3.73～5.63 mg·kg，是单施化肥处理的3～5倍；而红壤上长期化肥配施有机肥16 a后，有效磷年增加量约9.8 mg·kg（由12.4 mg·kg增至169.2 mg·kg）；长期施肥16 a的黑土，在单施化肥处理下土壤有效磷含量低于40 mg·kg，而化肥配施有机肥处理土壤有效磷含量能达到80 mg·kg，有效磷的年增加量约3.61 mg·kg。此外，研究表明，土壤有效磷状况与土壤有机质含量密切相关；在农业实践中土壤有机质含量的提高可以增加固相磷的解吸量，提高磷活性，增加有效磷含量。SEILSEPOUR等研究发现，土壤有机质含量与有效磷含量显著相关。另外，pH值是影响土壤中磷酸盐形态和转化的重要因素。研究表明，pH在3～7时，HPO4是土壤中活性最高的磷酸根离子，易被作物吸收；pH从9降至3时，土壤磷的解吸量增加。除了受到施肥和土壤性质的影响，土壤有效磷含量还受到气候因素的影响，如年均温度和年均降雨量，其直接影响土壤的温度和水分状况，进而影响土壤有效磷含量。

目前，我国关于施用有机肥对土壤有效磷影响的研究，主要围绕单一或少数特定试验点展开，且由于受不同有机肥投入、土壤因素和气候条件的影响，其研究结果并不一致。本研究通过对已发表的有关有机肥对土壤有效磷含量影响的相关文献进行试验数据搜集，采用整合分析（Meta-analysis）的方法，评价施用有机肥对土壤有效磷含量的影响及其驱动因子，以期为合理施用有机肥、提高土壤有效磷含量和建立合理的磷肥管理策略提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究通过检索中国知网、“读秀”学术、万方数据库、Springer link和Web of Science数据库，英文文献 检 索 以TS=“organic fertilizer”AND TS=“available phosphorus”为检索式，中文文献以主题=“有机肥”AND主题=“长期定位”AND关键词=“有效磷”OR关键词=“玉米”为检索式，检索时间范围为1990—2020年。整理建立包括试验点经纬度、有机肥类型、施用年限、有机肥替代化肥比例、土壤类型、磷投入量、有效磷含量、有机质含量、pH等参数的数据库。文献筛选标准如下：（1）种植方式为玉米种植体系（小麦-玉米轮作、小麦-大豆-玉米轮作、大豆-玉米轮作、玉米连作）的我国境内大田试验；（2）试验处理包含单施化肥（CF）和化肥配施有机肥（CFM）处理，每个处理的重复数不少于3次，CF和CFM处理磷投入量相等，且研究结果有土壤有效磷（Olsen-P）含量的数据；（3）0～20 cm土层试验前的基本理化指标；（4）包含≥5 a的长期定位试验的土壤类型和有机肥类型。此外，还包括每个试验不同的有机肥替代化肥比例（有机肥磷投入量占总磷投入量的比例），以及经过CF和CFM处理后有效磷的数据。经筛选后，符合条件的文献共147篇，包含305组试验数据。具体的试验点位分布情况及文献数量为东北地区（29篇）、华北地区（41篇）、华东地区（26篇）、西北地区（26篇）和南方地区（25篇）。

基于整理建立的数据库与本研究内容，查阅文献并对数据进行分组：（1）有机肥投入，如有机肥种类、磷投入量、有机肥替代化肥比例和施用年限，其中关于有机肥种类的划分主要参考张艳洁等的研究进行分类；（2）土壤因素，包括土壤类型、有机质含量和pH值，主要是依据我国第二次土壤普查的分级标准进行划分，如有机质含量分为＜0.6%、0.6%～1%、1%～2%和2%～3%；（3）气候因素，包括年均降雨量与年均温度。

1.2 数据分析方法

本研究对文献数据的获取，主要采用的是Getdata Graph Digitizer软件，对于文献中已给出的数据标准误（），通过公式（1）进行转换。

式中：为标准差；为重复数。

采用Meta Win 2.1软件进行Meta分析，利用统计学对数据进行处理，以响应比（response ratio，）为评价指标，并通过处理分析得到其相应的95%的置信区间（95%），在分析过程中，施用有机肥对土壤有效磷的影响程度采用自然对数响应比（ln）来反映，计算公式为：

