磷是植物生长发育所必需的第二大营养元素，在植物的新陈代谢和生物途径中起着至关重要的作用^[1]。植物生长发育所需磷主要来自土壤，但石灰性土壤 pH 值高且 CaCO₃ 含量高，大量存在的钙、镁离子极易导致磷素固定，降低了有效磷的浓度并限制了植物生长^[2]。我国石灰性土壤分布广泛，高含量的土壤集中分布于秦岭—淮河流域以北的广大地区。土壤类型主要包括漠土、干旱土、钙层土、盐碱土以及半水成土纲的部分土类^[3]。由于石灰性土壤中 Ca₁₀-P 含量最高而 Ca₂-P 含量最低，导致缺磷现象普遍。通过添加磷肥提高有效磷含量促进植物生长，已成为进行农林生产的必要途径^[4]。

针对石灰性土壤添加磷肥的肥效，已有学者围绕磷肥类型和用量进行了广泛研究^[5-6]。就磷肥种类而言，Shah 等^[7]认为，聚磷酸盐在磷素移动性和有效性方面优于磷酸铵；另有学者认为，水溶性磷肥的肥效优于弱酸溶性磷肥^[8]，施磷酸一铵和磷酸脲的效果优于重过磷酸钙^[9]。针对磷肥施肥量，有学者认为中低磷土壤须增加磷肥的投入来维持土壤磷供应能力，高磷土壤需严格控制磷肥用量，充分利用积累态磷素的有效性^[10]。如施磷量超过植物需求，会导致土壤无效态磷大量积累^[11]。不同磷肥种类和施用量对土壤无机磷形态和土壤有效磷含量的影响效果不同，且不同形态的磷在一定条件下可通过沉淀-溶解和吸附-解吸等反应进行相互转化，进一步影响其有效性。如何匹配石灰性土壤的磷肥施用技术，是农林生产亟须解决的问题。

Meta 分析是一种系统性定量分析方法，它通过整合多个试验数据，系统分析目标处理产生的综合效应。Wang 等^[12]利用 Meta 分析对土壤磷阈值与土壤性质、植物类型和气候的关系进行了研究，刘双凤等^[13]分析了施肥方式、土壤类型和性质、土地利用方式及试验条件等因素对有效磷和各种形态磷含量的影响，还有学者分析了新疆磷肥施用量和磷肥的增产效益^[14]。目前针对石灰性土壤磷肥肥效的 Meta 分析还鲜有报道。由于我国化肥使用所产生的碳排放已达到峰值，而降低化肥使用碳排放主要依赖于减少化肥使用强度^[15]，且我国施用磷、钾肥呈现上升趋势^[16]。如何实现磷肥减量增效，事关农业生产和环境生态保障。因此，基于我国传统肥料磷酸铵、过磷酸钙^[17]和磷酸二氢钾的施用^[18]，对前人的研究结果进行整合分析，得出磷肥施用对磷形态总体趋势的影响十分必要。由于磷盈余后以无机态磷形态为主，因此，本文通过 Meta 分析探讨磷肥施用后各无机磷形态的变化趋势。研究结果为科学施用磷肥提供指导，以促进土壤磷素的高效管理。

1 材料与方法

1.1 数据收集及纳入标准

本研究以中国知网文献数据库（CNKI）和 Web of Science 数据库作为检索数据来源对已发表的论文进行搜集。在中文数据库以“磷肥”或“磷添加”或“施磷”，“磷形态”或“磷组分”和 “石灰性土壤”为主题词进行检索，在英文数据库中设定的搜索语句为 TS=（phosphorus addition OR phosphorus fertilizer）AND TS=（soil phosphorus form OR soil phosphorus fraction）AND TS=（calcareous soil）。检索截止日期为 2023 年 7 月 1 日，共检索出 545 篇文献。

在进行 Meta 分析之前对检索到的文献按照以下标准进行严格筛选：（1）文献中所涉及的实验对象必须是石灰性土壤，所施磷肥必须是无机磷肥，施用方法为基施；（2）采用蒋柏藩和顾益初^[19] 提出的分级体系进行无机磷分级；（3）试验包括试验组和对照组。在同一研究中，试验组和对照组必须在试验场所、植被覆盖类型、土壤质地以及气候特征等方面保持一致，且每个处理的重复数不少于 3 次；（4）各项试验必须是相互独立试验； （5）试验数据如各变量的均值、方差或标准差和样本量能够从文章中直接获取，或可通过软件 Get Data Graph Digitizer 从图表中提取。若文献中缺少相应数据，则在已有数据的基础上通过计算得出；（6）如果一篇文献在多时间尺度上得到试验数据，则选取最近一次试验数据；如果多篇文献在相同地点进行的室外试验施肥量相同，则选用年代较新的文献或记录更为详尽的文献；（7）如果出现多个独立试验（如在不同的位置进行 2 次试验），每个试验被视为 1 个独立研究；如果包含多个土壤深度的结果，则选取最上层土壤的数据。经严格筛选，最后纳入不同区域的文献 12 篇，41 组试验，共计 246 项数据。这些文献研究的区域分布在我国 7 个省份以及巴基斯坦，其中以在陕西省进行的试验最多 （图1）。

