铁-有机碳耦合调控长期有机肥稻田土壤磷转化与释放的机制

本研究针对长期有机肥施用导致稻田土壤磷流失风险加剧的问题，通过25年田间定位试验结合60天厌氧培养实验，揭示了铁(Fe)与有机碳(OC)耦合调控磷(P)转化的关键机制。研究发现有机肥处理(CPM)通过促进铁结合有机磷(Fe-Po)矿化而非传统铁还原路径，显著增加活性磷(labile P)含量(177.2升至353.4 mg kg-1)，为优化磷管理和减少面源污染提供了新视角。

　　

随着全球人口增长对粮食需求的不断提升，磷肥的广泛施用已成为保障作物产量的重要手段。然而这种农业实践也带来了严峻的环境挑战——全球人为磷流动已超出行星边界，在欧洲、北美和东南亚等地区，土壤磷径流和侵蚀对水质造成了不可逆转的损害。中国每年产生约38亿吨畜禽粪便，其中磷含量高达400万吨，虽然这些有机废弃物还田利用可实现资源循环和农业可持续发展，但长期连续施用会加剧土壤总磷积累，增加环境污染风险。

在水稻种植系统中，这一问题尤为突出。水稻种植占中国播种面积的28%，而稻田磷径流是农业磷损失的主要来源。随着极端降雨事件频率和强度的增加以及全球气候变暖，这一问题预计将进一步恶化。特别值得注意的是，稻田淹水条件会通过铁(Fe) (羟基)氧化物的还原作用大规模动员固定的土壤磷，导致磷向环境释放的风险增加。

铁和有机碳在调节磷转化中扮演着关键角色。全球超过80%的土壤磷主要通过其与铁(Fe)和铝(Al)氧化物的结合以及与钙(Ca)离子的沉淀作用而被固定。铁氧化物的晶体结构对其吸附磷的能力至关重要，不良结晶铁氧化物表现出更大的比表面积和更强的磷吸附能力。然而，这种增强的吸附也可能促进有机碳(OC)在铁矿物中的封存， potentially accelerating the desorption of Fe-bound P (Fe-P) and leading to its release.

磷释放也可以由有机碳矿化驱动。虽然铁结合有机碳(Fe-OC)通常被认为是稳定的，但由于水位波动引起的氧化还原振荡会显著影响铁和有机碳之间的相互作用。最新研究表明，在限氧条件下，Fe(III)的还原和溶解可以释放Fe-OC，使溶解有机质(DOM)的厌氧矿化率提高74%。释放的Fe-OC可能作为微生物群落的碳源或作为电子穿梭体，从而促进生物地球化学循环过程，对磷动力学具有潜在影响。

在此背景下，中国科学院南京土壤研究所的研究团队在《Resources, Environment and Sustainability》上发表了最新研究成果，通过25年的田间定位试验结合60天的厌氧培养实验，深入探究了铁和有机碳在调控磷转化中的关键作用。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：依托25年田间定位试验平台（包括不施肥CK、纯化肥CF和猪粪+化肥CPM处理），使用高分辨率孔隙水平衡仪(HR-Peeper)和薄膜扩散梯度技术(DGT)进行原位监测；开展60天严格厌氧培养实验并采用连续提取法分级测定铁形态(Fe_PP、Fe_HH、Fe_DH)和铁结合有机碳；应用Hedley磷分级方法解析磷形态转化；通过16S rRNA测序、qPCR（靶向phoD基因）和酶活性测定揭示微生物群落动态；采用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)解析溶解有机质(DOM)分子组成。

3.1. 原位发现长期有机肥施用下铁与无机磷(P_i)的解耦现象

通过HR-Peeper和DGT技术观测发现，CF处理中铁和磷呈现协同变化趋势，而CPM处理中铁溶解与磷释放明显解耦。定量分析显示CPM处理使可溶性和可交换铁浓度分别降低50.7%和69.1%，而可溶性和可交换磷分别增加263%和364%，二维DGT成像显示活性磷通量增加138%。

