长期氮磷施肥通过改变土壤化学计量失衡和微生物养分限制来调控秸秆碳固存

《Soil and Tillage Research》：Long-term nitrogen and phosphorus fertilization regulates straw carbon sequestration by altering soil stoichiometric imbalance and microbial nutrient limitations

　　

• 长期氮磷施肥改变了土壤碳、氮、磷组分及化学计量比 • 秸秆碳的固存和转化对施肥量呈非单调响应 • 估算的微生物磷利用效率与秸秆来源碳周转相关 • 推断的碳和磷限制与秸秆碳周转和固存相关 • 高量施肥促进了秸秆碳的分解但降低了土壤有机碳的稳定性

引言

土壤有机碳（SOC）是农田土壤最重要的组成成分，在维持土壤肥力、粮食生产和农业生态系统可持续发展中发挥着关键作用（Ling等, 2025, Zhang等, 2023, Zhuang等, 2023）。在各种农业管理措施中，秸秆还田被广泛认为是通过向土壤直接输入有机碳来提高土壤有机碳库的有效策略（Liu等, 2023a, Zhuang等, 2023）。Lin等（2024）基于对中国17个站点长期定位试验数据的分析发现，1980至2020年间秸秆还田是土壤有机碳增加的主要贡献因素，使耕地土壤有机碳储量增加了5.8 Mg C ha?1。尽管大多数研究已证实与不还田相比秸秆还田能提高土壤有机碳含量，但秸秆还田对土壤有机碳固存的效果因土壤肥力、施肥、气候和秸秆还田量等因素而异（Wang等, 2021, Zhu等, 2023）。在华北等高度集约化的农业区域，近年来长期秸秆还田下土壤有机碳固存效率呈下降趋势，这使得探索其内在调控机制成为一个关键的研究焦点。

施肥，尤其是氮（N）和磷（P）肥料的联合施用，是保障作物高产稳产的核心管理措施（Wang等, 2024, Zhang等, 2017）。以往研究发现，施肥对土壤碳库具有显著影响（Gao等, 2023, Tao和Liu, 2025, Yang等, 2022）。Yang等（2022）的全球综合分析表明，氮肥施用在多种生态系统中显著促进了土壤有机碳（SOC）、微生物生物量碳（MBC）和溶解性有机碳（DOC）的增加，分别提高了19%、17%和25%。Liu等（2023b）进一步揭示，中等氮和钾水平配合高磷可用性的施肥模式对农业生态系统中土壤有机碳的增加具有强烈的正向影响。施肥促进土壤有机碳积累的主要机制如下：一方面，促进作物生长并增加有机物输入土壤；另一方面，直接提高土壤有效养分含量，缓解微生物养分限制，提高碳利用效率（CUE），减少原生土壤有机碳的矿化（Ge等, 2021, Jacinthe等, 2002）。然而，过量施肥，尤其是氮的高量施用配合秸秆还田，可能引发秸秆和原生土壤有机碳的加速分解，从而抑制碳的净固存（Zhao和Zhang, 2018）。Wang等（2024）也发现，中等施肥量促进了秸秆分解产生的碳和氮的固存，而高量氮施用则降低了碳固存效率。由此可推断，过量施肥可能损害秸秆掺入土壤后的碳固存效率。因此，阐明长期施肥条件下控制秸秆来源碳命运的调控机制，对于解决华北地区秸秆还田土壤碳固存效率低下的瓶颈问题至关重要。

长期施肥可持久改变土壤养分的形式、含量和化学计量比，从而驱动土壤微生物群落演替及其功能性状的重塑（Huang等, 2021），最终塑造秸秆来源碳在土壤中的周转和固存途径（Zhu等, 2026）。You等（2020）通过在不同长期施肥制度土壤中添加秸秆进行培养实验，发现施肥通过改变养分可用性来调节秸秆分解。具体而言，氮磷钾肥料的联合施用不仅促进了秸秆分解，还减轻了原生土壤有机碳的激发效应，从而增强了土壤碳固存。然而，其他研究也表明，过量氮磷施肥诱导的高养分环境可能加速微生物对秸秆碳的矿化速率，同时降低其向稳定有机碳库的转化效率（即降低CUE）（Berhane等, 2020, Tang等, 2021, Zhao和Zhang, 2018）。Pei等（2015）证实，低肥力土壤中秸秆碳的稳定化能力显著强于高肥力土壤，秸秆来源碳对土壤有机碳的贡献率在低肥力土壤中为36.3%至62.8%，而在高肥力土壤中仅为11.6%至53.2%。与此同时，长期施肥也可能导致碳固存效率发生变化，土壤碳饱和现象可进一步限制碳固存的潜力（Ma等, 2021）。

