《Field Crops Research》：Organic phosphorus fertilizers outperform mineral fertilization in a Mediterranean crop rotation
编辑推荐：
面对磷矿资源枯竭与农业废弃物激增的双重挑战，如何在保障作物产量的同时实现磷素的可持续利用？研究人员以硬粒小麦、向日葵和豌豆的三年轮作体系为对象，开展了有机磷肥与矿物过磷酸钙（SP）的田间对比试验。研究发现，尽管短期表现相当，但在整个轮作周期中，有机肥（特别是橄榄渣堆肥OH）表现出了更高的磷素表观回收率（APR），其缓释特性和对土壤微生物活性的提升，为实现农业循环经济和减少对不可再生资源的依赖提供了有力证据。
磷，作为植物生长的必需元素，对保障全球粮食产量和品质至关重要。然而，为农业生产提供磷素的磷酸盐岩（PR）却是一种不可再生的战略资源，其开采预计在本世纪达到峰值。更令人担忧的是，这种资源的分布极不均衡，使得全球粮食生产，特别是欧洲地区，严重依赖于进口，供应链极易受到地缘政治波动的影响。与此同时，随着人口增长和废弃物产生量的激增，未来磷的稀缺性将加剧，化肥价格可能变得更加波动。在这一复杂的背景下，如何减少对不可再生磷矿的依赖，同时处理日益增长的有机废弃物，成为农业可持续发展必须面对的难题。将废弃物中的磷等养分进行回收循环利用，被视为破局的关键。有机肥料，如堆肥和蚯蚓粪，不仅能提供磷素，还能为土壤带来宝贵的有机质，改善土壤健康，促进养分循环。但问题在于，这些来源多样的有机肥料，其实际肥效究竟如何？在真实的大田条件下，尤其是在地中海这种典型的气候和土壤环境中，它们能否真正替代传统的矿物磷肥，维持作物产量和磷素供应？为了回答这些问题，由Juan Nieto-Cantero、Ana M. García-López等研究人员组成的团队在西班牙开展了一项为期数年的田间试验，并将研究成果发表在了《Field Crops Research》期刊上。
为了评估有机磷肥在真实田间条件下的效果，研究人员运用了几个关键技术方法。首先，他们建立了田间试验设计：在西班牙卡莫纳的两个相邻试验区，采用了随机区组设计，设置了橄榄渣堆肥（OH）、马粪蚯蚓粪（HMV）、绿色残渣蚯蚓粪（GRV）、可溶性矿物过磷酸钙（SP）以及不施肥对照共五种处理，并进行了四年（两个重叠的三年轮作周期）的重复试验。施肥仅在轮作的第一季作物（硬粒小麦）时进行，以评估肥料的后效。其次，他们进行了磷素形态与土壤分析：对有机肥料中的磷进行了分级提取，以区分总磷（TP）、无机磷和有机磷；同时，定期采集土壤样品，测定土壤有效磷（Olsen P）以及与碳循环和磷循环相关的关键土壤酶活性（β-葡萄糖苷酶和碱性磷酸酶）。最后，他们实施了全面的作物与数据评估：测量了各季作物（小麦、向日葵、豌豆）的产量、生物量、籽粒和秸秆的磷含量，并据此计算了磷吸收量、收获指数（HI）、磷收获指数（PHI）、磷利用效率（PUtE）和磷素表观回收率（APR）等一系列农学效率指标，并通过统计方法分析了肥料处理和气候年际差异的影响。
磷在有机肥料中的形态
研究人员首先分析了三种有机肥料的磷组成。结果显示，虽然总磷含量相近（4.0 至 8.6 mg P kg-1），但其磷的形态差异很大。橄榄渣堆肥（OH）中绝大部分磷（76%）以有机形态存在；而两种蚯蚓粪（HMV和GRV）则含有更高比例的中性柠檬酸铵（NAC）可提取的无机磷（分别为47%和56%），这部分通常被认为是植物中度有效的磷源。
