估算土壤中磷的矿化作用和固定作用：同位素池稀释模型与同位素交换动力学模型的比较

《Soil Biology and Biochemistry》：Estimating soil phosphorus mineralization and immobilization: a comparison of isotope pool dilution vs and isotopic exchange kinetics frameworks

土壤磷循环研究对比同位素交换动力学（IEK）与同位素稀释（IPD）方法对有机磷矿化（Pmin）、微生物无机磷固定化（Pimmob）及总磷输入量的估算差异，发现IPD结果更保守但土壤性质无关，总磷输入量二者强相关（R2≈0.7）。不同方法及培养时长显著影响磷通量估算，需改进标准化流程。

　　

李长勇|安德鲁·J·马格诺

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校可持续性、能源与环境研究所农业生态系统可持续性中心，厄巴纳，IL 61801

摘要

量化土壤磷（P）通量对于指导农业生态系统的磷管理以及理解生态系统中的磷循环是必要的，但这具有挑战性。最近在土壤磷同位素标记方面的发展使得此类评估成为可能，但由于缺乏方法标准化，人们对量化结果的信心以及不同研究之间的比较受到限制。我们比较了两种最常用的方法在同位素交换动力学（IEK）和同位素池稀释（IPD）框架下测得的土壤磷通量大小，具体包括总有机磷矿化（P_min）、微生物无机磷固定（P_immob）和净P_min，以及结合非生物过程和总P_min的总磷流入量。我们使用了来自五个长期实验的18种土壤，这些实验涵盖了不同的土壤特性和土地利用及管理方式（例如施肥）。我们发现，基于IEK和IPD的方法计算出的估计值存在高达两个数量级的差异。总体而言，基于IPD的方法得出的结果更为保守；然而，没有发现任何土壤特性与IPD相对于IEK的保守性相关。对所有地点的数据进行全局回归分析表明，基于IEK和IPD框架确定的磷通量大小相关性较低（R² = 0.06至0.24），但当按不同地点分组时，尤其是对于总P_min的估计值，相关性更高（最高达到R² = 0.96）。然而，在所有地点，使用IEK和IPD框架估计的总磷流入量之间存在强烈且正相关的关系（R² ≈ 0.7），这表明尽管方法和概念存在根本差异，总磷流入量仍存在趋同现象。由于本研究中测试的农业生态系统和方法学变量（例如IEK与IPD方法、培养时间、土地管理方式）会影响磷通量的大小，因此对测量土壤磷循环通量的方法进行标准化将具有挑战性，并且需要通过理解磷转化的潜在机制来加以改进。为了解决基于IPD和IEK方法中的假设问题，需要确定有效的土壤灭菌方法以提供非生物控制，并评估预培养的必要性（即比较非预培养与预培养土壤中示踪剂的动力学），并重新考虑IEK框架下的“基础土壤P_min

引言

土壤磷（P）循环受非生物物理化学过程（如吸附-解吸）和生物-生化过程（包括有机磷矿化（P_min）和微生物固定（P_immob）的共同影响。生物-生化过程的磷通量难以估计：对于P_min的估计，由矿化产生的生物可利用磷酸盐会在大多数土壤表面迅速被吸附或沉淀（Bünemann, 2015）。对于P_immob，传统的熏蒸提取方法——例如使用氯仿（Brookes等人，1982；Hedley和Stewart，1982；Kouno等人，1995）或己醇（Mclaughlin等人，1986；Bünemann等人，2004）作为熏蒸剂——实际上表征的是微生物磷（P_mic的量，而不是P_mic的周转率，因为通常在没有同位素追踪的情况下无法检测到P_mic的显著净变化（Oehl等人，2001a）。磷同位素标记的发展克服了这一问题，但不同研究之间方法选择的不一致性阻碍了或完全排除了对估计磷通量值的比较（C. Li等人，2025）。两种最常用的方法分别是基于同位素交换动力学（IEK）的框架——一种基于经验方程的框架，或基于质量平衡方程的同位素池稀释（IPD）框架，分别称为Oehl等人（2001b）和Di等人（2000）的方法，在Bünemann（2015）的综述中有所介绍。尽管文献中对基于同位素的方法的术语使用不一致，但我们遵循Wanek等人（2019）和Li等人（2025）使用的命名系统以便于清晰表达。

