磷是作物生长必需的营养元素之一，也是农业生产中重要的养分限制因子，可提高作物能量代谢，促进蛋白质合成等^[1-2]。磷肥施入土壤后，易被固定为生物有效性较低的形态，导致磷肥当季利用率低^[3-4]。为满足作物生长需求，我国农田常过量施用磷肥，导致磷素在土壤中累积，一部分磷随径流或向下淋洗流失，可能造成农业面源污染^[5]。因此，探究合理的施肥方式，在提高磷素利用率的同时减少环境污染，对促进我国农业资源领域的发展具有重要意义^[6]。

土壤中磷素形态决定其有效性。土壤磷素分为无机磷和有机磷^[7]。顾益初等^[8]提出将无机磷分为磷酸铝盐（Al-P）、磷酸铁盐（Fe-P）、闭蓄态磷（O-P）和磷酸钙盐（Ca₂-P、Ca₈-P、Ca₁₀-P） 的分级体系，各种磷素形态中磷酸根离子结合的氧化物不同。Bowman-Cole 分级法^[9]将有机磷分活性有机磷、中等活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷4个组分。各种形态磷素有效性不同，有效磷是植物最容易吸收和利用的部分，也是衡量土壤磷素供应能力的关键指标，主要包括含量非常少的水溶态磷，以及能向土壤溶液释放磷的各种有机和无机磷酸盐^[10]。大量研究总结得出，Ca₂-P 是土壤磷素的有效磷源，Ca₈-P、Fe-P 和 Al-P 是缓效磷源，O-P 和 Ca₁₀-P 是潜在磷源^[11-12]。施肥对不同土壤磷素形态的影响存在差异，以施用磷肥为例，王海龙等^[13]研究表明施磷增加石灰性潮土各形态无机磷含量，但金欣等^[14]发现长期施磷降低了𪣻 土 O-P 含量，增加了无机磷其他形态的磷素含量，而王雪艳等^[15]则得出磷肥基施显著提高灌耕风沙土中的 Ca₈-P 和 Al-P 含量。以上差异可能归结于土壤类型和性质等条件的不同。此外，我国农田面积广大、土壤类型多样、气候类型复杂，土壤磷素形态转化易受肥料类型、施磷量、温度等因素影响^[16-18]，且以上几种因素的影响程度尚不明确，当前缺乏土壤磷素形态对施肥响应的整合分析研究，因此，可从施肥方式（如肥料类型、施磷量和施肥年限）、土壤类型和性质、土地利用方式与试验条件等多因素角度出发，综合评估施肥对农田土壤磷素形态的影响。

Meta 分析可将相对独立的试验研究进行整合，这正是解决以上科学问题的有效手段。因此，本研究基于 1990—2023 年中国知网发表的关于施肥对农田土壤磷素形态影响的文献，采用 Meta 分析的方法，定量分析在不同施肥方式、土壤类型和性质、土地利用方式与试验条件等影响因素下，施肥对农田土壤磷素形态和有效性的影响，以期为磷肥合理施用、提高土壤有效磷含量提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源与筛选

基于中国知网数据库，以“施肥”“磷形态”“磷有效性”为关键词检索 1990 年 1 月至 2023 年 7 月发表的有关施肥对我国土壤磷素形态影响的文献，再根据以下条件筛选获取数据：（1）我国境内大田试验，研究内容为施肥对农田土壤磷素形态或有效性的影响；（2）各试验包括不施肥对照组和试验组，除施肥方式外其他参数保持一致；（3）试验必须为相互独立试验、多个独立试验的文章，将每个试验作为一项独立的研究纳入数据集；（4）试验数据为具体数据和图表，必须包括平均值；（5）文献中的土壤 pH，全氮、全磷、全钾、有机质、有效磷含量，年均温、年降水和海拔，其中一个或多个有明确说明；（6）对于一篇文章包括多个采样日期和不同土层的结果，采用最新的采样日期和最上层的测量值；（7）无机磷分级采用顾益初等^[8]提出的分级体系，有机磷采用 Bowman-Cole 分级法。通过人工剔除试验时间、地点和试验结果数据相同的文献，保留相同试验地点不同试验年限数据。基于以上标准，共筛选出文献 30 篇。对符合标准的文献提取论文题目、施肥类型、磷素形态、试验地点、试验时间、土地利用方式、土壤类型、土壤 pH、全氮、全磷、全钾、有机质、有效磷含量、试验位置、年均温、年降水、海拔、试验组和对照组的平均值等，利用 Excel 建立数据库。提取文献数据时，若原文献明确列出，则直接提取；若原文献中数据以图形形式展示，则使用 WebPlotDigitizer 进行数字化转换。共获取 808 组试验数据进行 Meta 分析，试验站点分布情况如表1 所示。