5.2.2 及时收录处理常用数据 机井计量设施监控平台反馈的运行信息数据要及时进行业务对接处理并存档管理。

式中：和分别表示CFM处理和CF处理有效磷含量的平均值。对每个独立研究的响应比进行加权得到加权平均响应（）。

式中：（）为的标准差；为权重系数；为平均值变异系数；95%是95%的置信区间；和分别是CFM处理和CF处理重复数。

Meta分析前需要对各试验结果及处理间进行异质性检验，确定分析所采用的模型（固定效应模型，＞0.1；反之随机效应模型），然后对所有数据资料的响应比进行合并，得到加权平均响应。最后，运用GraphPad Prism 8软件绘制各因素对土壤有效磷增幅的森林图，本研究中土壤有效磷增幅是指CFM相比CF处理土壤有效磷含量增加的百分比，通过（-1）×100%计算得到。在森林图中，若土壤有效磷增幅的95%的置信区间横跨坐标零点，则可以判断施用有机肥对土壤有效磷的影响与单施化肥相比不显著，反之则显著。

2 结果与分析

2.1 农田土壤磷素有效性随施磷量的变化差异

对不同的磷源分析发现（图1a），每投入100 kg·hm的磷，土壤有效磷的增加量为CFM＞CF，CFM处理土壤有效磷含量提高约2.88 mg·kg，约是CF处理的2.6倍，即有机肥对提高土壤有效磷含量的影响显著。整合分析表明（图1b），与CF处理相比，在不同磷投入量条件下CFM处理均能显著提高土壤有效磷含量，提高幅度存在较大差异。低施磷量（＜75 kg·hm）时，CFM处理下有效磷提升幅度为87.4%；中等施磷量（75～150 kg·hm和150～300 kg·hm）时，提升幅度为115.9%和129.6%；高施磷量（＞300 kg·hm）时，提升幅度为302.6%。其中，高施磷量对土壤有效磷的提升效果显著优于低施磷量和中等施磷量。

图1 磷投入量对土壤有效磷的影响Figure 1 Effects of phosphorus inputs on soil available phosphorus

2.2 有机肥种类对土壤磷素有效性的影响

如图2a所示，施用有机肥，每投入100 kg·hm的磷土壤有效磷的增加量，表现为畜禽粪便类＞商品有机肥类＞秸秆类＞城市垃圾类有机肥。整合分析后发现，城市垃圾类有机肥对土壤有效磷增幅的影响不显著；畜禽粪便类、商品有机肥类和秸秆类有机肥均显著提高土壤有效磷含量，且提高幅度差异较大；畜禽粪便类和商品有机肥类对土壤有效磷含量的提升效果强于秸秆类有机肥，且差异显著（图2b）。对畜禽粪便类有机肥进一步分析表明，猪粪、鸡粪和牛粪最容易引起有效磷含量的增加，增幅分别为210.4%、209.3%和156.7%（图2c）。每投入100 kg·hm的磷，土壤有效磷的变化量也是猪粪、鸡粪和牛粪最高（图2d）。

图2 有机肥种类对土壤有效磷的影响Figure 2 Effects of different types of organic fertilizers on soil available phosphorus

2.3 不同比例有机肥替代化肥对土壤磷素有效性的影响

如图3a所示，每投入100 kg·hm的磷，土壤有效磷的变化量为0.5～7.4 mg·kg，随有机肥替代化肥比例的增加呈增加趋势。进一步整合分析结果表明（图3b），在不同的有机肥替代化肥比例下，除替代比例为40%外，施用有机肥对土壤有效磷含量的提升效果随有机肥替代化肥比例的增加而升高，且差异显著。当有机肥替代化肥比例为30%时，土壤有效磷增幅仅为5.8%；当有机肥替代化肥比例为50%时，土壤有效磷增幅为54.6%；当有机肥替代化肥比例为70%、75%和100%时，土壤有效磷增幅可达155.3%、211.7%和239.7%。

图3 有机肥替代化肥比例对土壤有效磷的影响Figure 3 Effects of organic fertilizer replacement ratio on soil available phosphorus