1.2 数据整理

采集文献数据时，若文献中数据以正文或表格形式列出，则对数据进行直接读取；若数据以图形式呈现，则通过软件 Get Data Graph Digitizer 提取。所有数据均经过标准化处理进行对比分析。根据添加磷肥种类和浓度进行数据分组。按照施磷肥种类分为 3 组：（1）磷酸铵（以磷酸二铵为主）； （2）过磷酸钙；（3）磷酸二氢钾。按照施磷肥浓度分为 4 组：低浓度（不超过 60 mg/kg）、中浓度 （60～120 mg/kg）、次高浓度（120～180 mg/kg） 和高浓度（超过 180 mg/kg）。将所有磷肥浓度统一换算为 P₂O₅ 浓度（mg/kg）。对于给定浓度为 P 浓度的，以 2.3 为换算因数将其换算为 P₂O₅ 浓度；对于给定磷肥用量为每公顷土壤面积的，则依据土壤容重换算为土壤质量（kg）。若未记录土壤容重则以 1.3 g/cm³ 为容重进行运算。

对试验组和对照组数据之比的对数即单个效应值（ln）进行分析，结果呈正态分布（P<0.05），说明收集的数据可满足 Meta 分析条件（图2）。

1.3 数据分析

Meta 分析通过 MetaWin2.1 进行。在进行数据处理前，对纳入的研究结果进行异质性检验，以确定采用的效应模型。由于文中纳入的文献受到时空、区域及试验者主观因素的影响而存在差异，故采用随机效应模型进行 Meta 分析。

注：图中 a、b、c、d、e、f 分别为 Ca₂-P、Ca₈-P、Ca₁₀-P、Fe-P、Al-P、O-P 效应值频数分布直方图；曲线为高斯分布。

若文中数据为标准误（SE），则使用公式$SD=SE\sqrt{n}$将其换算成标准差（SD），式中，n 为试验重复次数。通过效应值$\mathrm{l}\mathrm{n}RR=\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{\overline{x_t}}{\overline{x_c}}$来表示磷肥添加下石灰性土壤各形态无机磷组分的变化，其中，$\overline{x_t}$和$\overline{x_c}$分别为处理组和对照组土壤各形态磷含量的平均值。研究内方差$V=\frac{S{D}_t^2}{n_t{\stackrel{-}{x}}_t^2}+\frac{S{D}_c^2}{n_t{\stackrel{-}{x}}_c^2}$，权重系数$W_{\mathrm{i}\mathrm{j}}=\frac{1}{V}$。通过平均效应值$R{R}_{++}=\frac{\sum _{i=1}^m\sum _{j=1}^{k_i}{W}_{ij}R{R}_{ij}}{\sum _{i=1}^m\sum _{j=1}^{k_i}{W}_{ij}}$描述各形态无机磷整体的变化大小，式中，m 为分组数，k_i 为第 i 组的总比较试验对数，j 表示 k_i 中的第 j 对。RR₊₊ 的总体标准误$S\left(R{R}_{++}\right)=\frac{1}{\sqrt{\sum _{i=1}^m\sum _{j=1}^{k_i}{W}_{ij}}}$。平均效应值的 95% 置信区间 CI=RR₊₊±1.96S（RR₊₊）。

运用 Graph Pad Prism 9.5.1 绘制磷肥添加对各形态无机磷含量影响的森林图。在森林图中，横坐标轴值为 0 表示对照处理，如果某一指标平均效应值的置信区间横跨坐标零点，则认为磷肥添加对该指标无显著影响；反之，则说明磷添加对该指标具有显著影响（P<0.05）^[20]。