文献调研发现，施肥对磷素有效性主要受到施肥方式、土壤类型和性质、土地利用方式与试验条件的影响，因此，以这些因素为解释变量对所收集的数据进行归纳分类。纳入研究的施肥方式包括单施氮肥（N）、单施磷肥（P）、氮磷肥配施（NP）、磷钾肥配施（PK）、氮磷钾肥配施（NPK）、单施有机肥（M）、磷肥有机肥配施（MP）、氮磷肥有机肥配施（MNP）、磷钾肥有机肥配施（MPK）和氮磷钾肥有机肥配施（MNPK）。根据中国土壤发生分类^[19]将土壤分为铁铝土、淋溶土、半淋溶土、漠土、初育土和半水成土几个系列；施肥方式、土壤理化性质、土地利用方式和试验条件分类标准^[20]见表2。

1.2 数据处理

Meta 分析实质是汇总同样研究目的的研究结果并分析其合并效应的系列过程^[21]。本研究选取的数据都是相对独立的，故可采用 Meta 分析来判断施肥对土壤磷素形态的影响效果。图1 显示收集的试验组数据和对照组数据之比的对数呈现正态分布 （P<0.01），满足 Meta 分析条件。参照 Hedges 等^[22] Meta 分析方法，利用对数响应比作为效应值（E） 分析施肥对土壤磷素形态和有效性的影响效果。对于每一组观测值，其 E 的计算公式为：

式中，${\stackrel{-}{x}}_{\mathrm{t}}$和${\stackrel{-}{x}}_{\mathrm{c}}$分别为施肥和不施肥处理土壤不同磷素形态的平均值。

所纳入文献中大多未报道试验数据标准差或标准误，所以不能使用传统参数式权重 Meta 分析的方法。对于某一变量累积效应值和 95% 置信区间（95%CI）采用 Boot-strapping 方法计算，抽样频率设定为 9999 次^[23]。若施肥对土壤磷素有提高作用，则 E>0；若有消减作用，则 E<0。若 E 的 95% CI 不包含 0，说明效应显著（P<0.05）； 若 E 的 95%CI 包含 0，则影响不显著（P>0.05）。随机效应模型考虑了研究内变异和研究间变异，因此，选择随机效应模型进行计算。

本研究利用 Excel 2010 对数据进行记录和整理，利用 MetaWin 2 进行相关 Meta 分析，利用 ArcGIS 10.8 绘制地图，利用 Origin 2021 绘制正态分布图和森林图等。

2 结果与分析

2.1 施肥对农田土壤磷素形态影响的总效应

本研究收集的 808 组数据显示，各种形态磷素效应值均为正（E ≥ 0.14），即与不施肥相比，施肥增加了土壤全磷、有效磷和所有形态磷素含量（图2）。其中，施肥显著提高 Ca₂-P（E=1.55， 95%CI：1.28～1.81）和有效磷（E=1.44，95%CI： 1.13～1.74） 含量。对 Ca₁₀-P（E=0.14，95%CI：-0.07～0.34）和中等活性有机磷（E=0.20，95%CI：-0.20～0.61）作用效果不显著。

