《Forest Ecology and Management》：Biochar-induced enhancement of soil available phosphorus shows pronounced temporal dynamics in subtropical Chinese fir plantations
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土壤有效磷动态及驱动机制研究：亚热带杉木林中生物炭施用短期内显著提升土壤有效磷（AP），但18个月后AP下降至对照水平以下，主要归因于pH升高初期削弱Fe/Al-P固定，后期Ca-P沉淀和Fe/Al-P再稳定化主导。微生物群落重构（如变形菌门富集）及磷循环功能群变化协同调控AP动态。
王江峰|潘芳音|凯特·希尔|周楚凡
中国江苏省南方可持续林业协同创新中心，江苏省土壤与水土保持及生态修复重点实验室，南京林业大学，南京210037，中国
摘要
在中国亚热带地区，可利用磷（AP）是针叶树Cunninghamia lanceolata种植园生产力和养分循环的关键限制因素。然而，种植园土壤通常呈酸性且磷含量不足，导致AP水平长期较低。由于生物炭具有独特的物理化学性质，被认为能够改善土壤条件并提高养分有效性。然而，土壤中AP对生物炭的响应机制仍不甚明了，特别是早期增加的效果是否能够持续，或者是否会随时间减弱甚至逆转。本研究在中国福建省一个3年生的亚热带Cunninghamia lanceolata种植园进行了田间试验。试验在酸性红壤（Ultisol）上进行，土壤质地为砂壤。使用在缺氧条件下通过缓慢热解法在400–500°C温度下制备的玉米秸秆生物炭，以四种不同剂量（0、0.5、1和2 kg/株）施用于重复实验地块。在生物炭施用后6个月、12个月和18个月分别采集土壤样本，分析土壤AP、磷组分、pH值、Fe/Al氧化物以及微生物群落。结果显示，生物炭施用显著增加了6–12个月内的土壤AP浓度，其中6个月时AP增加了18–56%，12个月时增加了10–47%，表现出明显的剂量依赖性。然而到18个月时，所有生物炭处理组的土壤AP浓度均显著下降，相比对照组降低了72–76%，表明最初的AP提升效果并未持续，反而发生了逆转。通过机器学习和结构方程模型分析发现，早期AP增加主要是由于土壤pH值升高和Fe/Al固定能力减弱所致；而后期下降则与Ca-P沉淀及Fe/Al-P稳定化有关。与此变化一致的是，18个月时Ca结合的磷增加了22–36%，而Fe-P和Al-P则减少了17–60%。生物炭还改变了土壤细菌群落和磷循环功能群，以变形菌门为主的磷酸盐溶解菌群及某些放线菌门菌群在处理时间和处理方式上发生了变化，这些变化与土壤AP动态的变化相关。总体而言，生物炭在短期内有效缓解了亚热带Cunninghamia lanceolata种植园的磷限制问题，但其效果具有很强的时间依赖性，可能会随时间减弱甚至逆转。我们的研究结果强调了土壤pH值升高和Ca-P沉淀是影响AP动态的主要生物炭相关因素。
引言
Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.是中国亚热带地区分布最广、利用最广泛的常绿针叶树种，既是重要的速生木材物种，也是关键的生态屏障（Gao等人，2022；Zheng等人，2025）。然而，Cunninghamia lanceolata种植园的生产力普遍较低（Ding等人，2022；Jiang等人，2019），尤其是在遭受严重土壤侵蚀的地区，频繁的强降雨加速了养分流失，尤其是磷（P）的流失（He等人，2019），从而限制了树木生长所需的土壤肥力（Wu等人，2024）。事实上，降雨引发的土壤侵蚀已被确定为这些生态系统中磷流失的主要途径（Hong等人，2025）。这种持续的磷流失已成为限制Cunninghamia lanceolata种植园生长和可持续管理的关键因素（Zheng等人，2025）。尽管土壤磷流失问题日益受到关注，但其在Cunninghamia lanceolata种植园中的动态过程和机制仍不甚清楚（Ye等人，2025）。因此，阐明土壤磷的循环过程和调控机制对于提高生产力及实现这些种植园的可持续管理至关重要。
在亚热带Cunninghamia lanceolata种植园中，传统的管理方式依赖于反复施用无机氮（N）和磷（P）肥料来维持高生产力，但由于酸性、高度风化的土壤特性，施用磷的利用率极低。在易受侵蚀的亚热带地区，磷在土壤中的吸附固定作用强，有效性低，这受到非生物和生物过程的双重影响（Wang等人，2025a）。此外，铁（Fe）的高氧化还原活性通过吸附和沉淀作用固定了土壤中的磷，降低了其生物有效性（Tao等人，2023；Wang等人，2024a）。此外，由于Fe3?和Al3?在酸性条件下具有高亲和力，容易形成Fe-P和Al-P沉淀物。这些非生物过程提高了磷的解吸阈值，将其固定在固体相中，从而在酸性土壤中形成了“固定强、供应弱”的磷循环模式（Yu等人，2024）。酸性土壤中的微生物群落特征也导致了磷的缺乏：细菌和真菌的生物量较低，α多样性降低，共现网络简化，功能多样性减少，导致有机磷矿化能力和将磷循环回土壤溶液的能力减弱。同时，微生物群落组成偏向于生长缓慢、磷循环潜力低的贫营养菌类（Wang等人，2024b）。从功能上看，土壤微生物在低磷和酸性条件下大量投资于磷的获取策略，表现为酸磷酸酶（ACP）活性升高（Chen等人，2024），这限制了有机磷向植物可利用无机磷的转移。尽管ACP加速了有机磷的矿化，但释放的无机磷很快被微生物吸收或重新结合到Fe/Al表面，阻碍了可利用磷（AP）的积累。因此，在易受侵蚀的酸性土壤中，高ACP活性常常伴随着低AP水平（Liu等人，2025b；Wu等人，2025）。生物炭的多孔结构和可溶性有机物改善了土壤微生境，增强了微生物活性和磷酸酶分泌，从而促进了有机磷的矿化和无机磷的溶解（Chang等人，2025）。
