一次高量堆肥施用加速边际土壤有机质恢复并增强碳与养分截留

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：A single high compost application accelerates organic matter restoration in marginal soil and enhances C and nutrient retention

　　

专业术语翻译的论文摘要 一次高量堆肥施用（compost application）增强了复垦土壤（reclaimed soil）中的碳（C）与养分截留（nutrient retention）。高量堆肥降低了微生物碳限制（microbial C-limitation）指标并改变了养分循环（nutrient-cycling）指标。堆肥使水分淋溶（water leaching）减少约43%，且未检测到硝酸盐（NO3-）损失的显著增加。高量与常规堆肥施用量之间的二氧化碳（CO2）排放无显著差异。高量堆肥施用与较低的处理间重复产量变异性（inter-replicate yield variability）相关。

论文解读文章

一、研究背景与问题

土壤有机质（SOM）在维持作物产量、保障水分与养分供应、改善土壤结构、增强水分入渗与保持、促进气体交换、抑制土传病害以及作为碳汇等方面发挥着关键作用。欧洲农业耕作层（Ap层）平均总有机碳（TOC）含量约为干物质的1.8%，总氮（TN）约为0.18%，碳氮比（C:N）均值约为10:1。然而，由于集约化土壤管理和气候变化的不利影响，全球土壤TOC储量持续下降。矿区复垦土壤因表土与贫瘠黄土底土的混合，TOC含量通常低于0.5%干物质，远低于欧洲农业土壤的平均水平，属于典型的碳和养分双重限制的边际土壤。在德国，肥料条例（DüV, 2017）将农业土壤的堆肥施用量限制为三年内每平方米不超过约4000克鲜重（40 Mg ha^-1），对应的TOC增加仅约0.2%。按照此施用量和频率，将复垦土壤的SOM恢复到采矿前约1.3% TOC的水平可能需要长达一个世纪之久。全球约有57,277 km²的土地受采矿影响，边际土壤的数量预计还将增加。因此，亟需探索能否通过突破现行堆肥施用限制，加速边际土壤的SOM恢复，同时量化其伴随的气体排放、养分淋溶和土壤养分累积等环境风险。此外，仅缓解碳限制可能不足以最大化碳截留，若微生物生长和元素循环随后受到氮（N）或磷（P）等其他养分的限制，养分截留效率可能受到影响。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用蒸渗仪（lysimeter）系统，在德国于利希（Jülich）附近的因登（Inden）褐煤矿复垦土壤上开展了一项为期四年的户外试验，覆盖完整作物轮作（冬小麦—冬大麦—豌豆），在近自然条件下系统量化了堆肥和不同水平矿物磷（P）施用对土壤—植物—微生物连续体内碳、氮、磷截留与损失途径的影响。试验设置五个处理：P1（常规磷肥，n=4）、P2（双倍磷肥，n=5）、CP1（常规堆肥+常规磷肥，n=4）、CP2（常规堆肥+双倍磷肥，n=5）和CCP1（双倍堆肥+常规磷肥，n=3）。堆肥以0、4000和8000 g m^-2鲜重（fm）三个水平施入Ap层（0–25 cm），矿物磷按区域典型用量（2020年4.5 g m^-2，2021年6.0 g m^-2）或双倍用量施用。

