土壤中磷的存在形态及分级方法研究进展

冶赓康，俄胜哲,，陈政宇，袁金华，路港滨，张 鹏，刘雅娜，赵天鑫，王钰轩

（1甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；2甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070；3深圳沃种生物科技有限公司，深圳 518101）

0 引言

植物的生长过程中不可或缺的元素之一就是磷，磷组成了植物生命支撑系统，参与植物的很多代谢发育过程，是许多生物大分子（核酸、蛋白质、抗性物质等）的合成物质，有助于植物进行光合作用，提高植物体内无机物转化为有机物的效率[1]。土壤缺磷导致植物正常生长受到抑制，并影响植物对其他元素的吸收，会出现植株矮小、发育迟缓、叶片易脱落等缺素症状，最终影响作物产量和品质[2]。植物对磷的利用来源以土壤为主，在土壤中总磷含量为0.02%～0.2%，不能满足作物对磷的需求[3]。研究表明，中国1/3的土地缺磷。施用磷肥的季节利用率低于1/5，主要原因是存在磷酸钙(Ca-P)、磷酸铝(Al-P)、磷酸铁(Fe-P)等不易溶性无机磷。土壤中磷元素的积累几乎处于不活跃状态，会对周围水体造成富营养化。磷密度的增大是提高作物产量的一个重要因素，特别是在磷含量高且有利用价值的地区，作物产量有明显的提升，然而，随着水域面积的变化，水环境中磷元素的富集对水体的富营养化构成了极大的威胁。土壤磷素以非有效态固定在土壤中还是以有效态被植物吸收利用主要取决于磷在土壤中的赋存形态，土壤中的磷素按存在形态可分为有机态磷和无机态磷，土壤中无机态磷是主体，一般占总磷库的60%～80%。有机磷大多数以化合物形式存在，大部分的有机磷在植物体内不能被化解、吸收、利用[4]。目前，国内外对土壤磷素含量空间差异及其影响因子进行了大量的研究。而对磷的有效形态及其影响因素报道较少，所以研究分级磷的各种形态有助于揭示磷的生物有效性，对提高磷肥利用率至关重要。

为了定量确定土壤固相组分中能被植物吸收利用的那部分磷的数量，国内外学者提出了各种磷的分类方法。科学合理的磷素分类对揭示土壤磷素含量和变化意义非凡[5]。1956年Chang和Jackson首次提出的比较完整的土壤磷素分级方法，才使得磷素分级方法得到进一步突破，但该方法还是存在一定的局限性。随后，蒋柏藩等[6]提出的蒋柏藩-顾益初无机磷分级方法较为完整。对于有机磷的分级方法，Bowmen等[7]提出的有机磷分级方法较为完整可行。Hedley等[8]提出的同时测定有机无机磷的方法对设备要求高，步骤繁琐，有待于进一步研究改进。

