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文献分享丨Nat Geosci ：长期氮磷施肥通过微生物残体积累促进土壤碳固存

花匠小妙招
2025-10-09 11:03

文章信息

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原名：Soil carbon sequestration enhanced by long-term nitrogen and phosphorus fertilization

译名：长期氮磷施肥通过微生物残体积累促进土壤碳固存

期刊：Nature Geoscience

DOI：10.1038/s41561-025-01789-y

第一作者&通讯作者：

Sheng Tang & Qingxu Ma

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摘要

土壤有机碳对气候缓解和农业生态系统可持续性至关重要，但其不断枯竭令人担忧，且其对长期施肥的响应尚不明确。本研究利用英国洛桑的 Broadbalk 经典试验——全球持续时间最长的冬小麦连作施肥试验，结合¹⁴C 标记、宏基因组学和代谢组学，探究 180 年氮（N）磷（P）施肥对土壤有机碳动态的影响。与不施肥相比，长期单施 P、单施 N 及 NP 配施分别使土壤有机碳含量提高 10%、22% 和 28%。单施 P 使微生物呼吸（37%）和生物量（20%）不成比例地增加，限制了稳定碳的形成，仅略微提升活性碳。单施 N 提高了微生物碳利用效率和残体积累效率，促进矿物结合态碳的累积。NP 配施则增强植物源碳输入，并促进活性碳向稳定碳转化，提升土壤有机碳的数量与稳定性。对施肥年限效应的荟萃分析显示，全球范围内 N 和 P 施肥分别使农田土壤有机碳增加 21% 和 13%；其促进作用分别在 16 年和 34 年前下降，随后再增强。总体而言，长期矿质施肥可有效增强土壤碳固存。

长期氮和磷施肥对小麦产量、秸秆生物量和SOC的影响该图展示了长期氮和磷施肥对小麦产量、秸秆生物量和土壤有机碳（SOC）含量的影响。图1a展示了在不同施肥处理下的小麦年产量变化，图中的实线代表了显著的线性回归结果。图1b和图1c分别显示了从1852年到2022年间，不同施肥处理下的小麦产量和秸秆生物量的年均值。每个数据点表示当年在Rothamsted Broadbalk实验中的记录值。图1d则展示了1966年到2022年期间，SOC在不同施肥处理下的变化，插图中显示了长期施肥对SOC的平均效应大小。各图中的符号和误差条表示均值±标准差（n=162）。通过线性混合效应模型评估施肥处理的统计差异，并进行了Tukey调整的配对比较。

长期氮和磷施肥对2022年SOC库和微生物碳代谢的影响图2展示了2022年不同施肥处理对SOC库和微生物碳代谢的影响。图2a至图2j分别展示了矿物相关有机碳（MAOC）、微生物碳利用效率（CUE）、土壤微生物呼吸（Rs）、微生物残体积累系数（NAC）、SOC含量、颗粒有机碳（POC）、溶解有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）和微生物残体的变化。每个箱线图显示了中位数（中心线）、第一和第三四分位数（箱边缘），以及延伸到最小值和最大值的须。不同施肥处理之间的显著差异通过一元方差分析（ANOVA）和Tukey的后续检验进行了评估，p值<0.05表示显著差异。

概念图示：长期氮和磷施肥如何通过不同的机制增加SOC图6为概念图示，展示了长期氮和磷施肥如何通过不同的机制增加SOC。氮施肥通过提高微生物碳利用效率（CUE）、碳分解基因丰度和微生物残体的形成，显著促进了SOC的增加，尤其是在稳定碳的形成方面。相比之下，磷施肥仅略微增加了SOC含量，主要通过增加颗粒有机碳、微生物生物量碳和溶解有机碳来促进SOC的积累。

结论

氮磷联合施肥显著增加SOC：长期施氮和施氮磷处理分别使SOC增加了22%和28%。其中，氮磷联合施肥不仅增加了SOC的数量，还提高了其稳定性。

施氮和施磷对微生物的影响不同：氮施肥增加了微生物碳利用效率（CUE）和微生物残体积累速率（NAC），促进了稳定碳的形成。而磷施肥则主要增加了植物来源的碳输入，但对微生物活动和SOC稳定性影响有限。

施肥持续时间的非线性效应：Meta分析表明，氮和磷施肥对SOC的正向效应在实验初期显著，但随着施肥时间延长，效果逐渐减弱，然后又重新增强。氮施肥的效果在16年后开始增强，而磷施肥则在34年后显现出更显著的效应。

微生物碳循环变化：长期施肥改变了土壤微生物的碳循环基因表达和酶活性，氮施肥促进了碳分解基因和酶的活性，而磷施肥则未能显著改变这些指标。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41561-025-01789-y

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