研究得出以下主要结论：堆肥施用显著提高了作物生物量碳和籽粒产量，高量堆肥处理还表现出最低的处理间产量变异性；堆肥施用使平均年TOC增加约46%（789.5 g C m^-2），高量堆肥使TOC额外增加30%（1498.5 g C m^-2），接近0.9%干物质的TOC水平；堆肥使平均年TN增加约38%（75.5 g N m^-2），高量堆肥进一步增加25%（69.5 g N m^-2）；堆肥显著提高了植物有效磷（P_CAL）约39%和植物有效钾（K_CAL）；堆肥使平均年累积淋溶水量减少约43%（64 L m^-2），DOC淋溶减少约24%，N淋溶减少约24%，P淋溶减少约31%，且未检测到硝酸盐淋溶的显著增加；堆肥使平均年累积CO₂排放增加约17%（305.4 g C m^-2），但高量与常规堆肥处理间无显著差异，N₂O排放未因堆肥施用而显著增加。这些结果表明，高量堆肥施用可以在加速SOM恢复的同时，增强碳和养分截留，且未伴随明显的环境损失风险，支持了研究假设I和II。双倍矿物磷施用在堆肥处理中未显著改变养分截留和损失，但效应量估计提示高矿物磷可能对堆肥碳氮稳定化产生负面影响，部分支持假设III。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：（1）蒸渗仪（lysimeter）系统：从因登褐煤矿复垦土壤中切取完整土柱（0.5–1.0 m²面积、1.15 m深度），在近自然条件下量化土壤—植物—水—大气界面的元素输入输出通量；（2）温室气体通量测定：使用FTIR分析仪（DX4015，Gasmet Technologies Oy）连接虚拟动态箱，定期测定CO₂和N₂O通量，通过梯形积分计算累积排放量；（3）淋溶液分析：体积触发式收集淋溶液，分析DOC、溶解N、NH₄⁺、NO₃^-和溶解P；（4）微生物分析：采用氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳（C_mic）和氮（N_mic），利用定量PCR（qPCR）和DNA宏条形码（metabarcoding）技术分析细菌和真菌群落组成及氮磷循环关键功能基因（amoA、nirK、nirS、nosZ、gcd、phoD）的丰度；（5）线性混合效应模型和距离冗余分析（RDA）进行统计检验和多变量分析。

四、研究结果

4.1 作物性状

堆肥施用显著提高了平均年作物生物量碳和籽粒产量。常规堆肥施用（CP1）使作物生物量碳较无堆肥处理（P1）显著增加13%（52.0 g C m^-2）。高量堆肥（CCP1）虽未进一步增加平均年作物生物量碳，但表现出最低的处理间籽粒产量变异性。堆肥对籽粒与生物量比、作物生物量C:N和C:P无显著影响。双倍矿物磷施用在有无堆肥条件下均未显著影响作物响应变量。

4.2 土壤性质

堆肥施用使平均年TOC显著增加约46%（789.5 g C m^-2），高量堆肥使TOC额外增加30%（1498.5 g C m^-2），相当于TOC增加约0.43%，接近0.9%干物质水平。堆肥使平均年DOC增加约32%（0.9 g C m^-2）。堆肥使平均年TN显著增加约38%（75.5 g N m^-2），高量堆肥进一步增加25%（69.5 g N m^-2）。堆肥对NO₃^-含量无显著影响，但效应量提示可能增加达17%。堆肥使总磷（TP）增加约9%（6.4 g P m^-2），植物有效磷（P_CAL）显著增加约39%，常规堆肥使P_CAL增加37%（1.8 g P m^-2），高量堆肥进一步增加34%（2.3 g P m^-2）。堆肥使K_CAL增加约10%（4.3 g K m^-2），高量堆肥进一步增加13%（6.1 g K m^-2）。堆肥显著提高了土壤C:N比约8%（0.7个单位）和C:P比最高达35%（2.7–3.7个单位）。双倍矿物磷施用在无堆肥条件下使P_CAL显著增加约19%（0.9 g P m^-2），但在堆肥处理中无显著效应。

4.3 温室气体排放

堆肥施用使平均年累积CO₂排放增加约17%（305.4 g C m^-2），但常规和高量堆肥处理与各自对照相比均未达到统计显著水平，高量与常规堆肥之间也无显著差异。CO₂排放受气象条件强烈影响，2021年较2020年平均增加5.5倍。平均年累积N₂O排放仅对年份有显著响应，堆肥施用未显著增加N₂O排放，但效应量提示高矿物磷在堆肥土壤中可能增加N₂O排放。