2.2 施肥对农田土壤磷素形态和有效性的影响因素

2.2.1 施肥方式对土壤磷素形态和有效性的影响

不同肥料类型（N、NP、NPK、M、MNP 和 MNPK）对土壤磷素形态的影响如图3 所示。除 N 施肥方式（E=-0.03，95%CI：-1.08～1.02）外，NP、 NPK、M 和 MNPK 4种施肥方式均能增加全磷含量，其中 MNPK（E=0.74，95%CI：0.07～1.41） 增加全磷幅度最大（图3a）。5 种施肥方式均增加了有效磷含量（E ≥ 0.28），其中 N 施肥方式（E=0.28，95%CI：-0.51～1.07）增加效果不显著。MNPK 效应值最高（E=2.27，95%CI： 1.70～2.85），说明其提升有效磷效果最佳。图3c-h 为不同施肥类型对各种无机磷形态的影响。除 N施肥方式对 Ca₈-P、Al-P 和 O-P 的影响不显著外，NP、NPK、M、MNP、MNPK 5种施肥方式对所有无机磷形态影响的效应值均为正（E≥0），即增加无机磷各形态含量。MNPK 显著增加 Ca₂-P、 Ca₈-P、Al-P 和 Fe-P 含量，表明 MNPK 是增加有效和缓效磷源的最优选择。

不同磷投入量对有效磷的影响如图4a 所示。施磷量 ≥ 300 kg/hm² （E=1.83，95%CI：0.90～2.75） 时，有效磷增加幅度最大，即高施磷量更能提升有效磷含量。在本数据集中，施肥时间最短为 1 年，最长为 38 年，10～20 年的数据更为集中。图4b 显示随施肥年限增加，有效磷效应值增大，有效磷提升优于较短年限施肥效果。当施肥时间≥ 20 年 （E=1.82，95%CI：1.19～2.46）时，效应值最高，有效磷提升效果最显著。

2.2.2 土壤类型和性质对土壤磷素有效性的影响

由图5a 知，不同土壤类型下，土壤有效磷表现为初育土 >铁铝土 >漠土 >淋溶土 >半水成土 >半淋溶土，初育土（E=2.01，95%CI：0.89～3.12） 有效磷含量提升最明显，铁铝土结果不显著 （E=1.59，95%CI：-0.05～3.23）。另外，土壤理化性质（pH 和初始全氮、全磷、全钾和有机质含量） 也是影响土壤磷素形态转变的一个重要因素。当土壤 pH 为 6～8（E=1.63，95%CI：1.11～2.14） 时，有效磷的效应值最高（图5b）。当农田土壤初始全氮、全磷、全钾和有机质含量分别为 1～2 g/kg（E=2.07，95%CI：1.33～2.80）、<0.5 g/kg （E=1.57，95%CI：0.97～2.18）、≥ 20 g/kg（E=1.84，95 %CI：1.06～2.61） 和 ≥ 30 g/kg（E=2.00， 95%CI：1.38～2.61）时，施肥对有效磷的提升效果更好。

2.2.3 土地利用方式对土壤磷素有效性的影响

不同土地利用方式下，施肥对有效磷作用如图6a 所示，水田中有效磷的提升幅度最大（E=2.44， 95%CI：-0.33～5.21），但效果并不显著，旱地（E=1.26，95%CI：0.95～1.57）和水旱轮作 （E=2.01，95%CI：0.89～3.12）施肥对有效磷结果显著，效应值低于水田。

2.2.4 试验条件对土壤磷素有效性的影响

气温和降水会通过影响微生物群落组成及活性、酶活性、化学沉淀等过程改变磷活化速度，进而影响有效磷含量^[24-26]。不同气温、降水量和海拔条件，施肥对有效磷含量提升效果不同。如图6b 所示，年平均气温、年平均降水量和海拔分别为≥ 10℃（E=1.54，95%CI：1.01～2.07）、 ≥ 800 mm（E=1.79，95%CI：1.13～2.45） 和 200～300 m（E=1.58，95%CI：0.91～2.25）的条件下，各自效应值最高。

