含聚磷酸铵肥料对作物产量效应影响的整合分析

Integrated Analysis of the Effect of Fertilizer Containing Ammonium Polyphosphate on Crop Yield

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.02.002

李志兵 Zhibing LI , 籍婷婷 Tingting JI , 姚彬 Bin YAO , 杨效家 Xiaojia YANG , 黄成东 Chengdong HUANG

中国农业大学资源与环境学院/国家农业绿色发展研究院/植物-土壤相互作用教育部重点实验室北京 100193 College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/National Academy of Agriculture Green Development/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193, China

Author notes:

Correspondence to: 黄成东(1986—)，男，博士，副教授，研究方向为绿色智能肥料创新与设计；chengdonghuang@cau.edu.cn

摘要：

以聚磷酸铵、不同磷肥为主要关键词，在中国知网(CNKI)和Web of Science数据库共筛选出75篇文献(中文55篇，英文20篇)，获得527组数据。以施用磷酸铵肥料为对照组，施用含聚磷酸铵肥料为试验组，采用整合分析的方法，定量评价施用含聚磷酸铵肥料对作物产量、土壤有效磷含量和磷肥利用率的影响。与施用磷酸铵肥料相比，施用含聚磷酸铵肥料可显著提高作物产量，增长幅度(E)为4.4%；虽可提高土壤有效磷含量(E为3.0%)，但效果不显著；可显著提高磷肥利用率(E为56.0%)。作物产量效应的亚组分类分析结果表明：含聚磷酸铵肥料在番茄和玉米上的施用效果较好；作物产量、土壤有效磷含量、磷肥利用率随土壤有机质含量、土壤pH的升高而提高，随聚磷酸铵含量升高而降低，随聚磷酸铵平均聚合度的增大而提高。施用含聚磷酸铵肥料提高了作物产量、土壤有效磷含量和磷肥利用率，增产效应受土壤性状、作物类型、聚磷酸铵含量和聚磷酸铵平均聚合度的影响。

关键词：

聚磷酸铵; 产量; 土壤有效磷; 磷肥利用率; 整合分析;

Abstract：

Using ammonium polyphosphate and different phosphate fertilizers as the main keywords, a total of 75 articles (55 in Chinese and 20 in English) are selected from the China National Knowledge Infrastructure (CNKI) and Web of Science databases, and 527 sets of data are obtained. Using ammonium phosphate fertilizer as the control group and fertilizer containing ammonium polyphosphate as the experimental group, the integrated analysis method is used to quantitatively evaluate the effects of applying fertilizer containing ammonium polyphosphate on crop yield, soil available phosphorus content, and phosphorus fertilizer utilization efficiency. Compared with the application of ammonium phosphate fertilizer, the application of fertilizer containing ammonium polyphosphate can significantly increase crop yield, with an increase rate (E) of 4.4%. Although the effective phosphorus content in soil (E is 3.0%) is increased, the effect is not significant. The utilization efficiency of phosphorus fertilizer (E is 56.0%) can be significantly improved. The sub-group classification analysis of crop yield effects shows that the application of fertilizer containing ammonium polyphosphate on tomatoes and maize is more effective. Crop yield, soil available phosphorus content, and phosphorus fertilizer utilization efficiency increase with the increase of soil organic matter content and soil pH, decrease with the increase of ammonium polyphosphate content, and increase with the increase of average polymerization degree of ammonium polyphosphate. The application of fertilizer containing ammonium polyphosphate increases crop yield, soil available phosphorus content, and phosphorus fertilizer utilization efficiency. The yield increase effect is influenced by soil characteristics, crop type, ammonium polyphosphate content, and average polymerization degree of ammonium polyphosphate.

Keyword：

ammonium polyphosphate; yield; soil available phosphorus; phosphorus fertilizer utilization efficiency; integrated analysis;

