长期磷肥调控下土壤养分化学计量比对有机碳储量的影响研究

《Geodesy and Geodynamics》：Soil nutrient stoichiometry impacts on soil organic carbon stocks in long-term phosphorus fertilisation experiments

本研究针对磷肥施用对土壤有机碳(SOC)储量的影响机制尚不明确的问题，通过分析欧洲六个长期试验点的土壤剖面数据，探讨了不同土地利用方式下土壤碳氮磷(C:N:P)化学计量特征与SOC储量的关系。研究发现长期磷肥施用并未显著改变SOC储量，但揭示了草地和耕地系统中SOC分布与养分 stoichiometry 的差异化关联，为优化农业养分管理以增强土壤碳汇功能提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，增强土壤碳汇功能已成为缓解大气CO₂浓度上升的重要途径。农业生态系统作为关键碳库，其土壤有机碳（SOC）储量变化备受关注。然而，SOC的转化过程与养分循环，特别是氮（N）和磷（P）的相互作用密切相关。尽管磷素对植物生长的限制作用已被广泛认知，但其对碳氮循环的影响机制仍存在不确定性。尤其在不同土地利用方式和土壤深度下，磷肥施用如何通过改变土壤C:N:P化学计量比来影响SOC储量，是当前土壤碳循环研究的前沿课题。

为探究这一科学问题，由爱尔兰Teagasc研究所Parag Bhople领衔的国际研究团队，整合了欧洲六个长期磷肥定位试验点（包括三个草地和三个耕地系统）的土壤剖面数据，开展了跨区域的对比研究。研究人员采集0-10 cm、10-30 cm和30-50 cm三个土层的土壤样品，系统分析了土壤理化性质、SOC储量及C:N:P stoichiometry特征。该研究近期发表于《Geodesy and Geodynamics》期刊，为理解长期磷肥管理对土壤碳储量的影响提供了新的证据。

研究采用的关键技术方法包括：基于长期试验点的空间网格法土壤采样技术，运用LECO TrueSpec C/N分析仪测定土壤总碳（TC）、总氮（TN）和无机碳（TIC），通过反王水消化-ICP-OES联用测定总磷（TP），采用Morgan法和Mehlich3法分别提取有效磷，并利用多项式回归模型优化算法确定最大SOC储量对应的C:N:P stoichiometry比值。

3.1 土壤性质

研究发现除JC2草地和JY耕地站点外，土壤容重（BD）在磷处理间无显著差异。土壤pH值普遍呈酸性（5.0-6.9），但LE草地和JY耕地站点因长期施用石灰呈中性至碱性。SOC、TN和TP含量均随土壤深度增加而显著降低，其中草地站点0-10 cm土层SOC含量最高达32.4 g kg^-1，而耕地站点SOC储量在10-30 cm土层出现峰值，这与犁耕导致的有机质再分布有关。

3.2 土地利用和土壤深度对SOC储量的影响

磷肥施用对SOC储量无显著影响。草地站点0-50 cm深度SOC储量为9.7-40.6 t C ha^-1，耕地站点为11.0-48.3 t C ha^-1。草地SOC主要集中在表层（0-10 cm），而耕地因犁耕作用使SOC在10-30 cm土层出现富集，表明耕作管理对SOC垂直分布格局具有决定性影响。

3.3 土壤全氮、全磷与SOC储量的关系

TN与SOC在草地站点呈现强相关性（R²>0.79），尤其在0-10 cm和30-50 cm土层。TP与SOC的关联在10-50 cm土层显著（R²>0.50），但在表层较弱。这表明氮素是草地SOC储量的主要限制因子，而磷素在深层土壤中的作用更为突出。

3.4 土壤变量与CNP相互作用的关联

主成分分析（PCA）显示92.7%的变异由前两个主成分解释。草地样本与SOC储量、TN含量及C:N:P比值密切关联，而耕地样本则更易受土壤物理性质（如BD和质地）影响。通过优化算法确定，草地系统最大SOC储量（30.9 t C ha^-1）对应的最优SOC/TN和SOC/TP比值分别为10.1和32.6，耕地系统则为10.9和29.4（SOC储量33.3 t C ha^-1）。

研究结论表明，长期磷肥施用并未显著改变SOC储量，但揭示了土地利用方式对SOC分布格局的调控作用。草地系统中氮素有效性主导SOC储量变化，而耕地系统中耕作管理是影响SOC垂直分布的关键。尽管C:N:P stoichiometry与SOC储量的关联存在站点特异性，但提出的最优化学计量比为农业养分管理提供了理论参考。该研究强调，基于土壤养分平衡的精准施肥策略，而非单一磷肥投入，是实现农业土壤碳汇功能提升的关键。这些发现为优化农田管理措施以增强土壤碳 sequestration 潜力提供了重要科学依据。