4.4 淋溶液性质

堆肥施用（无论施用量高低）使平均年累积淋溶水量显著减少约43%（64 L m^-2）。堆肥使DOC淋溶减少约24%（0.03 g C m^-2），N淋溶减少约24%（0.05 g N m^-2），P淋溶减少约31%（0.02 g P m^-2），其中N和P淋溶的减少未达到统计显著水平但具有中等效应量。双倍矿物磷施用量对淋溶水量和养分淋溶均无显著影响。

4.5 微生物响应

微生物生物量碳（C_mic）对堆肥和磷处理无显著响应，但C_mic:N_mic比值随堆肥和矿物磷施用量的增加呈下降趋势，且与土壤C:N比呈显著负相关（Pearson r = ?0.67，R2 = 0.45，p < 0.01）。高量堆肥显著增加了氨氧化细菌（AOB）的丰度和亚硝酸盐还原微生物（nirS和nirK基因）的丰度，并趋于增加具有N₂O还原能力的微生物（nosZ基因）的丰度。磷循环相关微生物（gcd和phoD基因）对堆肥和磷处理无统计显著响应，但gcd基因丰度在堆肥处理中趋于升高。高量堆肥使真菌植物病原菌的相对丰度显著降低32%，并趋于增加腐生真菌的比例。丛枝菌根真菌对堆肥和磷添加无一致响应。

4.6 多变量土壤—植物—微生物响应

距离冗余分析（RDA）显示，试验年份解释了总方差的43.3%。在扣除年份效应后，RDA1解释了约束方差的77.3%（总方差的16.9%），RDA2解释了约束方差的13.1%（总方差的2.9%），二者合计解释约束方差的90.4%。CCP1处理在RDA1正象限与CP1和CP2分离，P1和P2位于RDA1和RDA2负象限，与所有堆肥处理分离。总土壤元素（TOC、TN、TP）、总元素化学计量比（C:N、C:P、N:P）和有效元素（DOC、P_CAL、K_CAL）对处理分离贡献显著，而植物参数和温室气体参数虽与这些向量相关但无额外显著贡献。

五、讨论与结论

讨论部分指出，复垦土壤在三年苜蓿种植后形成了弱发育的Ah-Cv剖面，形态上仍与采矿前未扰动的Luvisol剖面明显不同。黄土的高碳酸盐含量与底土稀释共同限制了养分有效性，碱性条件下磷溶解度降低，导致植物有效磷和钾低于农业最优范围。尽管各处理间氮供应存在差异（18.5–24.3 g N m^-2），氮利用效率在所有处理中均保持较高水平，残余NO₃^-较低。即使高量堆肥处理也未超过植物生长的最优磷范围，可能是由于植物吸收和羟基磷灰石沉淀。堆肥改善作物表现的原因可能不仅限于养分供应，还包括土壤结构改善、根系对水分和养分资源的获取增强以及微生物群落的有利变化。高量堆肥降低了真菌植物病原菌的相对丰度，可能通过减轻病害压力而提高产量稳定性。堆肥施用使TOC和TN在作物轮作期间保持稳定，CO₂排放仅增加约17%而N₂O排放无显著增加，淋溶水量减少约43%且养分淋溶未增加，表明高量堆肥可以在加速SOM恢复的同时增强碳和养分截留，环境风险可控。

研究结论部分表明，在碳和养分限制的复垦边际土壤中，一次高量堆肥施用（8000 g fm m^-2，为德国现行法规允许量的两倍）可显著加速有机质恢复，使TOC从约0.45%提升至接近0.9%干物质，同时增强碳、氮、磷在土壤—植物—微生物系统中的截留。高量堆肥使淋溶水量减少约43%，且未检测到硝酸盐淋溶和N₂O排放的显著增加，CO₂排放与常规堆肥施用量无显著差异。高量堆肥还降低了处理间产量变异性，并减少了真菌植物病原菌的相对丰度。研究结果支持适当放宽边际土壤的堆肥施用限制，以加速SOM恢复并增强土壤生态服务功能，同时为气候韧性农业生产提供支撑。