粪肥调控碳磷化学生计量失衡增强微生物磷活化与作物磷吸收的机制研究

《Geoderma》：Carbon-phosphorus stoichiometric imbalance induced by manure amendment enhances microbial phosphorus mobilization and crop phosphorus uptake

本研究针对长期过量施用磷肥导致的土壤磷积累与生态环境风险问题，通过三年田间试验探究基于磷需求配施粪肥对土壤微生物磷周转的调控机制。结果表明，粪肥碳输入提升土壤C:P比，引发微生物群落向富营养型演替，并通过C:P失衡强化微生物磷限制，促进碱性磷酸酶（ALP）活性及微生物生物量磷（MBP）积累，最终使玉米磷肥回收效率（PRE）提升至97.06%，磷盈余量降低至1.15 kg ha?1year?1，为农业磷管理提供生态强化新路径。

　　

在绿色革命以来，集约化农业长期依赖化学磷肥的过量投入以维持作物高产，然而这种模式已引发土壤磷素过度积累、水体富营养化及土壤微生物功能退化等严峻问题。据统计，全球约30%-40%的磷肥因固定或流失未能被作物利用，既浪费不可再生的磷矿资源，又加剧环境负担。如何通过调控土壤内部生态过程实现磷素高效利用，成为农业可持续发展的重要挑战。

在此背景下，中国农业大学资源与环境学院的研究团队在《Geoderma》发表了题为“Carbon-phosphorus stoichiometric imbalance induced by manure amendment enhances microbial phosphorus mobilization and crop phosphorus uptake”的研究论文。该研究通过三年田间试验，创新性地提出“以碳换磷”策略，系统揭示了粪肥输入通过调控土壤碳磷化学计量比，激活微生物磷活化功能，进而提升作物磷吸收效率的生态机制。

研究团队在华北平原石灰性潮土上设置四种施肥处理：不施磷肥（P0）、纯化学磷肥（P1，39.27 kg P ha^?1）、低量粪肥碳配施（LCP，总磷输入同P1，粪肥碳0.76 t ha^?1）和高量粪肥碳配施（HCP，粪肥碳1.53 t ha^?1）。通过测定土壤溶解性有机碳（DOC）、Olsen-P、微生物生物量碳/磷（MBC/MBP）、碱性磷酸酶（ALP）活性等指标，结合16S rRNA基因测序分析微生物群落结构，并计算微生物C:P失衡指数（DOC:Olsen-P与MBC:MBP的比值），系统解析粪肥碳输入对土壤磷周转的调控路径。

关键方法概述

研究采用田间定位试验与室内分析相结合的手段。土壤微生物生物量碳磷采用氯仿熏蒸-碳酸氢钠提取法；酶活性通过荧光底物法测定β-葡萄糖苷酶（BG）和碱性磷酸酶（ALP）等；细菌群落通过Illumina MiSeq平台测序16S rRNA基因V4-V5区，并基于rrnDB数据库计算加权平均rRNA操纵子拷贝数以判别微生物生态策略（r/K策略）；微生物养分限制采用酶化学计量向量模型分析。

3.1 土壤养分与C:P化学计量比对粪肥输入的响应

粪肥配施处理（LCP、HCP）在玉米生长季（V7、V12期）显著提升土壤DOC含量和DOC:Olsen-P比值，但至收获期（R6）差异缩小。这表明粪肥碳输入在作物需磷关键期创造了更高的土壤C:P环境，为微生物代谢提供能量基础。

3.2 微生物生物量与C:P失衡的调控

粪肥处理使土壤MBC和MBP分别提高23%-35%和28%-42%，且微生物C:P比值（MBC:MBP）保持稳定。尽管土壤C:P波动剧烈，微生物通过维持体内化学计量稳态，形成显著的C:P失衡（Soil_C:P/Microb_C:P>1），且失衡程度随粪肥碳量增加而加剧。

3.3 酶活性与微生物养分限制特征

与纯化学磷肥处理（P1）相比，粪肥处理显著提升ALP活性达60%-84%，而BG、NAG和LAP活性增幅较小。酶化学计量向量分析显示，粪肥处理使向量角度（反映磷限制程度）从P1的<45°增至>45°，表明微生物代谢从氮限制转向磷限制，驱动其优先投资磷获取功能。

3.4 细菌群落结构与生态策略转变

经过三年施肥，粪肥处理显著提高细菌群落中富营养型 taxa（如变形菌门、拟杆菌门）比例，降低寡营养型 taxa（如酸杆菌门）丰度。加权平均rrn拷贝数在HCP处理中最高，进一步验证粪肥碳输入促进微生物向r策略（快速生长型）演替，此类菌群对磷需求更高，与MBP积累呈正相关。

3.5 作物磷吸收与生物有效磷库的关联

粪肥处理使玉米磷吸收量增加5.8-5.9 kg ha^?1，相当于高产系统磷需求的15%。MBP含量与作物磷吸收呈线性-平台关系，临界阈值为16.60 mg kg^?1。粪肥通过扩大MBP库和土壤有效磷库，显著提升生物有效磷总量，尤其在V12需磷关键期效果突出。

结论与展望

本研究揭示了一条微生物介导的磷活化新途径：粪肥碳输入→提升土壤C:P比→引发微生物C:P失衡→强化磷限制→促进富营养型群落增殖与ALP分泌→扩大MBP库→通过MBP周转持续供磷。该机制在减少化学磷肥用量23.56 kg ha^?1的同时，将磷回收效率（PRE）从81.34%提升至97.06%，磷盈余量降低至1.15 kg ha^?1year^?1。

研究提出的“以碳换磷”策略，将传统依赖化肥的线性磷管理转变为基于生态过程的循环模式，为破解农业磷困境提供了理论依据和实践路径。未来需结合同位素示踪等技术，精确量化MBP周转通量及其对作物磷吸收的贡献率，进一步优化粪肥碳投入的阈值效应。