厩肥通过缓解多重共限制提升磷肥利用效率——马达加斯加多年田间试验中超脱土壤pH效应的机制研究

《Field Crops Research》：Farmyard manure increased phosphate fertilizer use efficiency beyond soil pH effects in multi-year field experiments in Madagascar

　　

磷（P）缺乏是高度风化土壤上作物生产力的主要限制因素，这类土壤在湿润和半湿润热带地区广泛分布。由于铁（Fe）和铝（Al）羟基氧化物丰度较高，这些土壤对磷酸盐的吸附能力很强，导致施用磷肥的效率极低。为提升这些地区的作物生产力和粮食安全，必须开发整合土壤肥力管理（ISFM）措施，以最大化施用矿质肥料的农艺利用效率。在ISFM框架内，将矿质磷肥与有机改良剂（OAs）如厩肥（FYM）配合施用，被广泛认为是撒哈拉以南非洲小农户的合理管理措施。减少对矿质肥料的依赖对这些农户具有吸引力，因为矿质肥料可得性低、价格高昂且波动大、投资回报不确定。厩肥通常更易获得且价格可负担，但单独施用时其磷浓度往往过低且变异大，无法满足作物磷需求。厩肥与矿质磷肥配合施用可导致比任一投入单独施用更高的作物磷吸收量和产量，表明存在协同而非加和效应。然而，这种已报道的协同效应幅度在不同地点和施用年份间差异很大，某些情况下未观察到添加厩肥的明显益处，凸显了在田间条件下评估该效应的持续性及潜在驱动因素的必要性。已提出多种机制解释FYM×P交互作用，但多数来自实验室研究推断或基于间接证据。最常引用的机制是通过提高土壤pH缓解铝毒。厩肥施用可在局部和暂时提高土壤pH，足以降低土壤溶液中毒性Al³⁺浓度，从而缓解其对根系生长的抑制作用并增强植物磷吸收。此外，厩肥分解产生的有机阴离子可与磷酸根阴离子竞争Fe和Al氧化物上的吸附位点，减少磷固定并减缓磷向微孔的扩散。另外，厩肥可能供应比磷更缺乏或施磷后成为作物生长限制因子的养分，从而使作物对施用磷的响应更强。最后，更高的土壤水分保持能力增强磷向植物根系的扩散，也可能解释厩肥对磷吸收的益处。这些机制在现实田间条件下的相对重要性，以及任何单一机制能否解释观察到的FYM×P交互作用，在很大程度上尚未得到验证。这些提出的机制在田间条件下产生不同的预期。如果pH介导的土壤酸性相关限制的缓解是主导机制，则应在更酸性土壤中预期更强的厩肥效应，并应能通过施用石灰复制。相反，如果厩肥通过土壤性质的累积变化逐步增强磷有效性，则FYM×P交互作用应在连续施用年份中增强。这些预期为评估田间条件下FYM×P交互作用的机制提供了框架。本研究旨在量化FYM与矿质磷肥在磷缺乏土壤上对作物产量和磷吸收的协同效应幅度和持续性，并评估该交互作用的机制。本研究的关键创新在于将协调的跨实验综合与机制性田间试验相结合。首先，采用共同统计框架对马达加斯加Ferralsol上的磷响应田间试验集合（18个田间×年份组合，多数数据已发表）进行再分析。这使能够直接量化FYM×P交互作用跨实验的幅度和持续性，并评估其变异性是否可由地点或作物特征差异解释。其次，建立了一个新田间试验，其中包含石灰作为额外处理，以实验检验缓解土壤酸性是否为FYM×P交互作用的主要机制。

**研究背景与问题**

磷缺乏是高度风化土壤上作物生产的主要限制因素。此类土壤因富含铁铝氧化物而对磷酸盐具有强吸附能力，导致施入磷肥的利用效率极低。在撒哈拉以南非洲，小农户因矿质肥料可得性低、价格高且波动大而倾向于减少对其的依赖，厩肥虽更易获得但单独施用磷浓度不足以满足作物需求。已有研究表明厩肥与矿质磷肥配合施用可产生协同效应，但该效应的幅度在不同地点和年份间变异很大，且其潜在机制多来自实验室推断或间接证据，缺乏田间验证。研究人员因此开展本研究，旨在量化FYM与矿质磷肥协同效应的幅度与持续性，并评估其 underlying 机制，特别是检验土壤pH缓解是否为主导机制。

**关键技术方法**

研究人员采用了跨实验综合与机制性田间试验相结合的策略。跨实验综合整合了四项在马达加斯加高地Ferralsol上开展的田间试验（共18个田间×年份组合），采用共同统计框架以籽粒磷吸收量（GPU）为共同响应变量，通过线性模型量化FYM×P交互作用，并分析基于累积磷投入的磷利用效率（PUE）随年份的变化。同时，研究人员在Behenjy新设田间试验（2022–2025），以双因素及三因素全因子设计比较FYM、过磷酸钙（TSP）和白云石施用对旱稻和玉米的影响，直接检验pH机制。土壤和植物样品分析采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）等标准方法。

