《Applied Soil Ecology》：Application of organic and inorganic acids in activating soil phosphorus in agriculture
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土壤磷活化与微生物群落互作机制研究。通过有机酸（草酸）与无机酸（硫酸）联合施用，显著降低钙质土壤pH（1.95%-2%），提升高/中活性磷含量18%-189%，促进有机磷分解。宏基因组分析表明有机酸缓解无机酸对微生物多样性的负面影响，促进碳氮磷硫循环相关基因表达。土壤磷有效性（Pi）和磷酸酶活性是微生物群落组装的主要驱动因素，从随机到确定性过程转变。研究为高效磷利用和健康土壤微生态构建提供新方法。
罗彤|桂慧萍|庞年昌|彭凯|王倩倩|王向茹|张西玲|马晓燕
中国农业科学院/国家棉花生物育种与综合利用重点实验室，中国河南省安阳市，455000
摘要
在石灰质土壤中，磷的固定作用非常强，导致农业生产中的利用效率低下。然而，目前尚不清楚有机酸和无机酸如何在保持土壤微生态结构和功能的同时帮助激活土壤中的磷。本研究探讨了硫酸（无机酸）和草酸（有机酸）联合使用对土壤磷形态转化、微生物结构及微生物功能的影响。结果表明，向石灰质土壤中添加有机酸和无机酸可使土壤pH值降低1.95%–2%，显著提高参与磷循环的碱性磷酸酶和植酸酶的活性，并使高活性和中活性磷的含量增加18%–189%。此外，31P核磁共振（NMR）分析显示，有机酸和无机酸促进了有机磷的分解。宏基因组分析表明，适量添加草酸可以恢复硫酸添加所导致的微生物多样性下降，从而提高其均匀性。微生物功能基因的丰度表明，土壤中的碳固定以及氮和磷循环得到了增强。群落组装分析进一步表明，群落的组装过程主要受确定性因素支配。因此，适量添加有机酸和无机酸可以显著提高石灰质土壤中磷的可用性，促进土壤生化循环，为高效利用土壤磷资源提供新的方法，同时支持健康土壤微生态的发展。
引言
磷（P）是植物生长所必需的元素，通常作为肥料施用于农业土壤中。然而，全球每年添加的磷量已经超过了作物需求的9–11 TgP，预计到2050年这一过剩量将进一步增加（Helfenstein等人，2024年）。全球磷酸盐岩储量可能只能满足几十到几百年的需求。为应对这一挑战，有研究表明全球作物生产中的磷利用效率必须提高到68%–81%（Zou等人，2022年）。从长远来看，磷资源的枯竭威胁着农业的可持续性。因此，改进植物营养管理和增加与磷循环相关的研究至关重要（Van等人，2010年）。目前，农业生产中的磷利用效率仅为10%–20%（罗等人，2021年）。大部分施用的磷会在土壤中积累，其中一部分最终无法被作物利用。因此，提高这些残留磷的回收和利用对于可持续农业发展至关重要。
提高磷的利用效率不仅对农业有益，还可以加强工业生产中的磷回收，减少磷进入环境的风险。此外，回收的磷可以重新利用，从而减少磷资源的消耗（肖等人，2022年）。受到工业中利用有机酸和无机酸回收磷的启发（梁等人，2019年；Qaramaleki等人，2023年；Tan-Phat等人，2024年；王等人，2025年），我们推测这可能也会影响土壤中的磷。然而，关于有机酸和无机酸在农业中联合应用的研究有限，其实际效果尚不清楚。相比之下，许多研究已经分别探讨了有机酸或无机酸对土壤磷和微生物的单个影响。例如：大量研究考察了有机酸（包括柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸和醋酸）对土壤磷的激活作用（赵等人，2023年）；有机酸通过多种机制发挥作用，如改变土壤pH值、促进矿物溶解、螯合金属离子以及增强微生物活性（Mohsen和Mahdi，2022年）。然而，关于无机酸激活土壤磷的研究相对较少。尽管如此，研究表明60 mmol·L?1的硫酸能有效激活土壤中的磷（韩，2023年）。当向土壤中施用硫粉时，硫氧化细菌会将其转化为硫酸，大约在第60天时可利用的磷达到峰值（王等人，2004年）。总之，作为小分子酸和微生物的碳源，有机酸通过酸化和螯合作用对土壤磷有更好的激活效果（杨等人，2021年），而无机酸主要通过酸化作用激活土壤中的磷。这表明需要探索这两种酸类型联合使用如何激活土壤中的磷并提高作物对磷的“回收率”。