2.4 有机肥施用年限对土壤磷素有效性的影响

通过整合分析（图4）发现，与CF处理相比，CFM处理在不同的施用年限均显著提高了土壤有效磷含量，随着施肥年限的增加，土壤有效磷提升幅度呈增加趋势，其范围为118.3%～217.2%，但有机肥对土壤有效磷含量的提升效果在不同施用年限未达到显著差异。

图4 有机肥施用年限对土壤有效磷的影响Figure 4 Effects of organic fertilizer application duration on the increase of soil available phosphorus

2.5 轮作方式对施用有机肥提升土壤有效磷含量的影响

图5 轮作方式对土壤有效磷的影响Figure 5 Effects of rotation system on the increase of soil available phosphorus

2.6 土壤类型对施用有机肥提升土壤有效磷含量的影响

土壤类型是限制有机肥施用对土壤有效磷含量提升效果的重要因素，CFM处理与CF处理均显著提高土壤有效磷含量（图6），但增幅因土壤类型而异，具体表现：红壤＞潮土＞褐土＞黑土＞棕壤，在红壤上土壤有效磷增幅达212.1%，显著高于在黑土（77.2%）和棕壤（12.7%）上的增幅。有效磷增幅在红壤、潮土和褐土间无显著差异。

图6 不同土壤类型对施用有机肥提升土壤有效磷含量的影响Figure 6 Effects of soil types on increasing soil available phosphorus

2.7 土壤pH和有机质对施用有机肥提升土壤有效磷含量的影响

与CF处理相比，在不同土壤pH和有机质含量下，CFM处理均能显著提高土壤有效磷含量，但其提高幅度存在差异（图7）。土壤有机质含量是影响有机肥对土壤有效磷含量提升效果的关键因素，在土壤有机质含量为0.6%～1%时，土壤有效磷增幅可达248.5%，分别是土壤有机质含量＜0.6%、1%～2%和2%～3%时的2.1、2.0倍和10.9倍。对于不同的土壤pH，土壤有效磷含量的提升幅度相对大小表现：pH5～6.5（168.8%）＞pH6.5～7.5（136.7%）＞pH7.5～9（101.7%），当pH为碱性（7.5～9）时，施用有机肥对土壤有效磷的提升效果，显著低于pH为酸性（5～6.5）和pH为中性（6.5～7.5）时，但pH为酸性（5～6.5）和pH为中性（6.5～7.5）时，两者无显著差异。

图7 不同土壤pH和有机质对施用有机肥提升土壤有效磷含量的影响Figure 7 Effects of pH and soil organic matter on increasing soil available phosphorus

2.8 气候因素对施用有机肥提升土壤有效磷含量的影响

由图8可见，土壤有效磷增幅随年均降雨量和年均温度的增加均呈增加趋势。在年均降雨量＞800 mm时，土壤有效磷增幅最大，达到188.0%，分别是年均降雨量400～800 mm和200～400 mm的1.7倍和2.4倍。土壤有效磷增幅在年均温度＞16℃的地区最大，达到212.1%，而在年均温度≤12℃的地区为85.0%。

图8 气候因素对土壤有效磷的影响Figure 8 Effects of climatic factors on the increase of soil available phosphorus

3 讨论

3.1 有机肥投入对土壤磷素有效性的影响

磷投入是引起土壤有效磷变化最为直接的因素，在不同磷投入量条件下，施用有机肥均能显著提高土壤有效磷含量，且高施磷量（＞300 kg·hm）对土壤有效磷的提升效果，显著优于低施磷量（＜75 kg·hm）和中等施磷量（75～150 kg·hm和150～300 kg·hm）。这主要是因为磷投入直接增加了有效磷的含量，且有机肥的施用可以提高土壤的供肥容量，改善土壤的养分状况，使土壤有效磷含量提升效果显著优于单施化肥，但当磷投入量＞300 kg·hm时，作物增产不显著（作物产量有效磷阈值为10.9～21.4 mg·kg），肥料利用率明显降低，使得磷素在土壤中大量累积，配施有机肥能够活化土壤中难利用态磷素，从而使土壤有效磷含量急剧上升，提升效果达到最佳。因此对于低磷土壤，可考虑通过高量施磷（配施有机肥），快速提升土壤有效磷含量；对于中高磷土壤，应充分考虑环境磷阈值，避免农田土壤面源污染的风险。