3 讨论

3.1 施肥对农田土壤磷素形态的总体影响

Meta 分析结果表明，施肥可增加各种形态磷素含量（图2），这与大多数相关研究^[27]结果一致，如许琛等^[28]在黄泥土稻田上研究得出长期施磷肥显著增加土壤全磷、有效磷和不同形态无机磷含量。无机磷肥施入土壤后首先转化为各种形态无机磷，土壤中无机磷在一定条件下也发生相互转化。对中酸性土壤、白浆土、黑土及石灰性土壤的研究都表明无机磷是土壤最直接的磷源，其中以 Ca₂-P 对有效磷最为重要，为有效磷源^[11]，与本研究得出 Ca₂-P 和有效磷均显著增加的结果一致。本研究中 Ca₁₀-P 增加效果不显著，可能由于长期单施化学肥料等，Ca₁₀-P 作为潜在磷源可以慢慢转化为可供植物体吸收的有效磷源^[29]。

3.2 施肥对农田土壤磷素形态和有效性的影响因素

土壤磷只有转化成水溶性或弱酸溶性的无机磷形态（H₂PO₄^-、HPO₄ ^2-）才能被植物吸收利用，土壤磷转化为这两种无机磷形态的过程，实质是土壤吸附和固定的磷释放以及磷酸盐矿物溶解的过程，包括有机磷矿化、吸附态磷解吸、无机磷溶解以及迁移过程中与土壤其他组分相互反应等^[30]。因此，凡影响土壤磷化学过程的各种因素都会影响土壤不同形态磷之间的转化及其有效性，主要包括施肥方式、土壤类型和性质、土地利用方式与试验条件等。

3.2.1 施肥方式对土壤磷素形态和有效性的影响

不同的肥料类型中，MNPK 对有效磷和各种形态磷素含量提升效果最显著（图3），是提高磷素利用率的最佳措施，这与孔旭等^[31]的研究结论一致。农业生产中，施用无机磷肥是提高土壤磷素含量的重要措施，但无机磷肥施入土壤后，绝大部分被吸附或结合固定为有效性较低的形态累积在土壤中，小部分因生物作用转化为有机磷，仅有很小一部分表现为有效磷形态^[32]。在此基础上增施有机肥可提高磷素有效性，可能原因有：（1）有机肥可为土壤微生物提供碳源、氮源和能量，增加土壤的生物活性，促进有机态磷矿化，增加有效磷含量^[33-34]；（2）有机肥中较高含量的有机质可提供大量阴离子，掩蔽钙、铁、铝等金属氧化物对磷的吸附位，导致磷固定减少，增加活性磷组分比例^[35]；（3）有机肥中的有机酸在脱羧过程中会消耗土壤中的 H⁺ 并释放 CO₂，提高土壤 pH，加速土壤难溶磷组分的解吸、溶解^[36-37]；（4）有机质中的有机酸促进难溶磷分解^[37]。此外，氮、钾肥施入会显著提高土壤磷酸酶活性，促进有机磷的矿化^[38]。因此，MNPK 最有利于提升有效磷含量。

土壤施磷是引起磷素变化的最直接因素。增加施磷量和施肥年限均显著提升有效磷含量（图4），原因在于高量磷投入可直接显著增加有效磷含量，且随施肥年限增加，有机肥对土壤速效养分提升作用才能充分发挥，改变早期大量施肥但有效磷含量增长缓慢的情况^[39]，田怡等^[40]证实有效磷源 Ca₂-P 和缓效磷源 Al-P 含量随施肥年限增加而升高，Nobile 等^[41]发现连续施用有机肥，有效磷含量随施肥时间延长而增加。增施磷素还需充分考虑环境磷阈值，避免增加土壤面源污染的风险^[42]。

