长期施肥条件下土壤磷动态模拟与DGT-P测定技术的协同应用研究

这篇研究通过结合扩散梯度薄膜技术(DGT)与农业生态系统模型(AgroC)，对德国罗斯托克长期试验田的植物有效磷(P)进行精准评估。研究揭示了不同施肥处理(无机磷肥TSP、有机堆肥及其组合)下土壤磷库的动态平衡规律，发现约12年可建立新的植物有效磷平衡，为构建农业数字孪生(digital twin)系统提供了磷循环建模新范式。

　　

研究背景与意义

磷(P)作为关键营养元素，其有效性直接影响农作物产量。传统磷评估方法面临重大挑战，而扩散梯度薄膜技术(DGT)通过模拟根系吸收过程，可更精准测定植物有效磷。本研究创新性地将DGT与现代农业生态系统模型AgroC结合，对德国罗斯托克22年长期试验田开展系统研究，旨在建立可量化植物有效磷的数字孪生系统。

材料与方法

试验设计包含4种处理：不施磷肥(CK)、三重过磷酸钙(TSP)、堆肥(compost)及其组合(TSP+compost)。采用DGT技术每年测定0-30 cm土层有效磷，并运用Hedley分级法分析2015年土壤磷形态。AgroC模型扩展磷循环模块，包含液相磷(P_lab)、活性矿质磷(P_ACT)和稳定磷库(P_STAB)三大库室，通过逆向校准确定关键参数如磷吸附系数(PSP=0.078)和稳定/活性库比(Q_STAB/ACT=7.4)。

关键发现

磷库动态与模型验证

DGT-P与模型估算的0-30 cm有效磷呈现显著相关性(R²=0.65-0.7)。Hedley分级显示：NaHCO₃-P_i/o对应中间磷库(P_imed)，NaOH-P和H₂SO₄-P对应稳定磷库(P_stdy)，模型效率(ME)达0.91-0.98。深层土壤(30-90 cm)的DGT-P与模型匹配度较低，反映表层校准参数的局限性。

时间动态特征

所有处理在前12年呈现植物有效磷下降趋势，此后趋于新平衡。TSP+compost处理最终有效磷含量最高，比CK处理高约50%。磷平衡分析显示，TSP+compost处理22年累积磷增加491 kg ha^-1，而CK处理损失530 kg ha^-1。

产量响应机制

相对产量分析表明，CK处理有9年产量低于潜在产量90%，主要发生在玉米种植季。模型成功重现了磷有效性对产量的剂量效应，证实DGT-P可作为产量限制的早期预警指标。

创新应用

研究提出将DGT-P数据同化入AgroC模型的数字孪生框架：

1. DGT-P提供时间序列验证数据

2. Hedley分级约束深层磷库参数

3. 模型反演可优化磷肥用量（如TSP减量至56%可实现零平衡）

研究启示

该工作揭示了农业土壤磷循环的韧性特征——即使停止施肥，土壤磷库仍能维持作物需求长达十余年。通过DGT与过程模型的协同，首次实现了从实验室测定到田间尺度的磷有效性动态预测，为精准农业提供了可操作的决策支持工具。未来需进一步开发双向数据流系统，实现从"数字阴影"到全功能数字孪生的跨越。