摘要
为明确秸秆还田对中国主要粮食作物磷肥利用率的影响，探究不同环境条件和农业措施下作物磷肥利用率的主要影响因素。基于秸秆还田对作物磷肥利用率影响的 27 篇文献 163 条数据，利用整合分析，探究作物磷素吸收量和磷肥利用率对秸秆还田的响应。结果表明，整体上与秸秆不还田相比，秸秆还田可以显著提升磷素吸收量（效应值的范围为 7.78% ～ 16.44%），但对磷肥利用率无显著影响。在秸秆还田条件下，高磷（全磷含量 0.75 ～ 1.50 g/kg；有效磷含量 >20 mg/kg）土壤相比于低磷土壤具有更好地提升磷素吸收量的效果，偏酸性 （pH<6.5）的土壤也更有利于磷素吸收量的提升。磷肥施用量、秸秆施用量、秸秆种类和作物种类均会显著影响磷肥利用率和磷素吸收量。此外，线性拟合结果显示磷肥利用率与全磷、有机质和 pH 分别呈极显著（P<0.01）、显著（P<0.05）和显著（P<0.05）线性负相关；磷素吸收量与有机质呈显著线性负相关（P<0.05）。综上，在水热条件较好的季风气候区域，低有机质高磷含量的壤土上进行玉米秸秆还田能够更好地提升磷肥吸收利用效率。施肥量和秸秆施用量需要根据具体的实际情况进行考虑。研究结果为提高作物磷肥利用效率和制定秸秆资源可持续农业生产策略提供科学依据。
Abstract
The purpose of this study was to clarify the effects of phosphorus use efficiency of major grain crops in Chinese farmland to straw return and its key regulatory factors in different environmental conditions and field management. Based on 163 sets of data from 27 literatures on the effect of straw returning on phosphorus use efficiency in China’s farmland， meta-analysis was used to investigate the response of straw returning on phosphorus absorption and utilization. The results showed that straw returning significantly increased the amount of phosphorus uptake（range of effect size was from 7.78% to 16.44%）while had no significant effect on phosphorus use efficiency. High soil phosphorus（total phosphorus content was 0.75-1.50 g/kg；available phosphorus content > 20 mg/kg ）had a better effect on increasing phosphorus uptake than that of low soil phosphorus，and soil with pH<6.5 was also more conducive to increasing phosphorus uptake under straw returning. The application rate of phosphorus, straw application rate, straw type, and crop type all significantly affect phosphorus use efficiency and phosphorus uptake. Moreover，the total phosphorus（P<0.01），organic matter（P<0.05）and pH（P<0.05） showed significant negative correlation with the phosphorus use efficiency. Phosphorus uptake had a linear negative correlation with organic matter（P<0.05）. In conclusion，in the monsoon climate area with good hydrothermal conditions，returning corn straw to the loam with low organic matter and high phosphorus content had a better effect of improving the absorption and utilization of phosphorus fertilizer. The amount of fertilizer and straw application need to be considered according to the specific situation. This study provided a reference for improving phosphorus fertilizer utilization efficiency and formulating agricultural production strategies for sustainable straw resources development.