2 结果与分析

2.1 磷肥添加种类对土壤磷形态的影响

添加不同种类磷肥对土壤无机磷形态影响不同 （图3）。就总趋势而言，添加磷肥对土壤二钙磷 （Ca₂-P）、八钙磷（Ca₈-P）、铁磷（Fe-P）和铝磷 （Al-P）有显著的正效应，而十钙磷（Ca₁₀-P）和蓄闭态磷（O-P）在施磷酸二氢钾后 Ca₁₀-P 和 O-P 无显著变化。在各形态无机磷组分中，Ca₂-P 效应值最高，为 0.7457；Ca₈-P、Fe-P 和 Al-P 分别为 0.1546、0.2337 和 0.2427；而 Ca₁₀-P 效应值最低，仅为 0.0104。但不同磷肥种类对无机磷形态影响程度也明显不同。

对各无机磷组分中的 Ca₂-P 而言，在添加磷酸二氢钾后效应值最高，为 1.0326，显著高于其他磷肥处理；而施过磷酸钙后 Ca₂-P 的效应值又高于施磷酸铵（图3a）。Ca₈-P 的效应值在施磷酸铵后为 0.1827，高于施磷酸二氢钾。虽然施过磷酸钙后的效应值最低，但与施磷酸二氢钾的差异不显著 （图3b）。4 种无机磷形态 Ca₁₀-P（图3c）、Fe-P（图3d）、Al-P（图3e）和 O-P（图3f）含量变化规律一致，均在施过磷酸钙后效应值最高；施磷酸铵的效应值与过磷酸钙差异不显著，但施磷酸二氢钾效应值最低。

注：a、b、c、d、e、f 分别为施不同类型磷肥后 Ca₂-P、Ca₈-P、Ca₁₀-P、Fe-P、Al-P、O-P 的平均效应值；* 代表差异显著（P<0.05）。图5 同。

向土壤添加磷肥后，各形态无机磷组分有所差异（图4）。施用磷酸铵、过磷酸钙和磷酸二氢钾后，钙磷 Ca-P（Ca₂-P、Ca₈-P 和 Ca₁₀-P）效应值在无机磷总量中占比分别为 57.70%、54.91% 和 76.18%；而 Fe-P 所占比例为 12.85%～19.56%；Al-P 所占比例为 9.36%～21.48%；O-P 含量效应值占比最低，仅为 1.61%～4.20%。因此，石灰性土壤增施磷肥后，主要增加了 Ca-P 的比例，而 O-P 的比例很小。

在不同磷肥品种中，Ca₂-P 平均效应值占 Ca-P 的比例在施磷酸二氢钾后最高，为 87.38%；其次是过磷酸钙，为 82.44%；施磷酸铵后所占比例最低，为 73.59%。Ca₂-P 占无机磷总效应值的比例在施用磷酸二氢钾、过磷酸钙和磷酸铵后分别为 66.56%、44.72% 和 42.47%。这表明，无论是磷酸钙盐还是无机磷，Ca₂-P 组分比例的效应值均表现为磷酸二氢钾 >过磷酸钙 >磷酸铵。

注：a、b、c 分别为添加磷酸铵、过磷酸钙和磷酸二氢钾各形态无机磷的效应值比例；总 = 表示各形态无机磷效应值之和。

2.2 磷肥添加浓度对土壤磷形态的影响

与对照处理相比，施低浓度磷肥后各形态无机磷均显著增加，施中浓度磷肥无机磷组分除 Ca₁₀-P 外均显著增加，施次高浓度磷肥后各形态无机磷均无显著变化，而施高浓度磷肥后仅 Ca₁₀-P 和 Fe-P 无显著变化（图5）。添加不同浓度磷肥后，各无机磷组分中均以 Ca₂-P 的增加最为显著，效应值为 0.8236；其次 Fe-P 和 Al-P 效应值分别为 0.3299 和 0.3815；而 Ca₈-P 效应值为 0.1664，Ca₁₀-P 含量效应值最低，仅为 0.0087。这表明，不同浓度磷肥对土壤无机磷形态有不同程度的影响。

添加不同磷肥浓度后各形态无机磷的变化规律不同。其中施高浓度磷肥对 Ca₂-P 含量影响的效应值为 1.4949，施次高浓度次之，在中浓度时最低；Ca₈-P 在施高浓度磷肥后最高，其次是施低浓度磷肥，而施次高浓度后效应值最低，为 0.0809； Ca₁₀-P 含量的效应值在施低浓度磷肥后最高，为 0.0124，施中浓度磷肥后最低；而 Fe-P 和 Al-P 含量效应值随磷肥浓度提高而增加。