有机肥种类也是影响土壤有效磷含量的重要因素。本研究表明不同种类有机肥对土壤有效磷含量的提升效果，表现为畜禽粪便类＞商品有机肥类＞秸秆类＞城市垃圾类有机肥，其中又以猪粪、鸡粪和牛粪对土壤有效磷含量的提升幅度最大。这主要是因为不同种类有机肥本身的磷含量不同，且各形态磷占比差异较大。有研究表明，无机磷、活性和中等活性有机磷与土壤有效磷显著正相关。畜禽粪便类有机肥中无机磷含量较高，有机磷以活性和中等活性有机磷为主，另外，又因牛粪中中等活性磷含量高，猪粪和鸡粪易被矿化分解释放大量的活性磷，三者均具有较高的磷素有效性，长期施用后，本身的磷素输入量更大，因此，对土壤有效磷含量的提升效果更为显著。但是，畜禽粪便类有机肥中重金属含量远高于其他有机肥种类的含量，长期施用会增加环境污染和人体重金属超标的风险，因此，畜禽粪便类有机肥的无害化处理技术迫切需要得到关注，以实现其广泛的资源化利用。

有机肥替代化肥比例较高（75%和100%）时，土壤有效磷含量的提升效果更佳，一方面可能是有机肥的施用能够增加土壤有机质的含量，土壤有机质含量与土壤有效磷含量呈显著正相关，因此，随有机肥替代化肥比例的提高，土壤有机质含量增加，土壤养分的活化速度加快，土壤有效磷含量大幅度提升；另一方面可能是有机肥能为土壤微生物提供碳源、氮源和能量，促进土壤的生物活性，增加磷素在土壤中的有效转化。本研究收集的有机肥替代化肥比例为40%的数据，主要集中在两个长期定位试验点，可能误差较大，有待进一步研究。在实际生产中，综合作物产量和质量、经济成本及环境因素，推荐有机肥替代化肥比例为50%、25%和20%，研究结论不尽一致，因此，对于最佳的有机无机肥配施比例值得进一步研究与探讨。

另外，有机肥对土壤有效磷含量的提升效果在不同施用年限未达到显著差异，这可能是本研究统计的施用年限（＜30 a）有局限性，且有机肥潜力较大，肥效持久，但有机肥养分释放缓慢，通过增加施用时间，有机肥对土壤速效养分的提升作用才能被充分地发挥出来，因此对施用年限的研究有待进一步的统计。但随着有机肥施用年限的延长，土壤有效磷增幅呈增加趋势。主要是因为有机肥施用年限对土壤不同形态磷含量的影响，有机肥施用时间越长，土壤中有效性较高的无机磷含量越高，活性和中等活性有机磷越易被矿化，对土壤有效磷含量的提升效果显著；其次，随着有机肥施用年限的增加，有机质水平不断提升，而pH值逐渐降低，促进了难溶性磷向有效磷的转化。因此有机肥的长期施用应重点关注其用量及替代比例。

3.2 不同轮作方式下施用有机肥对土壤磷素有效性的影响

不同轮作方式影响着土壤磷素循环及其有效性。本研究中不同轮作方式下施用有机肥对土壤有效磷含量的提升效果具体表现：玉米连作＞小麦-玉米轮作＞大豆-玉米轮作＞小麦-大豆-玉米轮作。这主要是因为不同轮作方式下不同的作物对磷素表现出的需求各不相同，且其根系对土壤磷素的利用能力差异较大，如VETSCH等的研究表明，相对于玉米和小麦，大豆是需磷量较大的作物；李洋等的研究也表明，豆科作物根系附着的根瘤菌能够以氮固磷，提高豆科作物根系对磷素的吸收与利用。因此，大豆-玉米轮作与小麦-大豆-玉米轮作方式下，作物对磷素的吸收利用大于玉米连作及小麦-玉米轮作。也有研究表明，相较于连作，轮作体系能够提高作物对磷的吸收效率，且玉米的外生菌根具有提高土壤磷素有效性的作用。这就会出现玉米连作方式下，长期施用有机肥土壤有效磷含量的提升幅度高于玉米与其他作物轮作方式下土壤有效磷含量的提升幅度。在农业生产中，玉米与其他作物轮作不仅能改善土壤养分状况，也能提高作物对磷素的吸收率，减少磷素的浪费。