3.2. 厌氧培养过程中异化铁还原和铁还原菌动态

厌氧培养显示CPM处理在I相(前15天)和II相(60天)使异化铁还原分别降低12.0%和33.8%。铁形态分析表明CPM处理促进晶体铁(Fe_DH)向无定形铁(Fe_HH)和有机结合铁(Fe_PP)转化。微生物群落分析发现CPM处理显著提升Clostridium、Geobacter和Anaeromyxobacter等铁还原菌的相对丰度(54.7%-1067%)。

3.3. 土壤铁结合有机碳矿化过程

HCl-Fe(II)与溶解有机碳(DOC)浓度呈显著正相关(P<0.001)，表明异化铁还原促进DOC释放。CPM处理在120天培养后累积CO₂排放量最高(较CK增加40.1%)，CH₄排放量达332 mg CH₄-C kg^-1土壤。铁结合有机碳分析显示CPM处理使Fe-OC_DH降低18.8%，表明晶体铁结合有机碳发生矿化。

3.4. 土壤磷转化与释放规律

与CK相比，CF和CPM处理都导致残留磷减少和活性磷增加。CPM处理在I相使活性磷显著增加290 mg kg^-1，而Fe-P_o和NaHCO₃-P_o分别降低93.2%(424 mg kg^-1)和近100%(24.8 mg kg^-1)。CF处理中Fe-P_i显著降低21.7%(70.5 mg kg^-1)。

3.5. 酶活性和微生物群落动态

培养前15天酚氧化酶活性保持较高水平，促进Fe-OC来源DOC的矿化。碱性磷酸酶(ALP)活性在I相较高，促进有机磷矿化。15天后这些酶活性显著下降。Mantel检验显示细菌群落与活性磷显著相关(P<0.05)，CPM处理中活性磷与Fe-P_o呈负相关。

3.6. DOM和DOP分子组成及细菌功能预测

FT-ICR-MS分析显示CPM处理鉴定出的分子数量最多(3568个)，且含有最高比例的溶解有机磷(DOP)分子。CPM处理中DOM分子量最低(343.71 Da)，表明降解程度更高。分子组成上CPM富含脂类和蛋白质，而CF富含木质素和缩合芳香化合物。FAPROTAX功能预测表明CPM处理中细菌ASVs富集于发酵、几丁质降解和芳香化合物降解等功能。

研究结论与讨论部分强调了铁-有机碳复合物在厌氧条件下调控磷释放的关键作用。本研究提出了一个概念框架，区分了磷释放的两个关键途径：在化学施肥土壤(CF)中，磷释放主要由异化铁还原驱动；而在有机肥处理土壤(CPM)中，Fe-OC复合物的微生物矿化占主导地位。

这一发现对可持续农业实践具有重要指导意义。研究表明，在淹水土壤中，活性磷水平在淹水后增加，在第15天左右达到峰值，然后逐渐下降。在第二阶段，新形成的Fe(II)物种可以增强土壤对磷的吸附能力。这些发现强调了将磷施肥与作物需求和磷释放动态同步化以最小化环境风险的重要性。

研究还指出，温室气体排放仍然是一个值得关注的问题。虽然Fe(III)还原条件可以抑制甲烷生成，但Fe(III)的还原消耗质子，提高土壤pH， potentially promoting methanogen activity。在Fe(III)还原后，甲烷排放可能增加，因为活性铁相作为终端电子受体，显著影响净甲烷通量。因此，旨在稳定Fe-OC复合物的策略可以同时减轻磷释放和温室气体排放。

这些发现的全球相关性在于它们适用于多种水成生态系统，如热带泥炭地、温带洪泛平原和湿地，这些地方的厌氧条件类似地调节养分动态。通过阐明磷释放的关键机制，本研究为减轻富营养化风险和提高磷利用效率提供了可操作的策略，特别是在易受养分径流影响的地区。

本研究凸显了Fe-OC复合物在富磷土壤厌氧条件下调控磷释放的关键作用。虽然源自单点长期田间试验，但观察到的机制可能代表了水成环境中调控磷转化的更广泛过程。将这项研究扩展到涵盖不同土壤类型和农业生态系统，将完善我们对长期有机肥施用如何影响不同环境条件下磷释放风险和养分循环的理解。这类研究对于验证本工作所识别机制的更广泛适用性和可扩展性至关重要。