1 国内外研究进展

1.1 磷在土壤中的存在形态

磷、氮和钾元素作为植物体内重要的必需元素影响着植物的生长和发育。土壤磷具有无机磷和有机磷2种化学形式。农业土壤中无机磷含量通常占据土壤中总体磷含量的60%～80%[9]，无机磷大致可分为吸附磷、矿物磷和水溶性磷3种形态。吸附态是指粘土矿物与有机物之间的表面吸附（范德华力）程度、2种磷酸与其他形式的磷酸阴离子之间的化学键或吸附程度[10]，H2PO4-和HPO42-是植物吸收磷酸盐的2种主要形式。土壤中无机磷仅有1%不是以矿物质的形式存在[11]，在石灰土中，一些磷肥在一系列的沉淀反应之后，最终形成羟基磷灰石或氟磷灰石。矿物态磷是一种难以被植物吸收和利用的磷，被铁涂层包裹的矿物态磷是农田土壤中潜在的磷源。如果不去除铁质包膜，磷素的作用就很难发挥。水溶性磷是溶解在无机磷和土壤溶液中的少量磷，它与游离磷酸盐、复合磷酸盐、高分子量磷酸盐和其他可溶性低分子量有机化合物结合，直接被植物吸收，但是其含量非常少。在中国北方的石灰质土壤中，几乎所有的无机磷都是正磷酸盐，钙磷是主要的无机磷，占总磷含量的70%以上。有效磷以及缓效态磷主要分布在表土中，无效态磷的比例随着土壤深度的增加而提升[12]。张泽兴等[13]对北方地区土壤的无机磷形态特征研究发现，北方地区土壤中O-P和Ca10-P含量明显较高，施入土壤的磷肥先转化为 Ca2-P，再转化为Ca8-P、Al-P、Fe-P，最后转化为Ca10-P[14]。在吉林省的黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤4种典型土壤中，无机磷的含量占比情况为黑土占56.73%、白浆土占55.34%、黑钙土占55.57%、暗棕壤占59.79%。无机磷形态以HCl-P为主；黑土与白浆土中，NaHCO3-Pi是土壤中最直接的磷源，黑钙土与暗棕壤中Resin-Pi是作物吸收的有效磷源[15]。在高磷素累积的果园土壤中，随着土壤磷素的累积，土壤磷素形态发生明显变化，当全磷含量≤0.5 g/kg时，各磷形态主要以无机磷、Fe-P为主，随着全磷含量的上升，Al-P占比明显上升，成为主要的磷素形态，Al-P成为土壤有效磷的主要来源[16]。陈敏等[17]通过对北方地区湖泊沉淀物研究发现，磷的主要存在形态为钙结合态磷。南方湖泊沉积物中亦是如此，在武汉市湖泊沉积物中，沉积物磷以无机磷为主，Fe/Al-P、Ca-P、有机磷次之，生物有效磷平均含量占沉积物平均含量的56%左右[18]。谢国雄等[19]对南方地区茶园土壤的研究发现，磷素以无机磷为主，占全磷的72.16%。

有机磷构成了土壤中磷的重要组成，其在总磷中的占比约为30%～50%。土壤有机磷化学反应在0.005%～0.024%之间，平均为0.01%～0.19%。在一些可耕种的土壤中，50%的磷是有机磷[20]。草地和森林土壤的有机磷含量占全磷的20%～50%，磷素的含量与土壤有机质含量呈正相关，与土壤有机质分布具有较高的一致性[21]。有机磷类型按有机磷化合物划分为植素类、核酸类、磷脂3种类型[22]，按磷的结合键划分为正磷酸单酯、正磷酸二酯、有机聚磷酸酯和磷酸酯类。袁东海等[23]对安徽省6种主要旱作土壤研究发现，有机磷含量相对偏低，大多数有机磷无法被植物直接吸收利用，这并不是说有机磷一无是处。一方面，土壤中的有机磷转化为无机磷之后，才可以被植物吸收利用。另一方面，一些有机磷化学物质被植物直接吸收和利用[24]。所以，提高有机磷的利用率是提高磷素利用率的一个重要途径。

1.2 影响土壤磷有效性的因素

1.2.1 土壤化学性质对磷有效性的影响

（1）Ca2+、Al3+、Fe3+等离子。磷元素进入土壤后，会经过一系列的溶解、沉淀、淋溶、矿化等过程。土壤中磷素的溶解、沉淀过程可分为2个体系，即以钙为主的中国北方土壤体系和以铁铝为主的中国南方土壤体系[25]。通过梁建宏等[26]对北方石灰土的研究发现，石灰土钙对磷的有效性有显著影响，一方面，石灰土中钙离子与一部分磷结合形成Ca2-P、Ca8-P等生物有效态磷。另一方面，在富钙环境下，磷很容易被固定在土壤中形成闭蓄态磷。赵楚等[27]对喀斯特地区土壤的研究发现，土壤中大量铁铝氧化物以游离状态存在，吸附磷元素，使其利用率降低。这与王涛等[28]的研究一致，游离铁和氧化铝对磷的吸附能力有很突出的表现，可以有效抑制土壤中有机磷的无机形态，使得土壤中磷的利用率明显下降。有研究显示，在亚热带酸性土壤中，与铁铝氧化物结合的磷约占全部磷含量的18%～33%[29]。