各形态无机磷含量的比例随施用磷肥浓度不同而有所差异（图6）。就不同形态而言，Ca₂-P 占比最高，为 37.14%～51.26%，Fe-P 和 Al-P 占比分别为 16.97%～22.21% 和 14.15%～25.65%，O-P 占比仅为 1.74%～5.07%。Ca₂-P 效应值占无机磷各形态总效应值的比例在低、中、次高和高浓度时分别为 51.26%、37.14%、42.93% 和 50.74%；而 Ca₂-P 占 Ca-P 总效应值的比例在低、中、次高和高浓度时分别为 78.43%、73.64%、88.85% 和 84.50%。

2.3 各形态无机磷效应值相关性

不同无机形态磷之间存在着不同程度的内在联系（ 表1）。Ca₂-P 与 Ca₈-P、Fe-P 和 Al-P 呈显著正相关，Ca₈-P 与 Fe-P 和 Al-P 呈显著正相关， Ca₁₀-P 与 O-P 呈显著正相关。这表明 Ca₂-P 可首先转化为 Fe-P、Ca₈-P 和 Al-P。

注：a、b、c、d、e、f 分别为施不同浓度磷肥对 Ca₂-P、Ca₈-P、Ca₁₀-P、Fe-P、Al-P 和 O-P 影响的效应值。

注：a、b、c、d 分别为施磷低、中、次高和高浓度对各形态无机磷含量影响的效应值比例；总 = 表示各形态无机磷效应值之和。

注：* 表示显著相关（P<0.05），** 表示极显著相关（P<0.01）。

3 讨论

3.1 矿质肥料磷添加对土壤无机磷形态的影响

石灰性土壤中，钙是决定磷移动性的主要因素。由于碳酸盐和重碳酸盐的存在，磷肥施入石灰性土壤后形成了一系列的磷酸盐，其中 Ca₂-P、 Ca₈-P、Al-P 等大部分转化为其他形态无机磷，而 Fe-P 和 Ca₁₀-P 大部分以自身形态存在^[21]。这些形态的无机磷在土壤中，Ca₂-P 是有效磷的主要组分，Ca₈-P、Al-P 和 Fe-P 为缓效磷源，而 Ca₁₀-P 和 O-P 为潜在磷源^[22]。研究表明，磷肥施入土壤后，以 Ca₂-P 含量的增加最为显著，其次为 Ca₈-P、 Al-P 和 Fe-P，而 Ca₁₀-P 和 O-P 含量的变化幅度相对较小。这一分析结果与前人一致，即不同施磷处理均可显著增加石灰性土壤 Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P 和 Fe-P 的含量，而 O-P 和 Ca-P 增加不明显^[23]。但也有研究发现，磷肥施入石灰性土壤后主要转化为 Ca₂-P 和 Ca₈-P，其次是 Al-P 和 Fe-P，O-P 和 Ca₁₀-P 没有明显变化^[8]；吉冰洁等^[24]研究发现，不同施磷处理均可显著增加 Ca₂-P、Al-P、Ca₈-P 和 Fe-P 的含量，而 O-P 和 Ca₁₀-P 增加不明显。因此，磷肥添加可显著增加 Ca₂-P 这一有效成分而对潜在磷源影响较小。由于磷酸盐在土壤中的转化方向是 Ca-P → Al-P → Fe-P^[25]，而短期内 O-P 和 Ca₁₀-P 难以生成，因此，施用磷肥如何影响 Ca₈-P 关系到磷有效性的高低。

不同磷肥磷的形态不同可导致土壤无机磷各形态变化的不同。就 Ca₂-P 而言，施磷酸二氢钾时 Ca₂-P 含量平均效应值最高，其次是施过磷酸钙，而施磷酸铵时 Ca₂-P 含量平均效应值最低。不同磷肥对各形态无机磷的影响与肥料组分和 pH 有关^[26]。磷酸二氢钾呈酸性反应，施入土壤可降低土壤 pH 值，促进土壤中无机磷的溶解，使得 Ca₂-P 含量平均效应值最高^[27]；而过磷酸钙虽然是化学酸性肥料，其主要成分除水溶性磷酸一钙外，同时还含少量的硫酸铝、硫酸铁，磷酸根大部分会转化为 Ca₂-P 和 Ca₈-P，其次是 Al-P 和 Fe-P，在一定程度上降低了 Ca₂-P 的产生。磷酸铵进入土壤后，首先形成 MgNH₄PO₄·6H₂O 和 Ca（NH₄）₂（HPO₄）₃·2H₂O。随着铵态氮的吸收，生理酸性产生 H⁺ 逐渐促进钙磷的形成^[24]。因此， Ca₂-P 的增加可能有一定的滞后性。此外，磷酸铵的损失率高于过磷酸钙^[28]，也是造成 Ca₂-P 平均效应值低的原因。从 3 种磷肥对 Ca₂-P 的影响来看，施用磷酸二氢钾的效果最佳。