Keywords
磷是直接影响作物产量的必需营养元素之一，对作物生长发育起着重要作用。磷在土壤中极易被固定，过量磷肥的施用导致磷形成难溶性磷酸盐残留，使得农田土壤中的磷处于盈余状态，而当季作物的磷肥利用率仅为 10%～25%[1-2]。磷是不可再生资源，当前全球的磷储量会在未来 50～100 年中消耗殆尽[3-4]。土壤磷盈余与磷资源稀缺的困境共存，亟需提出能够协调二者之间平衡的解决方案。
秸秆还田是一种提高磷素生物有效性的实用方法，主要通过释放磷素、提供碳源刺激微生物生长、释放有机酸竞争土壤磷吸附位点 3 种方式来提高土壤磷的有效性[5]。陈雅渊[6]研究发现，与不还田土壤相比，秸秆还田的土壤有效磷含量显著提高，说明长期秸秆还田提高了土壤有效磷含量，改变了土壤活性磷的比例。王昆昆[7]研究表明，秸秆还田通过碳输入调节微生物的营养限制和群落组成，提高土壤微生物量磷与周转，促进磷组分的活化，增加土壤磷素供应能力。丁井魁等[8]研究发现，在石灰性潮土上进行单季和双季秸秆还田均能减少土壤对磷的吸附及增加其对磷的解吸能力，从而提升土壤供磷能力。
然而，秸秆还田的实际应用效果会受到诸多因素影响，同时，土壤中磷素的移动对外界因素的响应也十分敏感。秸秆还田对土壤影响的过程中，主要通过影响腐殖质含量来调节土壤有机质[9]。李春越等[10]研究发现腐植酸对于土壤磷素有一定的活化激发作用，加入腐植酸明显地减少土壤对磷素的吸附量和吸附速率。研究发现，秸秆还田可以影响土壤的 pH[11]，同时土壤中磷素的有效性也与土壤 pH 的关系紧密[12]。以上研究多从单一试验角度出发，具有一定的地域性和局限性，缺乏普遍的指导意义。目前，对于不同环境因素和农业措施下秸秆还田对作物磷肥利用率的影响尚不明确。因此，从全国范围了解评价秸秆还田对粮食作物磷肥利用率的影响，明确造成不同环境条件和农业措施下差异的主要原因，有助于科学高效利用秸秆，提高农田土壤磷素的吸收与利用，揭示秸秆还田对土壤磷素的影响机制。
整合分析是对同一主题下的多个独立研究进行综合的统计学方法[13-15]。近年来，整合分析作为适合更大时间和空间范围的统计工具，在我国农学领域的应用不断延伸，正不断地发挥着独特而重要的作用，已经成为分析关键因素的潜在影响和评价因素变化有效的方法[16]。本研究基于整合分析方法对我国范围内秸秆还田对作物磷肥利用率影响的田间定位研究相关文献数据进行分析，在此基础上讨论不同环境条件和农业措施等不同影响因素下秸秆还田对作物磷肥利用率和磷素吸收量的作用效果，旨在探究秸秆还田对作物磷素利用率的影响，构建合理的秸秆还田及磷素管理策略，以期为提高我国农田作物磷肥利用率和缓解磷资源稀缺危机提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 数据收集及筛选
为了系统全面地揭示秸秆还田对磷肥利用率的影响，本研究基于 Web of Science 和中国知网两个数据库，设定“秸秆还田”“秸秆覆盖”“straw return”“straw mulching”和“磷肥利用率”“磷素吸收量”“Phosphorus use efficiency”“P utilization”“P uptake”作为关键词用于检索 2023 年 12 月 31 日前出版的文献。检索出的文献使用以下标准进行筛选：（1）中国范围内进行的田间试验；（2）同一试验需包含配对的处理组（秸秆还田）和对照组（秸秆不还田）；（3）试验处理的重复数≥ 3；（4）处理组和对照组相关指标的平均值和标准差（SD）可直接从表格中获取或使用 GetData Graph Digitizer 2.24 软件从原始论文图中提取；若文献提供的数据为标准误差（SE），则 SD 可通过 进行转换；（5）论文描述了其他相关信息，包括气候 （年平均降水量和年平均气温）、农业管理措施（磷肥施用量、秸秆还田量、作物种类和秸秆种类）和土壤特性（土壤全磷、土壤有效磷和土壤有机质）。
1.2 数据处理
本研究所选取的指标磷肥利用率（PUE）和磷素吸收量的定义方式如公式（1）（2）所示：
(1)
(2)