（2）有机质。腐植酸是一种天然高分子有机物。腐殖酸的有机胶体可以在Al(OH)3和Fe(OH)3表面产生包被作用，进而对其保护，减少铁、铝氢氧化物对磷离子的吸附，使得磷的高效性有所提升，进而促进磷的吸收[30]。刘文博等[31]研究表明，当施用5.0%和10.0%的活性腐植酸时，潮性土和红土中的磷含量在15～90天内明显增加。这与裴瑞杰等[32]的研究结果一致，施用腐殖酸和化肥可以大大改善土壤中磷的利用率。人们认为这是由于腐殖酸的多功能基团与磷形成络合物，降低了土壤中磷的固化程度，促进了无机磷的转化。王森等[33]研究表明，生物腐殖酸促进磷从土壤中的释放，因此，可以不使用肥料。计算结果表明，生物腐植酸对土壤磷的总转化率为1.44%。进一步研究腐殖酸对磷有效性影响的机理，可以在未来更好地应用在土壤肥料中，进一步提高磷素利用率。

（3）pH。pH也是影响磷有效性的重要因素，pH对土壤表面的电荷特性有明显的影响。伴随着土壤pH的增加，土壤对磷的固定能力也会进一步加强。根据文勤亮等[34]研究发现，当pH 3.2～5.5时，磷的吸附能力随着pH的增加而降低，而磷的解吸率随着pH的增加而增加。然而，如果pH 7.7～8.4，磷的吸附能力增加，解吸率下降。因此，适当提高土壤pH可以有效提高土壤的固磷和供磷能力。刘淑欣等[35]研究发现土壤磷酸吸收系数(PAC)随pH上升而显著增加，土壤有效磷却随pH上升而显著下降。土壤吸磷状况会因pH高低而有所不同。

1.2.2 土壤物理性质对磷有效性的影响 土壤性质是影响土壤磷素吸收能力的重要因素。粘粒含量与吸磷能力呈正向关联。颜晓等[36]研究发现，土壤粘粒含量、游离氧化铝(Ald)、非晶质氧化铝(Alo)、有机复合铝(Alp)和pH与最大吸磷量显著相关。粘粒含量与最大吸磷量的简单相关系数和直接通径系数呈现正向关联，黏土含量与土壤的吸磷能力呈现正向关联，两者数值联系紧密。这与沈任芳等[37]的研究结果一致，Al-P、Fe-P、O-P与土壤粘粒含量呈极显著或显著相关，说明粘粒中有更多的无机磷存在。宋春丽[38]对红壤土的研究表明，黏粒含量对土壤吸附磷的影响大于其他所有的因素。一般认为，土壤粘粒为磷的吸附提供了充足的基质，粘粒含量高的土壤铁铝含量高，磷吸收能力强。土壤磷有效性还与土壤母质有关，有研究表明，玄武岩发育砖红壤的全磷是浅海沉积物发育砖红壤的2.85倍，而速效磷则是浅海沉积物发育砖红壤比玄武岩发育砖红壤高[39]。