0 前言

现有磷肥产品以传统正磷酸盐为主，2021年全国磷肥产量(以P₂O₅计，下同)为16 844 kt，其中磷酸铵(磷酸一铵、磷酸二铵)产量为14 593 kt，占磷肥总产量的86.6%^[1-4]。但是磷酸铵中的磷存在利用效率低的问题，当季利用率只有15%~30%^[5]，已成为全球性的难题。这是因为施入土壤的肥料溶解后生成的磷酸根，一方面被土壤固相吸附^[6]，另一方面与土壤中的金属阳离子等结合生成难溶性的磷酸盐沉淀，导致磷在土壤中的移动性变差，限制了作物对磷素的吸收利用^[7]。基于此，聚磷酸铵作为一种高效磷肥产品开始出现，成为磷肥增效的重要途径。目前已有大量的关于聚磷酸铵施用效果的研究，王军军^[8]、王朝玲^[9]的研究表明，聚磷酸铵具有缓释性，可提高土壤有效磷含量和磷肥利用率。王连祥^[10]的研究表明，聚磷酸铵能促进西瓜生长，提高西瓜产量。高艳菊等^[11]、安军妹等^[12]、Rehm等^[13]的研究表明，聚磷酸铵能提高玉米、小麦产量。聚磷酸铵的施用效果受土壤有机质含量、土壤pH、作物类型、聚磷酸铵添加比例及聚磷酸铵平均聚合度的影响，其肥效尚存在一定的不确定性或差异性，值得研究。文献整合分析方法可对同类主题下多个研究结果进行系统定量统计，并综合评价其影响因素^[14], 但目前国内还没有关于含聚磷酸铵肥料对作物产量、土壤有效磷含量(以下简称土壤有效磷)和磷肥利用率影响的文献整合分析报道。因此，本文采用整合分析方法，以中国知网和Web of Science已发表文献数据为基础，系统分析了含聚磷酸铵肥料对作物产量、土壤有效磷和磷肥利用率的综合效应，并探究了土壤性状、作物类型、聚磷酸铵添加比例、聚磷酸铵平均聚合度对作物产量、土壤有效磷、磷肥利用率的影响，以期为含聚磷酸铵肥料的合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过中国知网和Web of Science数据库，以聚磷酸铵、不同磷肥为主要关键词，进行文献检索。为满足研究的目的，实现整合分析对数据的要求，基于以下5个标准对检索文献进行筛选：

(1) 研究区域为全球范围；

(2) 同一文献中有不同的独立试验，则把每个试验都作为一个独立研究；

(3) 同一文献中必须同时包括含聚磷酸铵肥料处理和传统磷酸铵(磷酸一铵、磷酸二铵)肥料处理；

(4) 文中至少须明确试验处理的产量、土壤有效磷、磷肥利用率中的一项，每个处理至少重复3次；

(5) 数据搜集过程中，如果数据以柱状图或折线图的形式展示，则采用图形数字化软件Get Data Graph Digitizer进行数字化转换后再提取。

基于以上筛选标准，共筛选出75篇文献，其中中文文献55篇、英文文献20篇，共获得527组数据，收集文献数据的时间跨度为1975—2022年。

1.2 数据分类

基于文献数据分布情况，以土壤有机质含量、土壤pH、作物类型、聚磷酸铵添加比例及聚磷酸铵平均聚合度进行亚组分析。土壤有机质(质量分数，以g/kg表示)分为＜10、10~20、＞20；土壤pH分为＜6.5、6.5~7.5、＞7.5；作物类型分为玉米、番茄、小麦、油菜、黄瓜；聚磷酸铵添加比例分为＜25%、25%~50%、50%~75%、＞75%；聚磷酸铵平均聚合度分为1~2、2~3、＞3。

1.3 数据整合分析

在数据整合分析中，使用lnR作为度量标准，比较不同响应变量(作物产量、土壤有效磷、磷肥利用率)在传统肥料和新型肥料处理间的效应大小。lnR以含聚磷酸铵肥料与传统磷酸铵肥料处理的相关指标平均值比值的自然对数计算，即：

图 1

$ {\rm{ln}}R = {\rm{ln}}({X_t}/{X_c}) = {\rm{ln}}({X_t}) - {\rm{ln}}({X_c}) $

式中：X_t——施用含聚磷酸铵肥料处理的相关指标的平均值；

X_c——施用传统磷酸铵肥料处理的相关指标的平均值。

为了便于解释含聚磷酸铵肥料对作物产量、土壤有效磷、磷肥利用率的影响，将R转化为增长幅度E(E为负值时表示负增长)，其计算公式为：

图 2

$ {\rm{ln}}R = {\rm{ln}}({X_t}/{X_c}) = {\rm{ln}}({X_t}) - {\rm{ln}}({X_c}) $

计算效应值lnR的95%置信区间，若lnR的95%置信区间均大于0，则说明施用含聚磷酸铵肥料相对于传统磷酸铵肥料具有显著的正效应；若lnR的95%置信区间均小于0，则说明施用含聚磷酸铵肥料相对于传统磷酸铵肥料具有显著的负效应；若lnR的95%置信区间包含0，则说明施用含聚磷酸铵肥料相对于传统磷酸铵肥料的效应不显著。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，采用IBM Statistics SPSS 27.0软件进行统计分析，采用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 含聚磷酸铵肥料和传统磷酸铵肥料对作物产量的影响