式中，PUE 为磷肥利用率，UP 为施磷区作物吸磷量，U0 为不施磷区作物吸磷量，FP 为施磷量。
本研究中的数据均来自检索到的文献。其中，为了对所有数据进行标准化处理，对于文献中给出土壤有机碳（SOC）的，根据公式（3）将其转化为土壤有机质（SOM）。
(3)
在进行文献数据搜集时，需要收集重复数、对照组和处理组指标数值和标准差。若文献中提供的数据为标准误（SE）、变异系数（CV）或置信区间 （CI），则标准差（SD）可通过以下公式进行转换：
(4)
(5)
(6)
式中，mean 为被收集文献中的数据平均值；n 是重复数，当显著性水平α=0.05 时，Zα/2=1.96。
1.3 整合分析
效应值分析由 MetaWin 2.1 实现，统计学指标采用响应比（RR）表示，因为之间的响应具有高度可变性，计算其 95% 的置信区间。其计算公式为：
(7)
式中，Xt 和 Xc 分别是处理组和对照组变量 X 的平均值。在分析过程中，需要将 RR 对数化，采用自然对数响应比（lnRR）来反映秸秆还田对 PUE 和磷素吸收量影响的效应值，计算公式如下：
(8)
同时，进行了汇总方差的计算 V（lnRR），将数据处于同一尺度。
(9)
式中，St 和 Sc 分别为处理组和对照组的标准差，Nt 和 Nc 分别为处理组和对照组的田间重复数。为直观地表达秸秆还田对 PUE 的影响效应，利用公式 （10）将效应值转化为百分比的形式，I 值大于 0 则表示秸秆还田对 PUE 具有提升作用，I 值小于 0 则表示秸秆还田对 PUE 具有降低作用。
(10)
本研究利用 MetaWin 2.1 计算效应值大小和95 % 置信区间，需输入数据包括秸秆还田和不还田磷肥利用率的均值、对应的标准差及样本数。若 95% 置信区间包含 0，表示秸秆还田对磷肥利用率无显著影响（P>0.05）；若 95% 置信区间都大于 0，表示秸秆还田对磷肥利用率具有显著的提升作用（P<0.05），若 95% 置信区间都小于 0，表示秸秆还田对磷肥利用率具有显著的降低作用 （P<0.05）。
为明确试验处理间及各试验结果是否存在异质性（偏倚性），本研究采用 Egger 检验和失安全系数（Nfs）进行异质性检验；采用正态分布检验数据分布是否均匀；采用皮尔逊相关性分析检验两个指标间是否具有相关性；采用极大似然估计方法计算不同因子的组内组间差异从而判断差异是否显著；采用 T 检验比较秸秆不还田与还田时磷肥利用率的平均数之间是否存在显著差异。
1.4 统计分析
使用 GetData Graph Digitizer 2.24 进行数据提取，使用 R 4.0.3 进行数据异质性和偏倚性检验、相对重要性分析；使用 Metawin 2.1 进行 Meta分析，使用 Origin 9.0 进行线性回归分析以及绘图； 使用 SPSS 21 进行正态分析与皮尔逊相关分析。
2 结果与分析
2.1 发表偏倚和数据分布
本文通过中国知网和 Web of Science 数据库，从 27 项研究中得到秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量数据共 163 条，其中磷肥利用率数据 110 条，磷素吸收量数据 53 条。漏斗图和直方图分析结果表明磷肥利用率所用数据不存在偏倚 （P<0.05）。Nfs 分析结果表明，磷肥利用率和磷素吸收量均符合 Nfs>5n+10，这表明这些数据可靠，不存在发表偏倚。综上，本研究所用数据均不存在发表偏倚。
2.2 秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
与秸秆不还田相比，磷素吸收量的平均值增加了 11.54%（图1b），但不显著。整合分析结果显示，秸秆还田总体上会显著增加磷素吸收量（效应值范围为 7.78%～16.44%，下同）（P<0.05，图1c）。
图1秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
注：图1a、b 中，误差条表示 95% 的置信区间，误差条上方和“□”表示不同处理下的平均值，箱体从上到下代表3/4 分位数、中位数和 1/4 分位数。图1c 中点和误差线分别代表效应值及其 95% 的置信区间，如果 95% 的置信区间没有跨越零线表示处理与对照存在显著差异；括号内的数值代表样本数。下同。