此外，施肥诱导的土壤养分有效性变化可驱动生态化学计量的动态变化（Chen等, 2025b），从而影响碳利用效率和土壤有机碳固存效率（Luo等, 2025）。生态化学计量理论表明，平衡资源供给与微生物化学计量需求对于调节微生物活性和代谢至关重要，从而促进有机碳的矿化和转化（Liu等, 2023a）。相反，资源供给与微生物养分需求之间的不匹配可能导致养分限制，从而抑制微生物活性并约束有机碳的矿化（Luo等, 2025）。秸秆作为一种碳养分比高的资源，秸秆还田可能导致微生物养分受限的环境，即碳相对过剩而微生物氮和磷相对匮乏（Wei等, 2019）。相比之下，单独施用无机肥可急剧降低土壤碳氮比和碳磷比，使其低于微生物代谢所需的最优阈值（Chen等, 2025a, Cui等, 2021）。这可能导致微生物需要矿化更多的原生土壤有机质以获得足够的碳来维持其化学计量平衡。因此，秸秆与无机肥的联合施用被广泛认为是一种理想的平衡土壤化学计量比并促进土壤有机碳固存的策略（Gao等, 2023）。然而值得注意的是，即使在这种联合策略下，养分有效性的增加也可能导致土壤有效养分与微生物生物量养分需求之间出现新的化学计量失衡（Huang等, 2021）。这种化学计量失衡状态直接调控微生物的代谢策略，碳利用效率（CUE）作为关键的整合指标（Li等, 2022）。高CUE意味着高生物量合成效率和高的土壤碳固存潜力，而低CUE则表示碳通过呼吸作用损失（Chen等, 2025b）。在秸秆还田条件下，不同施肥量改变土壤化学计量比和养分有效性，从而影响微生物养分限制类型，进而改变CUE（Li等, 2025）。最终，CUE的差异直接决定了秸秆来源碳的转化效率和稳定土壤有机碳的形成。尽管CUE与土壤有机碳储存之间的因果关系仍有争议（Tan和Luo, 2025, Tao等, 2023），但毫无疑问，CUE是连接微生物过程与碳循环结果的关键生理参数（Li等, 2022）。因此，深入理解长期施肥实践如何通过影响土壤养分有效性和生态化学计量来影响秸秆来源碳的周转和固存，对于有效利用秸秆资源及其在增强农业土壤碳固存中的作用至关重要。

虽然长期施肥对秸秆分解和碳稳定化的影响已广泛报道，但施肥诱导的养分有效性变化如何调节秸秆来源碳向土壤有机碳的转化效率这一机制仍然知之甚少。基于此，本研究在实验室中对经过42年梯度氮磷施肥的土壤进行13C标记秸秆培养，以调查秸秆分解、土壤有机碳矿化和秸秆来源碳的固存。我们假设：（1）长期氮磷联合施肥会改变土壤碳、氮、磷库，从而影响秸秆来源碳的保留和原生土壤有机碳的矿化；（2）这两个过程之间的相对平衡会随施肥水平而变化，并与土壤碳氮磷化学计量比和微生物养分限制状态的变化有关。本研究的目标是：（1）评估长期施肥对土壤碳、氮、磷库的影响，并进一步表征秸秆添加后的秸秆分解和秸秆来源碳转化；（2）考察土壤碳氮磷化学计量比和微生物养分限制与秸秆来源碳保留和原生土壤有机碳矿化之间相对平衡的关系。理解这些机制对于推进我们对长期施肥如何影响农业生态系统碳固存的认识至关重要，而农业生态系统在维持全球土壤碳储量中发挥着关键作用。

**研究站点与土壤采样**

长期施肥试验于1981年在河北省农林科学院旱作农业研究所启动，该站位于华北平原（37°54′ N, 115°42′ E）。试验站属于温带大陆性季风气候，年平均气温12.5°C，年平均降水量530 mm，其中约50%集中在7至9月。年

**长期施肥后土壤特性、化学计量比和养分效率**

经过42年不同氮磷施肥量处理后，土壤碳、氮、磷组分和胞外酶活性在各处理间表现出显著差异（图1）。土壤有机碳和颗粒有机碳含量随施肥量增加而增加，F2–F5处理显著高于F1处理，分别增加了1.26%–32.91%和19.17%–68.91%。F4和F5处理的溶解性有机碳显著高于F1–F3处理。相比之下，施肥处理中微生物生物量碳含量显著较低，

**土壤碳氮磷含量、碳氮磷化学计量比和微生物养分利用效率对长期施肥的响应**

经过42年氮磷联合施肥处理后，土壤基本性质和化学计量特征发生了显著变化（图1），为后续的秸秆分解过程创造了不同的土壤环境。长期秸秆还田下氮磷联合施用显著增加了土壤有机碳及其活性组分（颗粒有机碳、溶解性有机碳）的含量，且增加幅度基本随施肥量增大而增大（图1），这与

**结论**

长期施用氮磷肥料（42年）增加了土壤碳、氮、磷库及其组分的含量，同时降低了土壤碳氮比、微生物生物量碳氮磷比和碳利用效率，从而改变了土壤资源供给与微生物需求之间的化学计量平衡。长期施肥促进了秸秆的分解和矿化，并刺激了原生土壤有机碳的矿化。秸秆来源碳的保留及其向土壤有机碳的转化效率呈

**CRediT作者贡献声明**

郑平鹏：撰写——审阅与编辑。李景玉：撰写——审阅与编辑，调查，形式分析。傅鑫：撰写——原稿，方法学，形式分析。李旭：调查，形式分析。杨晓楠：撰写——审阅与编辑。党宏凯：数据整理。门杰：调查。王艳群：撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者声明本研究、著述和/或本文发表获得了资金支持。本研究受国家重点研发计划（2023YFD2301500）资助。

傅鑫 | 李景玉 | 李旭 | 党宏凯 | 杨晓楠 | 王艳群 | 门杰 | 郑平鹏