相比于传统磷酸铵肥料，施用含聚磷酸铵肥料对作物产量总体表现为显著正效应，E为4.4%。作物产量对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着土壤有机质含量的增加逐渐增大，当土壤有机质质量分数＜10 g/kg时，表现为不显著正效应，E为2.3%；当土壤有机质质量分数为10~20 g/kg时，表现为显著正效应，E为5.4%；当土壤有机质质量分数＞20 g/kg时，表现为显著正效应，E为6.2%。作物产量对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着土壤pH的增大逐渐增加，当pH＜6.5或pH为6.5~7.5时，均表现为不显著正效应，E分别为2.0%和4.1%；当pH＞7.5时表现为显著正效应，E为8.2%。在作物类型中，黄瓜表现为不显著负效应，E为-0.5%；玉米表现为显著正效应，E为10.6%；番茄表现为显著正效应，E为14.0%；小麦表现为不显著正效应，E为2.7%。在不同的聚磷酸铵添加比例中，作物产量对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着添加量的增加逐渐减小，当添加量为50%~75%时，表现为不显著正效应，E为5.4%；当添加量 < 25%、25%~50%、＞75%时，均表现为显著正效应，E分别为10.1%、5.7%、4.0%。作物产量随着聚磷酸铵平均聚合度的增加逐渐增大，当平均聚合度为1~2时，表现为显著正效应，E为2.4%；当平均聚合度为2~3时，表现为不显著正效应，E为5.8%；当平均聚合度＞3时，表现为显著正效应，E为31.0%。含聚磷酸铵肥料对作物产量的影响见图 1，其中括号内数字代表数据量，下同。

图 1

含聚磷酸铵肥料对作物产量的影响

2.2 含聚磷酸铵肥料和传统磷酸铵肥料对土壤有效磷的影响

相比于传统磷酸铵肥料，施用含聚磷酸铵肥料对土壤有效磷总体上表现为不显著正效应，E为3.0%。不同土壤有机质含量对土壤有效磷均表现为不显著正效应，土壤有机质质量分数＜10、10~20、＞20 g/kg时，E分别为2.2%、3.0%、6.2%。土壤有效磷对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着土壤pH的增大逐渐增加，在pH＜6.5、6.5~7.5时均表现为不显著负效应，E分别为-3.9%、-2.9%；当pH＞7.5时表现为显著正效应，E为11.7%。在作物类型中，黄瓜表现为不显著负效应，E为-4.3%；玉米表现为不显著正效应，E为2.8%；番茄表现为显著正效应，E为7.7%。土壤有效磷对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着添加量的增加逐渐减小，添加量在 < 25%、25%~50%、50%~75%、＞75%时，均表现为不显著正效应，E分别为5.7%、4.0%、2.1%、1.3%。土壤有效磷随着聚磷酸铵平均聚合度的增加逐渐增大，当平均聚合度为1~2时表现为显著负效应，E为-12.6%；当平均聚合度为2~3时表现为不显著正效应，E为9.2%；当平均聚合度＞3时表现为显著正效应，E为12.2%。含聚磷酸铵肥料对土壤有效磷的影响见图 2。

图 2

含聚磷酸铵肥料对土壤有效磷的影响

2.3 含聚磷酸铵肥料和传统磷酸铵肥料对磷肥利用率的影响

相比于传统磷酸铵肥料，施用含聚磷酸铵肥料对磷肥利用率总体上表现为显著正效应，E为56.0%。磷肥利用率对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着土壤有机质含量的增加逐渐增大，当土壤有机质质量分数＜10 g/kg时表现为显著正效应，E为61.3%；当土壤有机质质量分数为10~20 g/kg时表现为显著正效应，E为76.1%；当土壤有机质质量分数＞20 g/kg时表现为显著正效应，E为142.8%。磷肥利用率对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着土壤pH的增加逐渐增大，在pH为＜6.5、6.5~7.5时均表现为不显著正效应，E分别为11.4%、35.2%；当pH＞7.5时表现为显著正效应，E为87.7%。在作物类型中，玉米表现为显著正效应，E为69.2%；小麦表现为不显著正效应，E为18.7%。磷肥利用率对含聚磷酸铵肥料的响应程度随着添加量的增加逐渐减小，添加量为25%~50%、50%~75%、＞75%时均表现为显著正效应，E分别为56.3%、37.0%、28.1%。磷肥利用率随着聚磷酸铵平均聚合度的增加逐渐增大，当平均聚合度为1~2时表现为不显著正效应，E为1.5%；当平均聚合度为2~3时表现为不显著正效应，E为15.6%；当平均聚合度＞3时表现为显著正效应，E为89.4%。含聚磷酸铵肥料对磷肥利用率的影响见图 3。