1.2.3 环境因素对磷有效性的影响

（1）水分。水分对磷有效性的影响比较复杂，在不同地区的土壤研究中得到的结论也有所不同。中国南方地区，因为降水多，淋溶作用强烈，磷含量比较低。北方地区降雨量少，淋溶作用弱，磷含量相对较高。研究发现，土壤中水分的变化会改变氧化还原条件，从而影响磷的吸附和解离过程[40]，吸附解离的过程受到影响从而导致磷的有效性受到影响。土壤水分充足有利于磷元素向有效态转化。梁嘉陵[41]对白浆土淹水前后的研究发现，白浆土淹水60天后土壤有效磷为74.9 mg/kg，比淹水30天的有效磷增加12 mg/kg，比灌水前的有效磷增加52.5 mg/kg，淹水效应极为明显。土壤淹没后，一些土壤溶液中的磷浓度明显增加，而水田对磷的需求一般低于干旱地区。磷浓度的增加可能是由于：淹水后三价铁被还原，随后磷被释放（包括闭蓄态磷的释放）；土壤中的有机阴离子取代了部分磷的吸附（磷和有机阴离子的竞争性吸附）；磷酸铁和磷酸铝的水解；如果还原条件很强，H2S可以促进磷酸亚铁释放出磷酸，进一步增加土壤中的可用磷的含量；在酸性土壤中，水浸会增加Fe-P和AI-P的pH及其可溶性。在石灰质土壤中，浸泡可以降低pH，增加Ca-P的溶解度[25]。

（2）温度。温度对磷有效性直接影响较小，主要是通过土壤微生物、植物根系活动来影响磷的有效性。土壤温度变化可以导致微生物种类和活性变化，有些微生物在高温时代谢比较旺盛，对磷的吸附能力增强，孙晓杰等[42]研究发现，黄河甘宁蒙段表层沉积物对磷的吸附过程是可自发进行的吸热反应，温度的提高有利于表层沉积物中磷的吸附和保留，这与张潆元[43]研究结论一致，温度对基质中磷的吸附能力有明显影响。随着反应温度的提高，基体对磷的吸附能力提高。

1.2.4 生物对磷有效性的影响

（1）植物。在植物根系的引导下，土壤中不同形态的磷可以相互转化。钙磷在中国南方沿海盐碱地中占比很大。木林根系分泌质子和有机酸，酸化根系环境使各种形式的钙磷转化为可溶的Ca8-P，较难溶的Ca10-P转化为Ca2-P，进而提高了磷的利用率[44]。不同植物对磷的有效性影响也有所不同。刘盛林等[45]研究表明，种植白蜡能够促进0～20 cm表层土壤难溶性磷(OP)的释放和活化，能有效提高土壤磷有效性。苜蓿种植使土壤磷酸酶活性可以渗透进0～20 cm的表层土壤中，促进其中难溶性磷的分解，有利于可利用的磷转化为速效磷，但由于土壤盐度高，无效的磷难以激活和利用。植物根系可以分泌多种低分子有机酸、氨基酸、还原糖、H+、磷酸酶等，它们的作用方式不同，有的直接作用于土壤，改变土壤pH，有的通过影响土壤微生物活性来影响磷的有效性[46]。

（2）土壤微生物。土壤中富含吸收磷的微生物。土壤中的磷通过解磷菌或者溶磷菌的分解，可以将难溶性磷转化为可吸收的磷。土壤有机磷酸酶和植物酶的水解作用也可作为植物分泌的磷酸盐复合物，供植物吸收利用[47]。还有研究表明存在VA-菌根真菌时植物吸磷明显加快，还能将土壤中难以吸收的磷酸盐转化为有效磷，作用机理为：①真菌的分泌物可以将难溶性有机磷转化为有效磷；②菌丝增加了植物吸磷的面积；③菌根磷酸酶能将土壤磷水解为有效磷；④菌根真菌改变了根际pH，进而影响植物吸磷；⑤菌根植物比无菌根植物呼吸作用强，释放出大量CO2，进而使土壤酸化[48]。这与赵忠等[49]的研究结果一致，菌根混合接种能较单独接种更进一步促进毛白杨苗木对磷元素的吸收。

2 土壤磷素分级方法

2.1 无机磷分级方法

自从1956年张守敬和Jackson[50]首次提出了土壤磷素的完整分类方案以来，土壤磷素的分类方法不断得到发展和完善。虽然张守敬提出的无机磷分级方法使用最为广泛，但是随着研究的进一步深入，有研究者对其方法的准确性提出了质疑。此方法将无机磷分为Al-P（磷酸铝盐）、Fe-P（磷酸铁盐）、O-P（闭蓄态磷）和Ca-P，其中对Ca-P没有进一步分级，导致后来的研究准确性不高，并且此方法只适用于酸性和中性土壤，对于中国北方石灰性土壤并不适用。

