微藻作为替代磷肥潜力的评估

《Frontiers in Environmental Science》：Assessing the potential of algae as an alternative phosphorus fertilizer

　　

全球磷（P）储量有限，开发可持续肥料替代品对农业生产至关重要。尽管藻类生物质可提供植物有效磷，但其相对于常规合成与有机肥料在不同土壤质地及伴生作物缺磷史条件下的表现仍不清楚。研究人员开展了两项培养试验评估干微藻粉对磷动态的影响。第一项试验在四种质地上（粗质与细质）及是否源自反复作物缺磷田块间比较丝藻属小丝藻（Tribonema minus）与合成肥料及骨粉颗粒。第二项试验在粗质与细质缺磷史土壤中比较三种藻类（T. minus、高磷 Uronema、低磷 Uronema）与禽粪、水解鱼液、玉米浸渍粉。三个月内测定孔隙水磷，末期分析 Olsen P、树脂提取磷（resin-extractable P）及微生物磷。两项研究中磷有效性强烈依赖土壤质地、缺磷史及改良剂组成；无反复缺磷史与粗质土壤孔隙水与树脂提取磷更高。研究一合成肥料磷回收最高，有机改良剂释放较慢。研究二缺磷史土壤中，粗质下所有藻类孔隙水磷回收高于多数有机肥料，细质下藻类最低；但末期 Tribonema 树脂提取磷回收高于一种水解鱼产品，与质地无关。结果表明死亡藻生物质是相对其他有机肥料有前景的磷源，但表现高度依境而定。

研究背景与立项依据

全球磷（P）储量有限，磷肥资源预计于2040年前后达峰，后续可采资源将难以满足需求，尤其在土壤缺磷且粮食压力大的地区。常规合成磷肥（如磷酸二铵 DAP、过磷酸钙 SSP）虽溶解度大、起效快，但易淋失并引发水体富营养化；有机肥料（禽粪、骨粉、水解鱼液、玉米浸渍粉等）释放缓慢，但其矿化速率与有效性受碳磷比（C:P）、土壤质地、pH 及微生物过程强烈调控。微藻（microalgae）作为废水处理与生物燃料副产的非活体生物质，具备缓释氮磷钾、调节微生物活性的潜力，但田间尺度下其与合成/有机肥料在异质土壤（不同质地、有无反复缺磷史）中的磷回收动态缺乏系统比较。为此，研究人员在《Frontiers in Environmental Science》报道了两项室内培养试验，旨在定位死藻生物质相对于传统磷源的农学有效性及其土壤情境依赖性。

主要技术方法概述

研究采用来自美国加州 Soledad 商品蔬菜田的四种土壤：粗质/细质 × 高磷状态（无反复缺磷史）/低磷状态（有反复缺磷史），其中低磷状态土壤在两项研究中复用。培养体系为750 g过8 mm筛风干土装入带 rhizon 孔隙水采样器的塑料容器，按100 mg P kg^-1土等效磷量施入改良剂，维持60%持水量（WHC）、20°C培养3个月。研究一比较 Tribonema minus 藻粉、氨基酸磷混肥（AA-P）、DAP、骨粉有机粒（OP）于四土壤；研究二在研究一启示下，于两种低磷史土壤（粗质 Danville 系列、细质 Docas 系列）比较三种藻（Tribonema minus、高磷 Uronema、低磷 Uronema）对比禽粪粒（PMP）、玉米浸渍粉（CSP）、水解鱼液（HFL）。孔隙水每周（研究一）或每两周（研究二）用钼蓝法测无机磷，末期土样测 Olsen P（NaHCO₃ 提取）、树脂提取磷（阴离子交换膜法）及经1-己醇熏蒸-树脂法估测微生物磷（microbial P）。统计上对非正态重复测量采用 Kruskal–Wallis 与 Dunn 检验，末期单点指标用 ANOVA/Tukey 或非负态 Kruskal–Wallis。