3.2.2 土壤类型和性质对土壤磷素有效性的影响

土壤是作物生长的主要载体，其类型和性质影响水肥利用效率^[43]。对于不同类型土壤，初育土有效磷增幅最大（图5a）。紫色土为初育土土纲中的典型土类，磷含量丰富，但有效性低，其有效性受粘粒含量影响^[44]。铁、铝氧化物及高岭石等粘土矿物是紫色土粘粒的重要组分，其表面含有大量带正电的基团，可为磷提供大量吸附位，使土壤吸附磷的能力很强^[45]。有机无机肥配施可通过提供阴离子掩蔽磷吸附位等机制，减弱土壤粘粒对磷的吸附固定作用，提高有效磷含量^[46]，导致初育土有效磷提升优于其他类型土壤。另外，不同类型土壤磷素对施肥响应的差异可能与土壤 pH 等理化性质有关（图5b）。Meta 分析表明施肥对 pH 6～8 土壤中有效磷的提升幅度最大，主要由于在此 pH 范围内，磷酸盐的固定作用较弱，土壤磷的有效性最高。当土壤 pH 低于 6.5，尤其低于 5 时，磷酸盐易被土壤中的铁、铝、锰氧化物表面吸附固定，或与土壤中游离的铝离子化合沉淀^[47]；随 pH 升高，交换性钙离子和碳酸钙含量升高，磷酸根与钙离子形成难溶性的重过磷酸钙^[48]。因此，土壤 pH 过低或过高均会导致土壤磷的有效性降低。

3.2.3 土地利用方式对土壤磷素有效性的影响

不同土地利用方式下，施肥对水田中有效磷的提升最为明显（图6a），主要原因为（1）淹水状态下，O₂ 的供给被切断，土壤中原有的 O₂ 因微生物呼吸而被消耗，土壤由氧化态转变为还原态，氧化还原电位降低，引起铁、锰等还原、溶解，生成溶解度较高的磷酸亚铁，同时氧化铁、氧化锰胶膜被大量破坏，O-P 的有效性也被提高^[49]；（2）淹水后土壤 pH 趋于中性，酸性土壤中 Fe-P 和 Al-P 的溶解度增加，碱性或钙质土壤 Ca-P 溶解度增加^[50]。但也有研究表明，淹水使水稻土中晶质氧化铁含量减少，无定型氧化铁增加，土壤对磷的吸附能力提高，磷的有效性降低^[51]。综合来看，淹水的总效应表现为促进有效磷含量提升。

综上所述，施肥效果受施肥方式、土壤类型和性质、土地利用方式与气候条件等诸多因素影响，本研究为因地制宜施肥提供理论指导。例如我国南方地区由于高温多雨，水田广布，施肥对有效磷提升效果显著（图6），而土壤偏酸性、铁铝氧化物含量高等特点也使磷酸盐易被铁铝氧化物表面吸附固定^[47]，因此，可选用鸡粪配施无机肥、翻压绿肥、秸秆还田、增施石灰等措施调节土壤 pH 等减弱吸附作用^[52-53]；而北方土壤 pH 偏高，限制了磷素利用率，可通过施用菌肥和腐熟秸秆等方式降低土壤 pH^[54]，促进有效磷含量提升。值得注意的是，Meta 分析表明施磷量增加可显著提升有效磷含量，但同时也增大了面源污染的风险^[42]。近年来，减磷配施秸秆、稻壳还田配施磷肥和沼液化肥配施等^[6，55-57]减磷增效措施在提高磷素利用率方面取得良好效果，添加生物炭、腐殖酸等^[58]新型手段也被证实显著促进了磷素形态转化，为合理施肥提供科学依据。

4 结论

本文基于 Meta 分析方法研究施肥对农田土壤磷素形态和有效性的效应，分析了施肥方式、土壤类型和性质、土地利用方式和试验条件等因素的影响。施肥在整体上增加了土壤全磷、有效磷和各种形态磷的含量。MNPK 是提高磷素利用率的最佳方式，增加施磷量和施肥时间，有效磷提升幅度增大；与其他土壤类型相比，初育土施肥效果更佳，土壤 pH 为 6～8、有机质含量越高，越能提升有效磷含量；水田中施肥，有效磷响应更为强烈；高温高湿（气温≥ 10℃，降水≥ 800 mm）条件更有利于提高磷素利用率。本研究有助于理解施肥对土壤磷素形态和有效性的影响，为综合考虑当地种植条件、制定合理磷素管理方案、提高磷素利用率和减少环境污染提供科学指导。

参考文献