1990年，中国蒋伯藩和顾益初[51]提出的分级方法适用于石灰性土壤、中性土壤等含有磷酸钙的土壤。其特点是：（1）将土壤无机磷部分的磷酸钙盐分成3级，即Ca2-P型、Ca8-P型、Ca10-P型；（2）用混合型浸提剂提取磷酸铁盐。具体为0.25 mol/L NaH2CO3浸提磷酸二钙(Ca2-P)；1 mol/L NH4Ac浸提磷酸八钙(Ca8-P)；0.3 mol/L柠檬酸钠-Na2S2O4-NaOH浸提闭蓄态磷(OP)；0.5 mol/L H2SO4浸提磷酸十钙(Ca10-P)；0.l mol/L NaOH-Na2CO3浸提铁磷酸盐(Fe-P)；0.5 mol/L NH4F浸提铝磷酸盐(Al-P)；其中Ca2-P有效率高，Ca8-P有效率低，Ca10-P是一种潜在的磷源。该方法的分类基本上区分了稳定的无机磷形态，但对于探究土壤磷素的动态变化是无益的。

2.2 有机磷分级方法

有机磷分级方法发展较慢，直到1978年Bowman-Cole[52]提出了较为完整的有机磷分级体系。此方法根据有机磷在酸碱溶液中的溶解程度，将有机磷分为活性有机磷(LOP)、中等稳定性有机磷(MROP)、中等活性有机磷(MLOP)、高等稳定性有机磷(HROP)4组。但是有研究发现，该方法对磷的提取不充分。韩晓日等[53]研究发现，用Bowman-Cole法提取土壤活性磷不充分，不能从土壤中的微生物内提取核酸、磷脂等活性有机磷物质，所以无法准确反映土壤中活性磷的实际含量。2004年国内学者范业宽、李世俊[54]对Bowman-Cole法进行了改进，先后通过碱提取再酸提取研究了中活性磷的提取时间和硫酸浓度，使用0.05 mol/L NaOH作稳定性磷的浸提剂，并且将pH 3.0作为划分土壤中稳性磷与高稳性磷的酸度。如今随着核磁共振技术的发展，有机磷分级方法的准确性得到进一步完善。用液态31P核磁共振技术(31P-NMR)研究中国东北地区3种典型土壤中磷的含量及其分类，结果表明，棕壤、黑土和褐土中，黑土全磷、有机磷、有效磷含量及磷酸酶活性均为最高，棕壤和褐土的正磷酸盐含量以及磷酸单脂含量没有明显差异，占比基本为总磷的50%，在褐土中，主要是正磷酸盐，单酯含量只有18%左右[55]。传统的分级方法都是间接法，浸提剂缺乏专一性，不同磷分级之间存在相互干扰等，得到的试验结果并不准确，31P-NMR技术的应用极大地促进了土壤磷形态及转化机制研究[56]。