研究结果

3.1 Study 1

3.1.1 改良剂与土壤对孔隙水磷的影响

孔隙水磷回收率总体0–7%。合成肥（DAP、AA-P）前3周升至平台或下降，有机源（藻、OP）缓慢上升。高磷状态土壤孔隙水磷回收显著大于低磷状态；粗质高磷与细质高磷间无差异，粗质下 DAP 显著高于 OP，细质低磷下藻显著高于 OP。表明高磷史与粗质提升溶液磷留存。

3.1.2 对 Olsen P 与树脂提取磷的影响

Olsen P 回收4–178%，DAP 在粗质低磷与细质高磷显著优于 OP。树脂提取磷浓度受土壤磷状态、质地及交互作用显著影响，高磷状态＞低磷状态，粗质低磷＞细质低磷；AA-P 与 DAP 树脂磷浓度显著高于对照，但各改良剂间树脂磷回收无显著差异。说明合成肥短期补给 labile 无机磷池更突出。

3.2 Study 2

3.2.1 改良剂与土壤对孔隙水磷的影响

首日仅粗质下 CSP 孔隙水磷显著高于对照；长期平均（除首日）粗质低磷中 Uronema 高磷藻孔隙水磷回收显著高于部分 CSP/HFL/禽粪，Tribonema 与 Uronema 低磷亦优于部分 HFL/禽粪；细质低磷中藻类孔隙水磷回收最低（?0.04–0.06%），HFL 部分产品最高。证实粗质缺磷土利于藻源磷释放入溶液，细质钙化土则固定强烈。

3.2.2 对 Olsen P、树脂提取磷、微生物磷的影响

Olsen P 回收各处理无显著差异。树脂提取磷粗质＞细质，Tribonema 树脂磷浓度与回收显著大于 HFL 2，与质地无关。微生物磷粗质低磷显著高于细质低磷，但改良剂间回收无差异。显示藻生物质在粗质下可累积于 labile 无机磷树脂池，细质下则转入吸附/沉淀损失。

讨论与结论翻译

讨论指出，高磷状态（无反复缺磷史）土壤因较少钙介导沉淀与吸附，孔隙水与树脂磷更高；细质低磷 Docas 系列具石灰性、高 Ca 与 pH，强化磷酸钙沉淀。Olsen P 未能区分种植者观察的缺磷史类别，树脂提取磷更敏感，提示钙化蔬菜土需多指标联用。质地方面，粗质土透气、干湿循环促微生物周转与 poly-P 水解产物留存，故有机源（尤其藻）在粗质释放优于细质。合成肥较骨粉短期溶解度高；氨基酸肥借螯合 Ca²⁺ 与促磷酸酶近似 DAP。藻类含聚磷酸盐（poly-P），渐次水解释放正磷酸并暂螯合 Ca/Mg/Fe 延缓沉淀，系其较禽粪/CSP/HFL 在粗质孔隙水与树脂池表现较优的可能机制；poly-P 耗尽后正磷酸仍可被固定。HFL 凭酸性水解液与氨基酸在细质短期溶出钙磷，CSP 首日水溶磷突释。部分回收＞100% 反映改良剂激发原生土壤磷 mobilisation，非单纯肥料磷质量平衡。

研究结论：死亡藻生物质作为磷源相对多数有机肥料具备前景，其在粗质、低磷史土壤孔隙水与树脂提取磷回收可等于或优于禽粪、水解鱼液与玉米浸渍粉，但在细质石灰性缺磷土中溶液磷回收最低；藻源磷有效性由土壤质地、田间缺磷史及藻种 C:P 与 poly-P 含量共同决定，农学施用须依土壤物理化学情境定制，不能一概替代合成磷肥。该研究填补了藻类肥料与多类商业有机肥在异质农田土壤磷动态直接比较的空白，为反复缺磷蔬菜田的养分管理提供了改性生物质肥料的适用边界。