两种碱性土壤中玉米秸秆促进的磷迁移：微生物群落变化及其农学意义

《Applied Soil Ecology》：Maize straw-driven phosphorus mobilization in two alkaline soils: Microbial community shifts and agronomic implications

土壤肥力提升与微生物功能协同机制研究。采用盆栽试验探究2%玉米秸秆还田对两种碱性污染土壤（灌溉型与工业型）中磷有效性、微生物群落动态及小麦磷吸收的影响，发现秸秆显著提升土壤磷溶解度，促进解磷菌群（变形菌门、拟杆菌门、芽孢杆菌等）增殖，并通过有机碳释放和pH调节实现磷活化，使小麦磷吸收量分别增加169.42和338.82 mg kg?1。TOPSIS评估显示2%秸秆施用率最优，为碱性土壤磷循环管理提供新策略。

　　

阿米努·达尔马（Aminu Darma）|杨建军（Yang Jianjun）|刘金（Liu Jin）|孙美莉（Sun Meili）|陈家琪（Chen Jiaqi）|埃尔克·布洛姆（Elke Bloem）|陈天文（Chen Tianwen）

中国农科院农业资源与区域规划研究所高效利用耕地国家重点实验室，北京，100081，中国

摘要

秸秆的掺入可以提高土壤肥力；然而，关于不同比例的玉米秸秆掺入如何同时影响磷的迁移以及碱性土壤中解磷细菌群落的动态，目前仍存在明显的研究空白。因此，本研究通过盆栽试验考察了1%和2%玉米秸秆（MS）施用对灌溉（XA）和工业（XI）污染碱性土壤中土壤磷的有效性、细菌群落组成以及小麦作物对磷吸收的影响。研究结果表明，在两种土壤类型中，施用2%的玉米秸秆显著提高了土壤磷的有效性（P < 0.05），XIM-2组从21.91 mg kg^-1增加到22.91 mg kg^-1，XAM-2组从25.15 mg kg^-1增加到34.73 mg kg^-1。2%的玉米秸秆施用促进了关键解磷细菌群（如变形菌门、拟杆菌门、节杆菌属和芽孢杆菌属）的增殖，表明这与秸秆分解过程中微生物的变化密切相关。这些细菌群落的变化伴随着溶解有机碳的产生和pH值的波动，从而促进了磷的溶解。因此，XIM-2组和小麦的磷吸收量分别增加了169.42 mg kg^-1和338.82 mg kg^-1，这表明2%的玉米秸秆施用可以有效促进细菌功能，改善磷的转化及其被小麦吸收的过程。这些化学和生物学上的改进带来了明显的农艺效益，与对照组相比，2%玉米秸秆施用显著提高了小麦的产量。利用相似性优先排序法（TOPSIS）对不同玉米秸秆施用比例进行排序（XIM-2 = 1.00；XAM-2 = 1.00），进一步证实了2%的玉米秸秆施用是提高这些土壤系统中磷有效性的最佳比例。这为制定可行的残余物管理措施，以优化碱性农业系统中的磷有效性和土壤肥力提供了重要依据。

引言

在主要营养素中，磷（P）对植物的最佳生长、能量转移以及农业生态系统的代谢功能调节至关重要（Pu等人，2023；Xu等人，2025）。然而，在碱性土壤中，由于磷以不溶性形式固定，很大一部分磷无法被植物和微生物吸收（Pu等人，2023）。因此，现代农业实践严重依赖合成肥料来维持作物产量（Sun等人，2021；Xiao等人，2024）。这种做法引发了人们对有限磷储备长期可持续性的担忧，并可能导致多种环境问题（Liu等人，2019；Pu等人，2023；Liu等人，2022）。此外，在碱性和钙质土壤中，总磷的50-80%以不溶性钙磷形式存在，而这些土壤占全球耕地的很大比例，从而严重限制了植物的可利用磷（Liu等人，2019；Zhao等人，2023；Liu等人，2025）。