2.3 Hedley分级法

1982年Hedley等[57]提出的磷素分级方法，同时兼顾了有机无机磷，是目前应用较为广泛的一种方法，该方法将土壤磷分为7类。（1）树脂交换态磷(Resin-P)。这是无机磷，与土壤溶液中的磷保持平衡，可以被阴离子交换树脂取代。可以在土壤溶液被移走移除后立即补充，这是有效磷，是土壤活性磷的主要来源。（2）NaHCO3提取态磷(NaHCO3-P)。这部分磷还包含吸附在土壤表面的磷和可溶性有机磷，也属于有效磷的范畴。（3）土壤微生物磷。这种磷存在于土壤中所有的活体微生物中，主要由有机磷化学物和无机磷矿物质产品组成，如核酸和磷脂，一般约占微生物干物质总量的1.4%～4.7%。在土壤中，微生物磷是有效磷的重要来源，可供植物利用。提取方法是用氯仿熏蒸土壤，用碳酸氢钠从微生物细胞中提取磷。后来的研究表明，这种方法在实践中并不能保障微生物中全部的细胞磷可以被提取出来，并且其提取率还不高，仅为40%以下。（4）NaOH溶性磷。0.1 mol/L NaOH提取的磷主要是无机磷和有机磷，它们通过化学吸附紧密结合在土壤化合物的表面。（5）土壤团聚体中的磷（超声P）。主要结合在土壤团聚体表面的有机磷和无机磷，经超声分散后，用0.1 mol/L的NaOH萃取。（6）磷灰石型磷(HCl-P)。磷灰石主要从石灰性土壤中提取，也可以从风化土中提取部分密封贮存的磷。（7）残留磷。无机磷和有机磷的稳定形态，不能用这种方法提取到的磷。植物和微生物的有效形式包括Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po，这些磷对植物和微生物有效，是土壤中的有效磷源，可以被植物直接吸收，也可以在短时间内被微生物利用。而难溶态磷包括NaOH-Pi、NaOH-Po、超声提取磷、HCl-Pi和残留态磷几种形式。难溶性磷不能在较短的时间内直接使用，但可以随着环境的变化转化为植物和微生物可以利用的形式。Hedley分类法需要先进的设备，比如高速离心机和0.45 μm滤膜，这些设备成本高且耗时。Guppy分级法[58]是改进的Hedley分类法，是一种较为方便的土壤磷素分类方法，该方法可以达到95%的磷回收率，不仅操作难度低、可适用的范围广，并且成本也较为低廉。然而，Guppy法在测量过程中使用孔雀石绿法对于实时测量是没有用的。另外，孔雀绿法在一定程度上限制了Guppy法的应用，因为所有形式的磷都是由ICP测定的[59]。

1993年Tiessen等[60]对Hedley法进行了改进，将土壤磷素分为树脂交换磷(Resin-P)、NaHCO3提取态磷（NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po）、NaOH提取态磷（NaOHPi和 NaOH-Po）、稀盐酸(1 mol/L HCl)提取态磷(D.HCl-P)、浓盐酸提取态磷（C.HCl-Pi和C.HCl-Po）、残留态磷(Residual-P)6类。省去了Hedley系统分类法中的土壤微生物磷和土壤团聚体内磷，因为这部分磷含量较少。此外，一些残留的有机磷是通过罕见的盐酸浸出工艺提取的，这是对最广泛使用的Hedley法分类的改进。国内学者徐光荣等[61]进一步改进了Tiessen法，将提取时间缩短为4 h，用校正系数转换法取代Tiessen法，对于土壤形态中磷的储存量判定更为精准，从而节省了磷组分分类研究的实验时间。

3 展望

目前，中国磷肥利用率很低，磷肥资源也很有限，所以研究清楚对作物有效的磷素形态和各形态磷之间的转化机理对于提高磷肥利用率具有十分重要的意义。虽然土壤环境不能直接改变磷的化学结构，但是通过环境中其他因素的变化可以对磷在土壤中吸附解离的过程产生影响，进而影响磷有效性。无效态磷是土壤中的潜在磷库，挖掘利用潜在磷库是提高磷利用率的重要途径，越来越多的学者开始研究如何将有机磷转化为有效态磷以提高磷在土壤中的利用率。然而，目前人们对磷素在土壤中的吸附、解离、转化的机理了解的还不是很全面，需要进一步完善磷素分级方法，分级提取出更多磷素形态，以便于搞清各组分磷之间的动态变化，将更多的无效磷转化为有效磷。土壤磷素分级方法发展至今，土壤中不同形式的磷是通过一系列的选择性提取来分类的，最常用的方法是张守敬法（1956年）和Jackson法（1982年）。到目前为止，统一的标准体系尚未形成。但是，随着核磁共振技术的发展，磷素分级方法在不断完善，对磷存在形态和转化机制的研究也在不断深入准确。