3.2 施肥浓度对石灰性土壤无机磷形态的影响

随着磷肥施用量的不同，石灰性土壤中各形态无机磷含量表现出不同程度的上升。廖文华等^[28] 研究发现，随施磷量增加，Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P 和 Fe-P 含量显著增加而 O-P 和 Ca₁₀-P 无显著变化；而尹金来等^[29]研究表明施磷水平提高，Fe-P 和 Al-P 先明显增加后下降，而 Ca-P 和 O-P 始终无明显变化；也有研究发现，随着施磷水平的提高对 Ca₂-P 影响较大，而 Ca₈-P、Al-P、Fe-P、 O-P 和 Ca₁₀-P 含量显著提高仅出现在高施磷量水平^[30]。因此，磷肥施用量显著影响着各无机磷组分形态的变化。本研究结果表明，随着磷肥施用量的增加，各形态无机磷含量均增加但增加幅度不同。在施低、中浓度磷肥后均对磷形态有显著的正效应，而施次高浓度磷肥后各形态无机磷均无显著变化，施高浓度磷肥后 Ca₁₀-P 和 Fe-P 无显著变化。

磷肥用量增加最明显的特征就是磷的固定。在施低磷浓度下，磷的固定主要通过黏粒吸附作用，其中吸附力较弱的 PO₄ ^3- 易于被解吸而再次进入土壤溶液，提高土壤中磷的有效性^[31]；而施较高浓度磷后，土壤中富含 Ca²⁺、Ca（HCO₃）₂ 和 CaCO₃，通过沉淀作用与 PO₄ ^3- 发生结合，生成各类难溶性磷酸钙。从这一机理来看，应减少石灰性土壤磷肥的施用量。由于仅有 Ca₂-P 可直接对有效磷产生影响，而 Ca₈-P 主要是通过影响 Ca₂-P 间接影响土壤磷的有效性，因此，分析 Ca₂-P 在无机磷总效应值中的比例非常重要。通过 Meta 分析，施低浓度磷肥后 Ca₂-P 占无机磷总效应值的比例最高，这说明施低浓度磷肥有利于有效磷的提高。因此，本研究建议磷肥的施用量不超过 60 mg/kg。这一推荐量也得到了不少学者的支持。例如，徐晓峰等^[32]基于关键磷组分的存储贡献率，推荐施用量应控制在 38.46 mg/kg 左右，在西北干旱区磷肥施用量减少至 28.00～30.00 mg/kg 仍可保证稳产^[33]。随着化肥减量增效工程的实施，建议施磷肥浓度不超过 60 mg/kg 是适宜的。

4 结论

本研究通过 Meta 分析探讨石灰性土壤施用磷酸铵、过磷酸钙和磷酸二氢钾 3 种磷肥种类在施用低、中、次高和高浓度共 4 种磷肥后土壤各无机磷组分效应值的变化。与不施用磷肥相比，施用磷肥显著提高了土壤 Ca₂-P、Ca₈-P、Fe-P 和 Al-P 的效应值，其中 Ca₂-P 的平均效应值最高，为 0.7457，其次 Ca₈-P、Fe-P 和 Al-P 为 0.1546～0.2427； 而 Ca₁₀-P 的平均效应值最低，仅为 0.0104。在施用磷酸铵、过磷酸钙和磷酸二氢钾后，Ca₂-P 平均效应值为 0.5446～1.0326。Ca-P、Fe-P、Al-P 和 O-P 平均效应值在无机磷中分别占 54.91%～76.18%、 12.85%～19.56%、9.36%～21.48% 和 1.61%～4.20%。在施用磷酸铵、过磷酸钙和磷酸二氢钾后 Ca₂-P 占无机磷总效应值的比例为 42.47%～66.56%。

随着磷肥施用量的不同，各形态无机磷含量表现出不同程度的上升。在施低浓度、中浓度磷肥时均对磷形态有显著的正效应，而施次高浓度磷肥时各形态无机磷均无显著变化，施高浓度磷肥时仅 Ca₁₀-P 和 Fe-P 无显著变化。在施用低、中、次高和高浓度磷肥处理后，Ca₂-P 平均效应值为 0.4503～1.4949，且占无机磷总效应值的比例为 37.14%～51.26%。综合来看，在石灰性土壤中，磷酸二氢钾为最佳磷肥种类，浓度以不超过 60 mg/kg 为宜。

参考文献