土壤中的微生物可以通过改变土壤性质和矿物结构来改变其环境。反过来，土壤特性也会影响微生物群落的结构和组成（Sokol等人，2022年）。然而，这些由微生物与土壤相互作用产生的反馈循环在当代土壤微生物生态学中常常被忽视（Philippot等人，2024年）。有机酸和无机酸的应用可以改变土壤的物理化学性质，从而影响土壤微生物群落的结构和功能，这对植物生长非常重要（刘等人，2020年）。尽管如此，这种相互作用在从工业残渣中回收磷的背景下很少被研究。土壤pH值和有机质是影响微生物群落结构和功能的最重要因素之一。它们与养分可用性一起调节参与养分循环的基因的丰度（吴等人，2025年）。无机酸的应用可能通过影响土壤pH值和有机质对微生物产生复杂的影响。相比之下，有机酸作为易于利用的碳源，微生物更倾向于利用它们而不是糖类（Wiesenbauer等人，2025年）。这导致微生物和酶活性的增加、微生物代谢的变化以及群落组成的改变，从而加速了磷循环。参与这一过程的微生物包括那些介导无机磷（Pi）溶解（由phoD和phoX编码的碱性磷酸酶）和有机磷（Po）矿化的微生物（gcd和< />）（王等人，2022a，王等人，2022b）。有机酸还通过调节土壤微生物群落中的酰胺化合物含量来调节微生物多样性，它们之间存在复杂的相互作用（陈等人，2024年）。此外，环境因素也在较小空间尺度（如田间、根际）上影响土壤微生物群落的组装，例如施肥和根系分泌物（如草酸），这些因素会选择性地富集土壤中的特定微生物类群，导致微生物群落组装原则的变化（随机过程与确定性过程）。目前，将土壤微生物群落组装与土壤健康和生态系统功能相结合的研究有限（谢等人，2023年）。总之，无机酸通过多种途径改变磷的可用性和土壤性质，这对微生物有不利影响。相反，有机酸通过调节微生物的能量来源、代谢和组装过程等来调整微生物的结构和功能。基于对以往研究的回顾，我们假设：这两种酸的联合应用不仅可以更好地激活土壤中的磷，还可以影响土壤微生物的群落结构、组装过程和功能。
总之，虽然已有研究探讨了有机酸和无机酸对磷和土壤微生态的影响，但缺乏对不同比例和剂量的有机酸和无机酸对磷和土壤微生态影响的全面评估，特别是预测土壤微生物的功能变化和未来趋势。为了更好地利用磷资源，本研究旨在探索使用有机酸和无机酸激活石灰质土壤中的磷。研究重点关注两个方面：土壤物理化学性质和微生态。该研究旨在揭示它们对土壤中微生物群落结构和功能的影响，为它们在农业生产中的应用提供理论基础。本研究旨在检验以下假设：（1）适当的有机酸和无机酸比例可以提高土壤中磷的可用性，促进无机磷的溶解，并矿化有机磷。（2）添加有机酸可以缓解土壤物理化学变化对土壤微生物群落结构和功能的影响，并调节参与碳、氮、磷和硫循环的基因的丰度。（3）土壤中磷的可用性和碱性磷酸酶的活性是驱动土壤微生物结构和功能的主要因素，导致土壤微生物群落从随机过程向确定性组装的转变。
实验描述和采样
2024年3月，在一个恒温培养箱中开始了实验。土壤取自新疆昌吉的一个棉花田（44°31′N，87°38′E），其基本性质见表1。空气干燥并通过5毫米筛网筛选后，称取300克土壤放入500毫升塑料烧杯中。随后向土壤中加入50毫升去离子水。然后将烧杯转移到恒温培养箱中。
土壤物理化学性质
有机酸和无机酸的应用降低了土壤pH值（表2）。与对照组（CK）相比，含有无机酸和少量有机酸的处理组在3–7天内使土壤pH值显著降低了1.9%–2%，而在第30天时各处理组之间的土壤pH值没有显著差异。经过30天的培养后，随着有机酸的添加，土壤中的碱性磷酸酶活性显著增加（图1a，p < 0.05），并且随着添加量的增加而增加。有机酸和无机酸对磷形态转化的影响
在本研究中，当向土壤中施加硫酸和草酸时，土壤pH值仅在第三天显著下降，土壤中的可利用磷也在第三天达到峰值。这表明降低石灰质土壤的pH值与磷的激活有关。然而，在第30天，OP与土壤pH值呈负相关，尽管这没有达到统计显著性，表明磷可用性的增加部分是由于结论
本研究探讨了有机酸和无机酸联合应用激活土壤磷的能力及其对土壤微生物群落结构和功能的影响。研究表明，草酸和硫酸的适当组合不仅可以提高土壤磷的有效性，还可以减少外源酸补充对土壤微生物的干扰程度（与单独施用硫酸相比）。
作者贡献声明
罗彤：撰写——原始草稿，概念构思。桂慧萍：正式分析。庞年昌：资金获取。彭凯：数据管理。王倩倩：项目管理，概念构思。王向茹：方法学。张西玲：资源准备。马晓燕：软件使用。
作者贡献
所有作者均参与了研究的构思和设计。材料准备和数据收集由罗彤、王向茹、王倩倩和马晓燕完成，数据分析由庞年昌、桂慧萍、彭凯和张西玲完成。第一稿由罗彤撰写，所有作者都对草稿的先前版本进行了评论。所有作者均已阅读并批准了最终稿件。
资助
本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFD2300600）和安阳市国家棉花生物育种与综合利用重点实验室（河南省安阳市，455000）的支持；以及中央公益性科研机构基础研究基金（编号1610162025021）；还有新疆维吾尔自治区“天池人才”引进计划的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：罗彤报告称获得了中国国家重点研发计划（2024YFD2300600）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢马晓燕教授的宝贵帮助，以及中国农业科学院/国家棉花生物育种与综合利用重点实验室提供的实验室和仪器。