**研究结果**

**FYM×P协同效应的幅度与持续性**：所有试验土壤均为酸性（pH 3.7–5.0）且磷缺乏严重。汇总数据表明，FYM施用在每个施用年份均增加了GPU对总磷投入响应的斜率，交互项β₂在各年份均高度显著。跨所有田间和年份，FYM使PUE平均提高1.6倍。在18个田间×年份组合中，β₂在10个组合中统计显著，表明FYM可增强PUE但强度可变。

**磷利用效率的时间动态**：基于累积磷投入的PUE在第二和第三施用年份显著高于第一年，但第二与第三年之间无显著差异。各田间×年份组合的PUE绝对值范围为0.8%–7.5%，多数集中在2.4%左右，比亚洲灌溉稻系统报道的表观磷回收效率（约24–25%）低约10倍。FYM处理与不施FYM处理之间，PUE随年份的变化无显著差异，无证据表明FYM×P交互作用随施用年份增强。

**FYM×P交互作用与土壤或作物性质的关系**：土壤pH、有机碳含量、磷状况（PDI）和黏粒含量与FYM引起的PUE相对增幅之间均无一致关系。水分制度（灌溉与否）亦无一致差异。作物类型方面，FYM引起的产量相对增幅顺序为：玉米（5.8）>>大豆（2.6）>班巴拉花生（2.1）>旱稻（1.6），玉米的协同效应显著大于其他作物。旱稻在无FYM时对矿质磷的响应（β₁）高于其他作物，而玉米、大豆和班巴拉花生在无FYM时产量接近零。

**土壤pH作为FYM×P交互作用驱动因素的实验评估**：在新设石灰试验中，第一季两种作物在无FYM时产量接近零，作物对FYM施用强烈响应。玉米对白云石施用有正响应，且白云石×TSP交互作用在两个生长季均显著为正；旱稻则对白云石无响应甚至负响应，且无显著白云石×TSP交互作用。FYM施用未提高土壤pH，而白云石使土壤pH大幅提高（最高达1.8个单位）但未增加旱稻产量。这些结果表明FYM对PUE的正效应不能仅由pH介导的土壤酸性缓解解释（就旱稻而言）。

**共限制的作用：微量元素**：在第二和第三生长季，白云石施用显著降低旱稻产量（从约2 t ha^?1降至最高石灰率下的0.5 t ha^?1），与籽粒锌（Zn）浓度下降一致，施TSP时籽粒Zn浓度降至临界阈值15 mg kg^?1以下。FYM施用则显著提高旱稻籽粒Zn浓度，使其超过临界阈值。这表明FYM可缓解锌等微量营养元素的共限制。

**综合与土壤肥力管理启示**：研究结果表明，FYM与矿质磷肥的协同交互作用不能归因于单一主导机制，而是源于多种共存土壤限制的缓解。FYM可能通过缓解酸性限制（尤其对酸敏感作物如玉米）、供应包括Zn在内的微量营养元素、以及有机配体与磷酸根竞争吸附位点等机制发挥作用。这些机制的相对重要性可能取决于作物类型、土壤性质和管理措施，解释了田间条件下观察到的大量变异性。从管理角度，高度风化磷缺乏土壤上矿质磷肥的农艺响应在配合施用FYM时通常更大，但该效应因地点、作物和年份而异，推荐措施应据此调整。第一生长季后基于累积磷投入的PUE较高，强调持续养分管理的重要性，短期评估可能低估施肥效益和投入交互作用的强度。

**讨论与结论**

讨论部分指出，FYM×P协同效应在不同作物和地点间的变异支持了多种共限制缓解机制共同作用的解释。玉米对石灰的正响应及根系伸长试验证实玉米比旱稻对土壤酸性更敏感，这可能解释FYM对玉米的更大益处。锌缺乏在石灰和磷肥施用下成为限制因子，而FYM可缓解之。尽管FYM可能通过供应氮素发挥作用，但秸秆氮浓度在+FYM与?FYM处理间无显著差异，表明改善氮营养不太可能完全解释P响应性的平均增加。研究结论部分翻译如下：本研究证明，在高度风化土壤上，厩肥与矿质磷肥配合施用可大幅提高磷肥利用效率，尽管该效应的幅度强烈依赖于具体情境。结果表明，观察到的协同效应可能源于多种共存土壤限制的缓解，而非单一主导机制。这些过程的相对重要性可能具有作物和地点特异性，为数据集中观察到的大量变异性提供了解释。这些发现为完善整合土壤肥力管理策略提供了定量基础，并强调需要情境特异性的推荐措施。