最近的研究表明，生物炭对土壤AP的影响受物理化学过程和生物过程的共同调控，其中土壤固体与溶液之间的吸附-解吸平衡和交换动力学是核心机制（Gao等人，2019；Ghodszad等人，2021a；Glaser和Lehr，2019；Xu等人，2014；Zhang等人，2025a；Zhang等人，2025b）。在酸性土壤中，生物炭引起的pH值升高和离子活性的变化会改变Fe/Al的化学反应性和表面电荷，从而改变磷的络合、吸附和沉淀反应。此外，生物炭释放的溶解有机物和腐殖质物质会与磷酸根竞争反应位点，增强磷的解吸潜力（Ghodszad等人，2022；Wu等人，2022）。生物炭还可以通过释放可溶性磷盐来提供活性磷。同时，富含阳离子的生物炭，尤其是在较高热解温度下制备的生物炭，可以在特定条件下促进Ca/Mg-磷酸盐沉淀或增加吸附能力，这可能降低AP（Ghodszad等人，2021b；Li等人，2020）。不同酸度土壤的动态研究表明，提高热解温度通常会降低磷的吸附并增强解吸作用，但在碱性土壤中反应可能不同，这突显了土壤反应和生物炭性质在决定生物炭对磷有效性方面的共同作用（Ghodszad等人，2021a；Glaser和Lehr，2019）。更全面的综合分析还强调了生物途径的作用，包括微生物种群规模的变化、酶活性、微生物产生的金属螯合有机酸以及菌根关联。生物炭的效果取决于土壤类型、生物炭原料和热解条件、施用剂量以及实验持续时间（Ghodszad等人，2021b；He等人，2025）。
尽管生物炭已被广泛用于农田和某些森林系统中的酸性土壤改良，以提高磷的有效性和养分保持能力（Liu等人，2023；Ma等人，2026），但先前的研究记录了生物炭施用在不同农业系统中对土壤可利用磷的剂量和时间依赖性响应（Glaser和Lehr，2019；Lai和Wang，2025；Xiang等人，2017）。然而，在易受侵蚀的亚热带针叶树种植园中，这些效应仍不甚清楚，因为独特的土壤条件和管理措施可能改变生物炭与磷的相互作用。为填补这一空白，我们在中国福建省三明市的Cunninghamia lanceolata种植园进行了为期18个月的田间试验，采用了一次性生物炭施用梯度（0、0.5、1和2 kg/株），并在6个月、12个月和18个月后采集土壤样本。通过结合磷组分分析（包括Fe/Al相关组分和Ca相关组分）与微生物群落动态，并应用机器学习和结构方程模型，我们量化了物理化学因素与微生物因素对土壤AP动态的相对贡献，并提出了生物炭诱导的AP增加随时间减弱或逆转的机制解释。具体来说，我们测试了两个假设：（1）一次性生物炭施用会在第一年内引起剂量依赖性的短暂AP增加，随后在18个月内减弱，早期增加主要由较高的土壤pH值和Fe/Al结合磷的固定能力减弱驱动；（2）在不同处理和采样时间点，Fe结合磷和土壤pH值是AP的主要决定因素，即使微生物过程仍对AP动态有所调节，综合机器学习模型和结构方程模型也显示这些物理化学因素对AP的总影响大于微生物因素。
研究地点、实验设计和实验材料
本研究在中国东南部福建省龙岩市长汀县典型的红壤侵蚀区域进行（北纬25°33′–25°48′，东经116°18′–116°31′）。该县70%以上的面积为丘陵地带，起伏的地形导致土壤侵蚀和养分流失风险较高（Gao等人，2023）。母岩为花岗岩，主要土壤类型为红壤，属于USDA土壤分类中的Ultisols类型。
土壤可利用磷的时间动态及其物理化学驱动因素
对照组（B0）的土壤AP浓度在6至18个月内逐渐增加，在18个月时达到最高值（图1）。相比之下，在生物炭处理组（B0.5、B1和B2）中，6个月和12个月的AP浓度分别比对照组高出20%、18%和56%，12个月时分别高出10%、13%和47%，表明较高的生物炭施用剂量带来了更高的AP浓度。
生物炭施用在短期内显著增加了土壤可利用磷
我们观察到，在生物炭施用后6–12个月内，Cunninghamia lanceolata种植园的土壤AP显著增加。由于土壤pH值与AP浓度之间存在显著的正相关关系，我们将酸性土壤中AP的短期增强归因于pH值的升高，这直接降低了Fe/Al的固定能力。这些机制与先前的研究结果一致。例如，实验室研究表明，生物炭不仅含有可直接利用的磷
结论
本研究显示，一次性的生物炭施用在亚热带Cunninghamia lanceolata种植园中短期内增加了土壤AP，但这种增强效果并未持续。生物炭施用后6–12个月内AP显著升高，尤其是在较高施用剂量下，之后逐渐下降，18个月时低于对照组。这种时间变化反映了物理化学过程的主导作用：生物炭引起的pH值升高最初削弱了Fe/Al结合磷的固定能力
CRediT作者贡献声明
周楚凡：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查，资金获取。潘芳音：方法学，调查，正式分析，数据管理。凯特·希尔：撰写 – 审稿与编辑。王江峰：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，项目管理，方法学，正式分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF1304404）和国家自然科学基金（32071746）的财政支持。