2.3 秸秆还田在不同环境对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
在不同的环境条件下秸秆还田对磷肥利用率影响不显著，对磷素吸收量的影响均存在显著差异 （图2）。土壤有机质含量 >15 g/kg（7.29%～20.08%） 和≤ 15 g/kg（4.14%～18.80%）均能显著提高磷素吸收量（P<0.05）； 在不同土壤酸碱性条件下均能显著提高磷素吸收量（P<0.05），其中酸性 （10.90%～31.82%）>碱性（4.65%～29.05%）>中性（3.51%～13.45%）；土壤有效磷含量 <5 mg/kg （0.61%～15.17%）、5～20 mg/kg（6.92%～15.94%）和 >20 mg/kg（15.09%～50.26%）均能显著提高磷素吸收量（P<0.05），其中土壤有效磷含量 >20 mg/kg 时提升效果更显著；土壤全磷含量为0.75～1.50 g/kg（13.22%～40.04%） 和 <0.75 g/kg （4.94%～15.59%）均能显著提高磷素吸收量（P<0.05），其中当土壤全磷为 0.75～1.50 g/kg 时对磷素吸收量的提升效果更显著；土壤质地为壤土（10.41%～23.38%）可以显著提高磷素吸收量（P<0.05）；在温带季风气候 NTM（3.74%～30.55%）和亚热带季风气候 STM（6.75%～17.31%）条件下，秸秆还田均能显著提高磷素吸收量（P<0.05），温带季风气候提升效果更显著。
图2不同环境条件下各影响因素对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
注：SOM：土壤有机质；pH：土壤 pH；AP：土壤有效磷；TP：土壤全磷；ST：土壤质地；CT：气候类型；NTC：温带大陆性气候；NTM：温带季风气候；STM：亚热带季风气候。
2.4 秸秆还田在不同农业管理措施下对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
在不同农业管理措施下磷肥利用率和磷素吸收量均存在显著差异（图3）。对于磷肥利用率，将秸秆以 5000～10000 kg/hm2 的施用量 （7.09%～37.77%）还田可显著增加磷肥利用率 （P<0.05）；秸秆还田于不同作物种类对磷肥利用率差异较大。秸秆还田于玉米田（15.67%～47.83%） 和水稻田（3.88%～24.75%）的磷肥利用率显著增加（P<0.05），还田于小麦田的（-40.73%～-11.46%）磷肥利用率显著降低（P<0.05）；施用水稻秸秆能显著增加磷肥利用率（P<0.05）。对于磷素吸收量，在秸秆还田条件下，90～150 kg/hm2 （3.01%～12.88%） 和 <90 kg/hm2 的磷肥施肥量 （9.87%～25.06%）均能显著提高作物的磷素吸收量（P<0.05），且 <90 kg/hm2 的磷肥施肥量的提升效果更显著；将秸秆以 >10000 kg/hm2 的施用量 （10.57%～29.94%）还田可显著增加磷素吸收量 （P<0.05）；秸秆还于玉米田（7.61%～24.51%）和水稻田（4.18%～15.52%）均可显著增加磷素吸收量（P<0.05）；施用玉米秸秆（12.12%～36.84%） 能显著增加磷素吸收量（P<0.05）。
2.5 秸秆还田影响磷肥利用率和磷素吸收量因素的相关性分析
线性拟合结果显示：磷肥利用率与全磷、有机质和 pH 分别呈极显著线性负相关（P<0.01，图4a）、显著线性负相关（P<0.05，图4c）和显著线性负相关（P<0.05，图4f）；磷素吸收量与有机质呈显著线性负相关（P<0.05，图4k）。
图3不同农业措施条件下各影响因素对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