3.3 不同环境因素下施用有机肥对土壤磷素有效性的影响

不同土壤因素下，长期施用有机肥对土壤有效磷含量的提高幅度有显著差异（图6和图7）。对于不同土壤类型，土壤有效磷增幅表现为红壤＞潮土＞褐土＞黑土＞棕壤，其中，以红壤有效磷增幅最大，为212.09%，棕壤有效磷含量增幅较小。这主要是因为不同土壤类型，有机质含量和pH差异较大。pH直接影响磷的存在形态，进而影响到土壤中有效磷的含量，当土壤pH为酸性（5～6.5）时，有利于难溶磷酸盐的溶解，从而提高有效磷的含量；随着土壤pH增加，磷酸会与钙或铁铝形成磷酸盐沉淀，降低磷的有效性；土壤有机质含量则是土壤肥力的重要指标，有机质含量较低（0.6%～1%）的低肥力土壤，施用有机肥对土壤有效磷的提升效果显著优于高肥力土壤（有机质含量为1%～2%和2%～3%）。有机质含量过低（＜0.6%）时，土壤有机质与土壤有效磷之间无显著相关性，土壤黏粒对磷酸盐的束缚作用强于有机质中有机酸对磷酸根离子的交换作用，致使磷酸根离子很难被释放出来。因此，低pH（5～6.5）和低有机质含量（0.6%～1%）的红壤地区有效磷的提升效果优于其他高pH和高有机质含量的土壤。这与本研究中pH和有机质含量对土壤有效磷增幅的影响一致。另外，也有可能与各类土壤的矿物组成差异有关，土壤矿物组成（黏粒矿物）影响着土壤对磷的吸附固定能力，如红壤地区矿物组成以高岭石为主，而潮土、褐土、黑土和棕壤的矿物组成则以水云母和蒙脱石为主，高岭石对磷的吸附固定能力显著大于蒙脱石和水云母，降低了土壤磷素活性，施用有机肥能够解吸大量被吸附固定的磷，使其进入土壤溶液，提高土壤有效磷含量。

另外，对于不同的气候因素而言，年均降雨量和年均温度是表征气候类型的主要指标，在高温（＞16℃）、多雨（＞800 mm）的气候条件下，CFM处理对土壤有效磷含量的提升效果显著优于低温（≤12℃）、干旱（200～400 mm）的提升效果。这可能是因为年均降雨量和年均温度通过各种直接和间接的过程影响着土壤有效磷含量，一方面，高温会促进磷的吸附固定，多雨则直接驱动着磷淋失，二者均不利于有效磷含量的提升；而另一方面，施用有机肥增加了土壤有机质含量，加速了无机磷的解吸、有机磷的矿化及土壤微生物对磷的转移和转化，对土壤有效磷的累积影响显著。综合气候和施肥两方面因素对土壤有效磷的影响，其总效应表现为正向促进，因此，在高温（＞16℃）、多雨（＞800 mm）地区施用有机肥，利于土壤有效磷的提升，但在实际生产中，也要慎重考虑其磷淋失的风险。

4 结论

本研究通过整合分析探讨农田土壤磷素有效性对有机肥长期施用的响应。总体而言，在我国农田有机肥替代化肥可提高土壤磷素有效性，有效磷含量提高幅度约为单施化肥处理的2.6倍，且随着磷投入量的增加，单施化肥与有机无机配施处理间土壤有效磷含量提高幅度差异加大。但在不同环境因素下，施用有机肥对土壤有效磷的提升效果存在差异。在低肥力（有机质含量为＜1%）、酸性（pH 5～6.5）或中性（pH 6.5～7.5）土壤中，建议长期配施畜禽粪便类有机肥，并特别注意有机肥替代化肥比例，以期更有效地发挥有机肥的效应，改善土壤有效磷状况并提高土壤的生产能力；在高肥力、高温（＞16℃）或多雨（＞800 mm）土壤中，应充分考虑环境磷阈值，特别关注磷投入量（＜300 kg·hm）及有机肥替代化肥比例，避免造成农田土壤面源污染的风险。