为了解决这些问题，作物秸秆作为农业生产的副产品，已成为一种可行且可持续的策略，用于改善土壤生产力和养分循环（Bu等人，2020；Liu等人，2022；Yang等人，2024；Ahmed等人，2025）。这是因为作物秸秆含有磷、氮（N）、钾（K）、木质素、半纤维素、纤维素和蛋白质等养分元素（Zhang等人，2022）。在可利用的作物残余物中，玉米秸秆（MS）产量丰富且有机物质含量高（Dongxing等人，2018；Darma等人，2023）。将其掺入土壤可以改善土壤结构，增加溶解有机碳（DOC），并促进细菌群落的活动（Guo NaiJia等人，2017；Liu等人，2022；Darma等人，2023；Jaffar等人，2025a）。作为气候智能农业和循环养分管理的关键支柱，秸秆回归提供了一种可持续的方法，既能回收养分，又能促进对磷转化至关重要的微生物驱动的生物地球化学过程（Zhao等人，2018；Xu等人，2020）。有研究表明，返回秸秆可以通过增加土壤碳输入来补充土壤有机质，并显著影响磷的积累和其他养分（Tong等人，2014；Yang等人，2024）。秸秆的分解及其养分释放受到多种因素的影响，这些因素在酸性和碱性土壤条件之间存在显著差异。这一过程还受到环境变量、土壤内在特性和秸秆施用量的影响（Liu等人，2019；Yang等人，2024）。中国北部超过3000万公顷的土壤（Chen等人，2024；Song等人，2025）的pH值高于7.5，属于碱性土壤。这种碱性主要归因于盐分动态的季节性变化、降雨量有限以及母质的影响（Liu等人，2025）。该地区是重要的农业中心，贡献了全国约30%的玉米产量和一半的小麦产量（Chen等人，2024）。然而，这些土壤由于长期过度使用化学肥料和养分失衡，磷的有效性显著降低（Liu等人，2025）。此外，长期使用废水灌溉和冶炼活动在碱性土壤中也会产生特定限制，影响磷的循环和微生物反应，从而影响秸秆驱动的磷迁移。在碱性土壤中，无机磷酸盐（Pi）通常通过粘土矿物、碳酸盐和铝/铁氧化物的解吸或通过微生物介导的作物秸秆分解产生的有机磷酸盐（Po）得到补充（Gérard，2016；Liu等人，2019）。然而，结构稳定性和磷的有效性往往限制了这些土壤中的作物产量（Chen等人，2021）。尽管秸秆掺入被广泛采用，但大多数关于碱性小麦土壤的研究并未探讨不同施用比例对磷转化和微生物群落变化的影响。先前的研究表明，作物秸秆可以提高磷的有效性，刺激土壤微生物活动，并减少不同类型土壤中的磷损失（Wang等人，2019；Yang和Lu，2022；Yang等人，2024）。然而，目前仍缺乏明确的研究，探讨玉米秸秆返回如何影响典型碱性土壤中的磷迁移、作物对磷的吸收以及细菌群落及其功能的变化，尤其是在不同施用比例下。

微生物在土壤中的磷转化中起着关键作用，特别是解磷细菌（PSB），如节杆菌属、芽孢杆菌属、拟杆菌门和变形菌门的成员（Zhu等人，2018；Yuan等人，2023a）。这些细菌产生有机酸，促进有机物的分解，并将有机磷转化为植物可利用的形式（Zhu等人，2018；Jaffar等人，2025a）。秸秆分解过程中释放的DOC为这些细菌提供了重要的碳源，进一步支持养分转化并提高作物对磷的吸收（Qiu等人，2016；Liu等人，2022；Jaffar等人，2025b）。证据表明，秸秆的加入改变了细菌群落的组成，增强了细菌多样性，并促进了磷的溶解过程（Yuan等人，2021；Zhang等人，2025）。在酸性土壤中，像秸秆这样的有机物添加可以刺激PSB的增殖，通过加速Po向Pi的转化来提高磷的有效性（Pramanik等人，2017；Yuan等人，2023b）。这一过程主要由微生物释放的质子、阳离子螯合剂和羧酸盐驱动，这些物质也为土壤微生物提供了碳源（Wei等人，2018）。然而，尽管有来自各种土壤类型的大量证据（包括酸性土壤（Wei等人，2021；Xiao等人，2024），但对于不同施用比例的玉米秸秆对碱性土壤中细菌群落和磷动态的影响，特别是在玉米秸秆丰富的北方地区，仍知之甚少。