注：PAR：磷肥施用量；SAR：秸秆施用量；CR：作物种类；SR：秸秆种类。
图4秸秆还田影响磷肥利用率和磷素吸收量因子的相关性分析
注：TP：土壤全磷；MAT：年平均温度；SOM：土壤有机质；SAR：秸秆施用量；AP：土壤有效磷；pH：土壤 pH；PAR：磷肥施用量；MAP：年平均降水量。（a）～（h）中黑点表示磷肥利用率的样本点，（i）～（p）中黑点表示磷素吸收量的样本点。
3 讨论
3.1 秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量的影响
本研究发现，秸秆还田显著提升了磷素吸收量，而对磷肥利用率的影响不显著。前人通过近 20 年的长期定位秸秆还田试验发现，秸秆与化肥配合施用能够促进作物对土壤磷素的吸收和提高磷素利用效率[17]。与本研究一致的是，秸秆还田可以显著增加磷素吸收量，这可能是因为秸秆还田增加了植物对于有效磷的吸收，也增加了土壤养分来源和有效磷含量[18]；而不同的是，秸秆还田对磷肥利用率的影响不显著，一方面可能是因为长期过量施肥造成农业土壤中积累的大量难溶性残留态磷使得磷肥利用率计算公式中不施磷区作物吸磷量数值整体偏大，另一方面，对于一些低磷土壤，秸秆还田的实际应用效益需要加入时间因素的考虑，王昆昆[7]在低磷土地上进行的 5 年秸秆还田试验结果表明土壤有效磷的增长幅度随种植季节的延长而增大。因此，秸秆还田能够激发土壤磷活化和补充土壤磷库容量[19-20]，在减少磷的外部输入并利用土壤中储存的磷来提高农业系统中磷的利用效率方面具有一定的前景。
3.2 秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量的影响与环境因素的关系
在不同环境条件下，秸秆还田对磷肥利用率影响均不显著，但对磷素吸收量的影响存在显著差异。土壤全磷含量反映土壤磷库容量，土壤磷素组成及土壤有效磷含量是评价土壤供磷能力的重要指标[21]。Hedley 磷素分级法将土壤中磷素分为活性磷（H2O-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po）、中等活性磷（NaOH-Pi 和 NaOH-Po）和稳定态磷（HCl-P 和 Residual-P）[22]。本研究结果表明秸秆还田条件下全磷和有效磷对磷素吸收量的影响均显著，其中高磷土壤相比于低磷土壤对磷素吸收量的影响更显著，这与王昆昆[7]的研究结果一致。高磷土壤具有更大的土壤磷库，在添加秸秆后更容易活化稳定态磷，也进一步增加了土壤微生物量磷含量，土壤微生物量磷对高磷地区作物的磷吸收有着更大的贡献[7]。有机质含量对秸秆还田下的磷素吸收量具有显著影响，一方面来说是因为有机质在腐解过程中产生了有机酸等物质溶解土壤中难溶性的磷，减少土壤对无机磷的固定，增强土壤中相关微生物和酶的活性并促进无机磷的溶解，最终增加了土壤有效磷含量，促进了作物对养分的吸收[23]；另一方面秸秆还田使土壤中有机碳源增加，从而降低了土壤对磷素的吸附力[24]，同时新鲜的秸秆碳会提高微生物活性[25]，为微生物在磷限制下的生长和活动提供能量，增强微生物代谢土壤有机质的能力，即微生物对磷的挖掘[26-27]。线性拟合结果显示磷肥利用率和磷素吸收量与土壤有机质含量呈显著线性负相关（P<0.05），这表明在土壤有机质含量低的土壤上进行秸秆还田对磷利用的提升效果更显著，说明在低有机质土壤上添加有机碳可能更有助于增加土壤磷的利用。因为活性碳的支持有利于微生物通过其生物量周转和矿化作用活化磷为作物吸收[28-30]。酸性和碱性的土壤条件均对秸秆还田后的磷素吸收量影响显著，且酸性条件下更显著。这可能是因为酸性环境下有助于土壤酸性磷酸酶作用过程的发生，有机磷分解转化，消耗了 NaOH-Pi、 NaHCO3-Pi，增加了土壤中 NaOH-Po 和 NaHCO3-Po 的含量[18]。外源秸秆会使土壤呈现偏酸环境，酸性磷酸酶对于磷素分解转化作用强于碱性磷酸酶的促进作用[31]。在壤土上秸秆还田可以显著提升作物的磷素吸收量，壤土本身就有较好的保肥和通气条件，而长期秸秆还田可以改善土壤结构状况，提高土壤的保水性、通透性、团聚体的稳定性，改善了作物根系的生长环境[32]，因此提升了养分吸收量。在亚热带季风和温带季风气候地区进行秸秆还田均对磷素吸收量有显著的提升效果，这可能与微生物活动有关，因为季风气候区具有充足的水热条件，能够满足土壤微生物生长繁殖的环境条件，土壤微生物活性相对于其他区域更加旺盛[33]，使得秸秆具有更好的分解条件，而秸秆分解产生的有机酸会争夺磷的吸附位点，限制磷酸盐的吸附潜力，提高了土壤磷的解吸[18]，从而磷素吸收量增加。
