基于粒径-密度分级法探究土壤有机质与磷循环的交互界面

《Soil and Tillage Research》：Exploring the interface of soil organic matter with phosphorus cycling: A size density fractionation approach

　　

一种粒径-密度分级（size-density fractionation，SDF）方法实现了碳（C）和磷（P）的联合分析。有机改良剂改变了C和P的组分分布。堆肥增加了颗粒态组分中C的回收率。污泥增加了矿物结合态组分中C的回收率。

粒径-密度分级法揭示土壤有机质与磷循环的界面

土壤有机质（soil organic matter，SOM）在农业土壤肥力中通过养分的固持与释放以及物理性质的改善发挥核心作用。长期施用有机肥料可抵消农业系统中SOM的下降，但其作用机制尚不完全清楚。以往SOM研究常采用粒径或密度分级方法将有机质分为不同组分，而磷（P）研究则多聚焦于土壤溶液中的磷酸盐供应，两者相对独立。然而，磷与SOM的循环可能在多个土壤组分中相互影响，尤其是矿物结合有机物（mineral-associated organic matter，MAOM）的形成过程与Fe、Ca等元素密切相关。有机改良剂如堆肥和污泥，在提供碳（C）的同时也带入大量P、Ca、Fe等元素，为研究SOM-P交互提供了理想情境。然而，已有的粒径-密度分级方法尚未被改造用于磷分析。为此，研究人员开发并验证了一种适用于磷分析的粒径-密度分级方法，以探索SOM与P循环的汇合界面。

研究人员从位于丹麦H?je Taastrup的哥本哈根大学实验农场的长时期田间试验（CRUCIAL，自2003年运行）采集表层土（0–0.2 m），选取堆肥（300 kg N ha^-1 yr^-1）、污泥（300 kg N ha^-1 yr^-1）和未施肥对照三个处理。采用改良的粒径-密度分级法，将土壤分散并筛分为>50 μm粗粒和<50 μm细粒后，再利用不同密度的钠多钨酸盐溶液进行密度分离，最终得到六个组分：CL（粗粒轻组分）、CDA和CDB（粗粒重组分中的暗色与沙质亚组分）、FL（细粒轻组分）、FDA和FDB（细粒重组分中的暗色与灰白亚组分）。对各组分进行总C、N、P、Al、Ca、Fe浓度测定，稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N）分析，并采用热裂解-气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）测定有机分子组成。样本来自三个田间重复，统计分析采用方差分析，显著性水平设定为0.1。

结果如下：

**3.1 粒径-密度组分的一般特征**：质量分布显示，FDB组分在污泥处理中占23.3%土壤质量，高于其他处理（15–16%）。C和N含量在不同处理间有差异；堆肥处理在CL和CDA中具有最高的N浓度。C:N比在CL中最高（20.8–26.7），随组分粒径减小而降低。δ¹⁵N值从CL到CDA再到细组分逐渐富集，表明随分解程度增加微生物加工增强。显微镜观察显示，粗组分含有可见植物残体，而细组分则呈矿物形态，证明该分级方法成功区分了不同分解阶段和矿物结合程度的有机质。

**3.2 粒径-密度组分中有机质的组成与来源**：Py-GC-MS分析表明，粗组分（CL、CDA）富含木质素和木质素类酚类、地衣生物标志物和脂肪族植物蜡等植物来源化合物；细组分则富集蛋白质、几丁质、微生物脂质和多糖等微生物来源化合物。此外，在堆肥处理的粗组分中检测到合成聚合物如聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的指示物，表明堆肥可能引入塑料污染。这些结果进一步支持组分间有机质来源的差异。

**3.3 粒径-密度组分中的元素回收率**：C和N的回收率在FDA组分中最高（>40%），而在FDB中，污泥处理的C、N回收率高于堆肥处理。堆肥处理显著提高了CDA中的C和N回收率，而两种改良处理均提高了CDA中的P回收率。Al和Fe主要回收于细组分和CDB，污泥处理在FDB中Al和Fe回收率最高。Ca则在CDB中回收率最高。元素浓度方面，P浓度在污泥处理中普遍最高。相关性分析显示，C回收率与N回收率几乎为1:1，与P回收率呈强正相关（R²=0.58–0.84），也与Ca和Fe有较弱但显著的相关性，表明P及金属元素与C累积密切相关。

讨论部分指出，该方法的组分可以被认为是POM样（包括CL、CDA、FL）和MAOM样（FDA、FDB）的组分，其依据是C:N比、δ¹⁵N富集程度、显微镜和Py-GC-MS结果。实验检测到长期施用不同有机改良剂对SOM含量和分布的影响：堆肥增加了POM（特别是CDA）中的C，而污泥则增加了MAOM（特别是FDB）中的C。这种差异不能用C输入量解释，因为污泥年C输入（3423 kg C ha^-1）远低于堆肥（13125 kg C ha^-1），但两者均提高了土壤C。污泥处理中较高的P和Fe输入可能通过促进有机-矿物结合而有利于MAOM形成。C与P回收率的正相关支持了P在SOM积累中作用的假说。

结论翻译如下：

改进的粒径-密度分级方法分离出了在磷分布上存在差异的SOM相关组分，支持其作为联合研究有机改良土壤中SOM与磷的探索性框架。该方法还有助于检测到长期有机施肥增加了SOM，并改变了C和P在操作定义的含POM和含MAOM组分之间的分布。本研究的一个关键发现是，在CRUCIAL田间试验异常高的施用速率下，堆肥和污泥处理可能通过不同机制促进碳积累。堆肥施肥增强了碳以POM形式的积累，与富含木质素、难分解有机物的持久性一致；而污泥则促进了碳以MAOM形式储存，与更多微生物处理的有机物输入和保留有关，可能还与磷、铁和钙有关。所有处理中各组分C和P回收率之间的正相关进一步表明，改良剂的化学组成，特别是磷和铁、钙等矿物相关元素的共同输入，可能影响改良剂碳保留的程度。总体而言，这些结果表明，有机肥不应仅被视为有机质的来源，而应被视为化学组成不同的材料，它们将SOC积累导向不同的机制。未来研究应厘清在常用施用量下，长期有机施肥中磷、铁和其他改良剂衍生元素介导SOM积累的具体机制。然而，所提出的粒径-密度组分可能代表了一个SOM、矿物成分以及有机和无机磷形态共存的汇聚区。因此，研究这些组分可能有助于阐明在有机改良土壤中磷和SOM循环如何相互作用。