基于IEK的方法最初是一个简单的幂律方程（Fardeau等人，1985），后来扩展为一个更复杂的版本（Fardeau，1993），以便能够进行更长时间跨度的推断。IEK框架主要用于量化不同时间尺度（例如E_1d）上的可交换同位素池（E值），这些时间尺度与磷的生物可利用性相关（Frossard和Sinaj，1997）。E值可以进一步分为来自非生物过程的贡献或总P_min（Bünemann等人，2016；Pistocchi等人，2018）：基于短期（通常为100分钟）示踪剂消失实验的外推E值被认为仅反映非生物过程，而测量的E值包括总P_min和非生物过程。测量值与外推值之间的差异被解释为总P_min（Oehl等人，2001b）。为了估计净P_min，使用平行熏蒸实验来估计微生物磷固定（Bünemann等人，2007）。相比之下，IPD框架也基于示踪剂动力学，但更侧重于质量平衡建模（Kirkham和Bartholomew，1954），通过监测特定活性（SA）随时间的变化来估计磷进入和离开土壤系统的流入量（F_I）和流出量（F_O）。在封闭系统中，F_I包括总P_min以及解吸和溶解作用，而F_O包括微生物吸收、吸附和沉淀作用。为了分离生物过程，对未灭菌和灭菌的土壤进行平行培养以校正非生物通量（Di等人，2000；Wanek等人，2019）。图1说明了两种框架的概念基础，表1总结了每种框架中的关键假设以及这些假设在实践中如何实际满足。值得注意的是，没有理想的方法能够真正灭菌土壤，特别是对于由细胞外酶催化的总矿化过程，因为灭菌会引起人为误差。例如，高压灭菌——最常用的技术——会改变土壤的物理化学性质，如团聚体稳定性、短程Fe/Al氧化物和磷吸附能力，同时也可能通过微生物细胞裂解增加养分通量（Serrasolsas和Khanna，1995；Bünemann等人，2013）。

基于IPD的方法广泛用于农业生态系统中的氮（N）循环研究，通常称为¹⁵N稀释，但在评估磷通量方面使用得不如基于IEK的方法。具体来说，在评估土壤磷循环过程的98项研究中，只有不到11%的研究使用了基于IPD的方法（C. Li等人，2025）。尽管人们对IPD重新产生了兴趣（例如Mooshammer等人，2017；Wanek等人，2019；Ma等人，2020；Khomenko等人，2023；Z. Li等人，2025），但基于IEK和IPD方法确定的磷通量的系统比较仍然缺乏。虽然Bünemann（2015）使用汇编的研究数据估计了基于IEK和IPD框架得出的总P_min率的差异，但IEK框架下的数据是使用几种假设转换为基于IPD的数据集的，而不是通过实验测量得到的。迄今为止，只有两项研究直接使用相同土壤的实验测量数据比较了基于IEK和IPD的方法：Kellogg等人（2006）使用了四种土壤（Histisol、Ultisol、Entisol和Alfisol），Randhawa等人（2005）使用了施用和未施用绿肥的Inceptisol。然而，这两项研究仅评估了总P_min，因此没有直接比较相关的P_immob或净P_min通量。尽管观察次数有限（n = 6），基于IPD的方法倾向于得出比基于IEK的方法更为保守的总P_min估计值（C. Li等人，2025）。

应该指出的是，正如我们在最近的文献综述（C. Li等人，2025；第3.2.3节）中总结的，大多数基于IEK的研究使用了水（1:10 m/v，16小时）进行提取，而基于IPD的研究主要使用碳酸氢盐（1:20 m/v，30分钟）进行磷酸盐提取。作为比较这两种方法的初步步骤，我们采用了它们最常用的提取方法以反映当前的做法。然而，我们认识到不同的提取剂可以获取不同的土壤磷池。特别是，基于IEK的方法量化的是土壤中可用水提取的磷和容易交换的磷池，而碳酸氢盐提取则去除了大量松散或非特异性吸附的磷（Salcedo等人，1991；Hamon等人，2002）。