施肥对作物表现和土壤性质的影响
在作物产量方面，除了第一个试验周期的小麦显示橄榄渣堆肥（OH）的产量显著高于对照（增产53%）外，其他作物和各处理间的产量差异大多不显著。这表明，在通常受水分限制的地中海条件下，有机肥在维持产量方面与矿物过磷酸钙（SP）表现相当。然而，在磷吸收方面，有机肥，特别是OH，在多个场合下表现突出。例如，在第一个试验周期的豌豆和第二个试验周期的向日葵中，OH处理的磷吸收量显著高于SP处理或对照。
对于土壤有效磷（Olsen P），只有SP在第一个试验周期的小麦后使其显著升高（是对照的三倍），而有机肥处理下的Olsen P在整个轮作期间保持相对稳定。在土壤酶活性方面，结果不一。在第二个试验周期的向日葵地中，两种蚯蚓粪处理显著提高了β-葡萄糖苷酶活性，马粪蚯蚓粪（HMV）还提高了磷酸酶活性，这表明其可能刺激了土壤微生物活动和磷循环相关过程。
施肥对效率指标的影响
一系列效率指标揭示了有机肥的独特优势。收获指数（HI） 和 磷收获指数（PHI）：在轮作的前两季作物（小麦和向日葵）中，蚯蚓粪处理倾向于提高HI和PHI，例如HMV在小麦中、GRV在向日葵中显著提高了HI。这表明有机肥可能影响了植物体内光合产物和养分（如磷）的分配。磷利用效率（PUtE）：仅在向日葵中，GRV处理的PUtE显著高于OH和SP。磷素表观回收率（APR）：这是衡量肥料效率的关键指标。仅考虑第一季小麦时，各肥料间的APR无显著差异。然而，当考虑整个三年轮作周期时，所有有机肥处理的APR都显著高于 SP处理，平均高出18%。在第一个试验周期中，有机肥的APR甚至达到了30%左右。这清晰地表明，有机肥具有更强的后效，其对作物的磷供应效益在施肥后的年份中持续显现。
在讨论与结论部分，研究人员深入阐释了其发现的意义。他们证实了第一个假设：有机肥能够维持作物产量和磷供应，其效果不劣于甚至在某些情况下优于可溶性矿物磷肥。特别重要的是，虽然短期（第一季）内肥效相当，但在整个轮作周期中，有机肥表现出更高的磷素利用效率（更高的APR）。这无法单纯用肥料中初始的“有效磷”形态来解释，因为表现优异的OH其NAC可提取无机磷比例很低。其高效的原因可能在于：1. 缓释与减少固定：有机肥中的磷（尤其是有机磷）的缓慢矿化释放，与有机质共同作用，降低了在石灰性土壤中形成难溶性磷酸钙的速率，使更多的磷保持在对植物有效的状态，从而产生了更强的后效。2. 激发土壤生物活性：有机肥（特别是蚯蚓粪）的添加在某些情况下提升了土壤磷酸酶活性，这可能促进了肥料自身和土壤原有有机磷的矿化，从而增加了对作物的磷供应。3. 改善植物内部分配：有机肥处理显示出提高HI和PHI的趋势，意味着作物能将更多的同化产物和吸收的磷分配到籽粒中，提高了经济产出的效率。
本研究未能明确证实第三个假设，即不同原料和工艺生产的有机肥其性能存在显著差异。然而，结果充分表明，使用测试的有机磷肥不仅是矿物磷肥的可靠替代品，而且能通过其缓释特性和对土壤生态的积极影响，实现更高的磷利用效率。这对于在轮作等多样化种植体系中减少每年磷肥投入、推动农业向基于循环经济理念的可持续施肥管理转型具有重要意义。在地中海地区乃至其他面临类似资源与环境挑战的农业区，这项研究为利用本地有机废弃物生产高效磷肥、构建更具韧性的食物生产系统提供了重要的实证依据。