3.3 秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量的影响与农业管理的关系
不同农业管理措施对磷肥利用率和磷素吸收量均存在显著差异。在秸秆还田条件下，<90 kg/hm2 和 90～150 kg/hm2 的施肥量均能显著提高磷素吸收量。这与向晓玲等[34]的研究结果一致，秸秆覆盖与施磷均显著提高作物磷素积累量和磷肥吸收利用效率。秸秆腐解产生了大量促进土壤中难溶性磷转化和释放的小分子物质[35-36]，然而磷也存在着一定的阈值，超过界限可能会起到负作用[37]。王贺正等[37]研究结果表明秸秆还田与施加 112.5～150 kg/hm2 范围内的磷肥对提高小麦磷素吸收与利用效果更佳。而本研究结果显示 <90 kg/hm2 的施肥量对磷素吸收量的提升效果更佳，这可能是因为 <90 kg/hm2 施肥量的数据组在环境条件上具有更高的土壤磷含量和有机质含量，所以配施少量磷肥可以达到更好的效果。>5000 kg/hm2 的秸秆还田量均能显著提升磷肥利用率和磷素吸收量。王蒙等[18]研究发现低秸秆还田量对改善土壤结构和调节水土环境的作用微弱，而适量的秸秆还田量不仅可以改善土壤水土环境，还能降低土壤对磷的吸附，增加植物对有效磷的吸收利用，减少农业磷肥的施用需求。玉米秸秆可以显著提升磷素吸收量，秸秆还于玉米田也可以显著提升磷肥利用率和磷素吸收量，这可能是由于玉米根系具有趋肥性，磷肥集中深施能够诱导根系向深层生长，增加深层土壤根系分布比例，促进根系对深层养分的吸收，进而提高地上部植株的磷素积累和利用效率[38-40]。当玉米秸秆还田时，不仅可以增加土壤中不同形态的磷的含量[41]，还能提高不同深度土层中的参与磷循环的土壤酶活性，提升土壤中有机磷矿化速率与有机磷向无机磷转化速率[42]，从而提高磷素吸收量。然而，秸秆还入小麦田却显著降低了磷肥利用率，这可能与该组数据来源较为单一有关，量化效果不够理想，多数试验结果表明秸秆还田有利于提升小麦的磷素吸收利用效率[34，37]。
3.4 秸秆还田应用下提升磷肥利用率的最佳策略
我国面临土壤磷盈余和磷资源稀缺共存的困境，秸秆还田作为一项经济环保的措施可以有效改善和提升作物的磷肥吸收和利用效率[17-18，34，37]。整合分析的结果显示，秸秆还田能够显著提升作物的磷素吸收量，在水热条件较好的季风气候区域，低有机质高磷含量的壤土上进行玉米秸秆还田具有更好的提升磷肥吸收利用的效果。施肥量和秸秆施用量需要根据具体的实际情况进行考虑。这也说明秸秆还田更多是通过促进土壤磷活化与释放来增强作物对磷的吸收利用能力。
4 结论
秸秆还田显著提升了磷素吸收量，对磷肥利用率的影响不显著。在不同环境条件下秸秆还田对磷肥利用率影响不显著，对磷素吸收量的影响均存在显著差异。在高磷（全磷 0.75～1.50 g/kg；有效磷 >20 mg/kg）偏酸性（pH<6.5）的壤土上进行秸秆还田具有更好地提升磷素吸收量的效果。在不同农业管理措施下秸秆还田对磷肥利用率和磷素吸收量均存在显著差异。结合地区气候条件与作物类型，通过优化田间管理，选择适合的施肥量、秸秆种类和施用量，可以最大限度地提高磷肥吸收利用效率。本研究综合量化了秸秆还田对中国区域主要粮食作物磷肥利用率的影响，为未来研究者优化和制定提高磷肥利用效率的措施提供了理论支持，有助于促进作物的养分利用和农业可持续生产目标的实现，为我国今后制定更合理的秸秆还田模式和进行推广应用提供科学依据。本研究可能存在一些局限性，如还田年限和磷肥种类也是秸秆还田重点研究的重要因素，且总体的数据量较少无法将分组进行更细致的分类，未来可以考虑在此方面做进一步的研究与分析。