图 3

含聚磷酸铵肥料对磷肥利用率的影响

3 讨论

研究结果表明，与施用传统磷酸铵肥料相比，施用含聚磷酸铵肥料可以提高作物产量(E为4.4%)、土壤有效磷(E为3.0%)和磷肥利用率(E为56.0%)，能达到增产增效的目的。土壤有效磷是指土壤中可被植物吸收利用的磷的总称^[15]，而聚磷酸铵只有水解成正磷酸盐才可以被作物吸收，所以土壤有效磷的提升效果有限，只能起到缓释的效果^[16-19]。磷肥利用率提高56.0%，而作物仅增产4.4%，原因可能是作物生长必需的营养元素有16种，元素对作物生长发育的影响遵循“木桶效应”^[20]，主要作物对磷元素的吸收约占17%^[21-24]，在其他元素补充不足时，可以相对减少聚磷酸铵的施用量。作物增产增效究其原因可能是磷酸铵中的正磷酸盐在土壤中易被吸附固定^[6]，单施磷酸铵时养分不易被作物根系适时吸收利用，无法满足作物整个生育期生长的需求；而含聚磷酸铵肥料移动性强^[25-26]，前期不易被固定，且聚磷酸铵具有缓释性^[27]，聚磷酸铵分子缓慢释放正磷酸盐^[26]，还可以促进被固定吸附的正磷酸盐解除吸附，活化土壤磷素养分^[28]，在作物生长后期提高土壤中磷的含量，能满足作物后期对磷素的需求，从而提高磷肥利用率和作物产量^[25]。

3.1 土壤性状对含聚磷酸铵肥料增产效应的影响

土壤是作物吸收营养的场所。在土壤方面，随着土壤有机质含量的提高，作物产量、土壤有效磷和磷肥利用率逐渐提高，当土壤有机质质量分数＞20 g/kg时，产量(E为6.2%)、土壤有效磷(E为6.2%)、磷肥利用率(E为142.8%)增幅最高，其次是土壤有机质质量分数为10~20 g/kg(E分别为5.4%、3.0%、76.1%)，最后是土壤有机质质量分数＜10 g/kg(E分别为2.3%、2.2%、61.3%)。廖育林等^[29]的研究表明，作物产量与土壤有机质含量有关，土壤有机质含量显著影响作物产量，即使是在施肥后仍然会影响作物的产量。曾希柏等^[30]的研究表明，土壤有机质含量的提高能够提升作物产量和肥料利用率。有机质含量高的土壤能够解吸大量被吸附固定的磷，使其进入土壤溶液中，提高土壤有效磷的含量。刘彦伶等^[31]的试验表明，有机质含量高的土壤可以显著降低土壤最大吸磷量、磷吸附反应常数、最大缓冲容量，提高解吸率。与单施磷酸铵相比，土壤越肥沃，即有机质含量越高，施用含聚磷酸铵肥料的增产效果越显著，原因是聚磷酸铵与有机质产生协同效应。聚磷酸铵和有机质可协同提高作物胞间CO₂浓度和净光合速率，降低气孔限制值，促进光合作用的进行。有机质含有羟基、酚基等活性官能团，可与磷酸根竞争土壤胶体的吸附位点，从而减少磷的固定，还可与钙、铁、铝等离子发生络合和溶解反应，促进土壤难溶性磷的释放；同时，有机质可通过金属桥与磷酸盐形成磷酸盐－金属－有机质复合体，减缓有效磷向难溶性磷的转化，提高作物产量、土壤有效磷和磷的利用效率^[32-33]。就土壤pH而言，pH＞7.5时，产量(E为8.2%)、土壤有效磷(E为11.7%)、磷肥利用率(E为87.7%)增幅最高，其次是pH为6.5~7.5(E分别为4.1%、-2.9%、35.2%)，最后是pH＜6.5(E分别为2.0%、-3.9%、11.4%)。在含聚磷酸铵肥料中，植物可以直接吸收利用的只有正磷酸盐，而其他更高聚合度的磷酸盐需要水解为正磷酸盐才能被植物吸收^[34]。聚磷酸铵的水解随着土壤pH的降低而加快^[34-35]，pH＞7.5时，聚磷酸铵水解速率缓慢。王蕾等^[36]的研究表明，在25 ℃下水解10%的三聚磷酸盐，当pH为7时需要26 h，当pH为4时只需要10.5 h。在酸性溶液中，聚磷酸盐水解的活化能低，水解反应易进行。谢汶级等^[35]的研究表明，pH为8.2、2.0时，焦磷酸铵的水解速率常数可相差10~40倍，对应半衰期亦减少10~40倍。聚磷酸铵在碱性土壤上水解缓慢，可以供作物后期吸收利用。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呈酸性时，有利于难溶磷酸盐的溶解，可提高有效磷的含量；随着土壤pH的增加，磷酸会与钙、铁、铝等形成磷酸盐沉淀，降低磷的有效性^[37]。