另一个在不同研究中变化的关键参数是用于通过数值建模开发非稳态磷转化率的采样时间点数量（Müller和Bünemann，2014；Bünemann，2015）。简而言之，不同循环过程的磷通量将与某些磷池相关联，例如易分解与难分解的化合物，这些化合物可能表现出不同的衰减动力学（例如零级、一级、二级或Michaelis-Menten动力学）。平均而言，IPD使用两个采样时间点，而IEK使用六个采样时间点（C. Li等人，2025）。然而，不同研究中的培养时间跨度很大——从24小时到超过150天——往往没有明确的理由或经验依据。这种不一致性可能会在估计的磷通量中引入显著的变化，特别是在比较基于IEK和IPD的方法时。例如，Kellogg等人（2006）发现，根据使用的是IEK还是IPD框架以及培养时间是1天还是15天，Histisol、Ultisol和Entisol中的总P_min率有所不同。总体而言，这表明需要更严格的统计分析来研究培养期和方法选择如何同时影响土壤磷通量的估计。

为了解决上述知识空白，我们使用了代表美国中部密集农业地区的18种具有不同土地利用和管理方式的土壤，比较了基于IEK和IPD框架的磷通量（P_min和P_immob）的估计值。这项研究的主要目的是澄清基于IEK和IPD方法估计的P_min和P_immob通量（mg kg^-1 d^-1）是否存在一致的分歧。另一个目标是确定导致这两种方法估计通量差异的潜在土壤因素。最后，我们讨论了每种方法的优点和缺点，并强调了未来方法学发展的关键领域。我们假设1）不同土壤磷循环过程的通量估计将高度依赖于所使用的同位素磷方法和培养期，2）基于IPD的通量将小于基于IEK的通量。

部分片段

土壤

选择了来自伊利诺伊州四个长期实验研究地点的土壤，以代表不同的土壤、气候和农业管理方式（图S1）。这些土壤反映了从较年轻的冰川作用地区（威斯康星时期，12,000年前）沉积的较深黄土（100 – 300厘米）到在较薄黄土层上发育的土壤的南北风化梯度（Monmouth研究农场，典型Argiudoll土壤）

特定活性动态

在所有土壤中，碳酸氢盐提取物中测得的SA始终低于水提取物中的SA（图S4）。随着时间的推移，两种提取物中的SA都下降了，其中水提取物中的下降幅度最大，尤其是在第一天。值得注意的是，在第14天后，几种土壤（例如Aquic Argiudolls）中的SA略有增加。

两种方法的“准确性”和精确度

目前无法验证基于IEK和IPD的方法估计磷通量的准确性，因为即使使用筛选后的土壤，也没有办法测量“真实”值，也没有像分析化学中的标准。这是土壤过程速率的一个普遍挑战，不仅限于磷（例如C矿化）。然而，可以通过判断计算值的合理性来粗略评估准确性。

结论

量化土壤中矿化-微生物固定过程中的磷通量大小有助于更好地理解土壤中磷生物可利用性的转化机制。我们比较了在IEK和IPD框架下最常用的两种方法，用于总有机磷矿化（P_min）、微生物无机磷固定（P_immob）、净P_min以及结合非生物过程（例如解吸）和总P_min的总磷流入量，使用了18种具有不同土地利用的土壤

CRediT作者贡献声明

李长勇：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。安德鲁·J·马格诺：写作——审稿与编辑、撰写初稿、验证、监督、资源管理、项目协调、方法学、研究、资金获取、概念化

未引用的参考文献

Li等人，2025；Randriamanantsoa等人，2013；RStudio团队，2025。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了伊利诺伊大学ACES学院Dudley-Smith倡议（AJM、CL、JW）的DSynergy奖项的支持。我们感谢Gevan Behnke和Maria Villamil提供Monmouth研究和示范中心的土壤，以及Ed Ballard、Kristin Greer和Laura Christianson在Dudley-Smith农场协调土壤采样工作。