虽然先前的研究强调了秸秆掺入对提高土壤肥力的好处（Wei等人，2021；Cao等人，2022；Zhang等人，2025），以及对重金属（HM）固定和微生物转化的影响（Su等人，2021；Darma等人，2023），但仍存在疑问，即不同比例的玉米秸秆掺入是否能够进一步揭示磷的循环、其转化过程以及涉及的功能性细菌群落，特别是从微生物生态学的角度来看。特别是，了解玉米秸秆引入如何影响细菌群落的变化，以及这些变化如何转化为提高土壤磷的有效性和作物对磷的吸收，不仅对提高土壤肥力至关重要，而且对于优化碱性土壤中的残余物管理策略也非常关键。因此，本研究旨在评估不同水平玉米秸秆施用对土壤性质、磷的有效性、细菌群落及其功能的影响。我们假设施用不同水平的玉米秸秆主要通过释放DOC和pH值变化来促进磷的迁移，从而刺激解磷细菌的迁移和功能活动，进而提高碱性土壤中磷的有效性和小麦对磷的吸收。具体目标包括：（1）研究玉米秸秆掺入对土壤性质、磷的有效性和土壤磷组分变化的影响；（2）评估玉米秸秆掺入对小麦磷吸收的影响；（3）揭示玉米秸秆施用如何改变与磷相关的细菌群落的组成和功能活动；（4）确定最大化磷有效性和小麦磷吸收的最佳玉米秸秆施用比例。本研究的结果将为可持续的土壤肥力调节、减少肥料使用策略以及通过有效的有机资源循环提高农业生态系统韧性提供重要见解。

土壤样本和处理方法

本研究使用的两种土壤样本取自熊安新区农田的表层（0-20厘米），基本上是碱性耕作土壤（pH 8.09-8.13）。其中一种土壤（工业土壤（XI）位于38° 83′N, 115° 69′E的冶炼厂附近，另一种土壤（灌溉土壤（XA）则取自38° 81′N, 115° 72′E的唐河岸边。由于采矿活动的扩大，该地区的耕地一直使用废水进行灌溉

玉米秸秆施用后土壤特性及DOC和pH值的变化

玉米秸秆中的总磷浓度为343.31 ± 5.85 mg kg^-1（表S1）。在两种土壤中施用玉米秸秆后，pH值分别降至7.25 ± 0.08（XIM-1%）和7.05 ± 0.11（XIM-2%），7.19 ± 0.06（XAM-1%），7.02 ± 0.03（XAM-2%），而对照组XIM-CK和XAM-CK的pH值分别为8.15 ± 0.13和8.10 ± 0.04（图1a）。DOC浓度分别增加到267.04 ± 3.1 g kg^-1（XIM-1%），285.61 ± 2.97 g kg^-1（XIM-2%），280.06 g kg^-1 ± 1.23（XAM-1%），以及290.35 g kg^-1 ± 1.79（XAM-2%）

讨论

秸秆掺入土壤对于改变土壤的物理化学性质至关重要，包括pH值、DOC、有效磷和土壤有机质，因为它可以介导多种生物和化学转化过程（Vashisht等人，2021）。两种土壤在施用玉米秸秆后pH值下降，这可能反映了与秸秆分解相关的酸化过程。虽然本研究没有直接测量特定的有机酸和CO2，但DOC的显著增加表明...

局限性与未来建议

从盆栽试验计算出的田间等效施用率（大约为26-52 Mg ha^-1，在标准转化条件下）超过了单个季节通常返回的秸秆量。这些盆栽试验结果用于在受控条件下生成明确的机制响应，应在提出实际管理建议之前进行田间验证。还需要注意的是，顺序磷分级依赖于操作条件...

结论

玉米秸秆的施用，尤其是2%的施用量，显著提高了两种碱性土壤中磷的有效性，增加了活性磷组分，并提高了作物的磷吸收。这些变化伴随着关键解磷细菌（如变形菌门、拟杆菌门、节杆菌属和芽孢杆菌属）的增殖，以及土壤pH值和DOC的变化，表明玉米秸秆的施用可以使土壤条件有利于磷的迁移。然而...

作者贡献声明

阿米努·达尔马（Aminu Darma）：撰写——初稿，研究设计，概念构思。杨建军（Yang Jianjun）：监督，资金获取，概念构思。刘金（Liu Jin）：撰写——审稿与编辑，数据分析。孙美莉（Sun Meili）：撰写——审稿与编辑。陈家琪（Chen Jiaqi）：撰写——审稿与编辑。埃尔克·布洛姆（Elke Bloem）：撰写——初稿，数据分析。陈天文（Chen Tianwen）：撰写——审稿与编辑，数据分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国农业研究系统（CARS-03）、国家自然科学基金（42277327、42277024）、中国农科院顶尖青年人才计划和农业科技创新计划（2021-2025）的资助。