3.2 作物类型对含聚磷酸铵肥料增产效应的影响

番茄对聚磷酸铵的响应效应最好。番茄根系为直根系，其侧根也很发达^[38]，且属于深根性作物，自身根系较为发达，在土层中分布广而深，盛果期主根深入土壤达1.5 m以上，根展能达2.5 m，根群大多在30 cm以内的耕作层中，因此吸收水肥的能力较强^[39]。番茄对磷的吸收在全生育期中呈渐次增加趋势，到后期吸磷量仍较高^[40]，这可能是由于番茄对磷的吸收可以与聚磷酸铵养分的缓慢释放同步。在pH为6、温度为26 ℃的实验室条件下，水溶液中焦磷酸铵在120 d水解了18.4%^[35]。如果是在条件更加复杂的土壤中，聚磷酸铵释放正磷酸盐的速率会更快，这与番茄在整个生长季节对磷素的需求相匹配^[41]。

3.3 聚磷酸铵添加量及平均聚合度对含聚磷酸铵肥料增产效应的影响

就聚磷酸铵添加量而言，作物产量、土壤有效磷和磷肥利用率对聚磷酸铵肥料的响应程度随着聚磷酸铵添加量的增加逐渐降低，当聚磷酸铵添加量＜25%时，产量(E为10.1%)、土壤有效磷(E为5.7%)增幅最高，其次为添加量25%~50%(E分别为5.7%、4.0%、56.3%)，再次为添加量50%~75%(E分别为5.4%、2.1%、37.0%)，最后为添加量＞75%(E分别为4.0%、1.3%、28.1%)。这可能是由于磷酸铵的磷素释放主要集中在作物生育前期，聚磷酸铵添加量不合适时，导致作物前期生长旺盛，无效生长增多，而后期磷肥供应不足，影响生殖器官的发育，造成作物减产。添加量低于25%的聚磷酸铵供作物后期吸收利用，添加量高于75%的正磷酸盐供作物前期吸收，聚合态磷肥效长、后劲足，能满足作物后期对磷的需求^[9]，磷肥适当后移可提高作物产量和磷肥利用率^[42]。就聚磷酸铵平均聚合度而言，作物产量、土壤有效磷、磷肥利用率随着聚磷酸铵平均聚合度的增加逐渐增加，当平均聚合度＞3时，产量(E为31.0%)、土壤有效磷(E为12.2%)、磷肥利用率(E为89.4%)的增幅最高，其次为平均聚合度2~3(E分别为5.8%、9.2%、15.6%)，最后为平均聚合度1~2(E分别为2.4%、-12.6%、1.5%)。聚合度越大，肥料完全水解为正磷酸盐的速率越慢，但释放部分正磷酸盐的速率越快，肥料释放时间也越长^[43-45]。如四聚磷酸盐水解为三聚磷酸盐和正磷酸盐约需要1 d，三聚磷酸盐水解为焦磷酸盐与正磷酸盐约需要7 d，而焦磷酸盐水解为正磷酸盐则需4~100 d。即四聚磷酸盐首先要分解为三聚磷酸盐和正磷酸盐，然后三聚磷酸盐分解为焦磷酸盐, 最后焦磷酸盐分解为正磷酸盐。

4 结语

本研究通过含聚磷酸铵肥料对作物产量效应影响的整合分析，揭示了与单施磷酸铵相比，施用含聚磷酸铵肥料可显著提高作物产量和磷肥利用率，但对土壤有效磷含量无显著影响。含聚磷酸铵肥料对作物增产效应受土壤有机质含量、土壤pH、作物类型、聚磷酸铵添加量及聚磷酸铵平均聚合度的影响，作物产量、土壤有效磷、磷肥利用率随土壤有机质、土壤pH的升高而提高。含聚磷酸铵肥料在番茄和玉米上的施用效果较好，作物产量、土壤有效磷、磷肥利用率随聚磷酸铵添加量提高而降低，随聚磷酸铵平均聚合度的增加而提高。含聚磷酸铵肥料对作物品质效应的影响还需开展进一步的研究。

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