《Applied Soil Ecology》：Long-term fertilization alters soil phosphorus pools and microbial P-cycling mechanisms across soil depths in acidic paddy soil
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长期施肥调控酸性水稻土不同深度磷库分配及微生物驱动机制研究。通过12年田间试验，比较化学肥料（CF）、化学+牛粪（CF+M）、化学+秸秆（CF+S）和对照（N）处理对0-15cm和15-30cm土层中可溶性无机磷（Pi）及有机磷（Po）的影响。结果表明：CF+M显著提升表层（58-67%）和亚表层（46-91%）可溶性Pi，且与phoC、cphy等基因丰度及铁铝氧化物结合量呈显著正相关。PSPM模型显示微生物基因丰度直接调控表土磷酶活性（系数0.72）和亚层Pi比例（系数0.91）。
朱键澳|徐梦|高芳|杨博文|史少军|陈少通|米文海
扬州大学环境科学与工程学院，中国扬州，225127
摘要
施肥是一种常见的做法，旨在提高土壤中磷（P）的可用性，而磷是维持植物生产力和生态系统功能的关键因素。然而，在长期施肥条件下，调节磷可用性的微生物机制仍不清楚，尤其是在磷库的组成和深度特异性方面。本研究于2011年在中国浙江省新竹村开展了一项为期12年的田间实验，评估了四种施肥方案：不施肥（对照组）、仅施用化学肥料（CF组）、化学肥料与牛粪混合施用（CF+M组）以及化学肥料与稻草还田混合施用（CF+S组）。通过Chang-Jackson和Hedley分级方法确定了这些处理对土壤两个层次（0–15厘米和15–30厘米）中磷库的影响。在两个土壤层次中，CF+M处理显著增加了易分解磷（58–67%）和中度可分解无机磷（Pi）（46–91%）的含量。相关性分析表明：易分解Pi与磷循环相关基因（ppx、cphy、phnK、phoC）、酸性磷酸酶活性以及铁/铝氧化物（Fe_d、Al_d、Fe_o、Fe_p、Al_p）密切相关。与对照组相比，CF+M处理显著增加了表土中的phoC含量，并丰富了底土中的ppk、pqqC和gcd。相反，CF+S处理主要促进了表土中的phoD含量，并使ppx的含量高于CF+M处理。表土中的中度可分解Pi受Fe_d+Al_d、Fe_o+Al_o和Fe_p+Al_p的影响，而底土中的中度可分解Pi主要受Fe_d+Al_d的影响。偏最小二乘路径模型显示，土壤磷循环基因的丰度直接影响表层土壤中的酶活性（路径系数=0.72）和底土中易分解Pi的比例（路径系数=0.91）。我们的结果表明，长期施肥通过改变微生物磷循环基因、磷酸酶活性和铁/铝氧化物的动态变化，调节了不同深度土壤中磷库的大小、组成和生物有效性，从而为稻田土壤的可持续磷管理构建了一个机制框架。
引言
磷（P）是植物生产力和生态系统功能的关键大量营养元素（Muntwyler等人，2024年）。土壤中磷的生物有效性通常受到矿物表面强烈吸附/保留的限制，这导致在热带和亚热带地区普遍存在磷缺乏现象（Augusto等人，2017年；Du等人，2020年；Almeida等人，2024年）。为了更好地理解土壤中磷的行为，研究人员通常将总磷划分为不同化学形态、迁移性和生物可利用性的磷库（Alotaibi等人，2021年）。
Chang–Jackson（1958年）和Hedley（1982年）的分级方法被广泛用于表征土壤中的磷。Chang–Jackson将无机磷（Pi）分为易吸附的形式（铝结合磷（Al–P）、铁结合磷（Fe–P）和稳定的沉淀形式（封闭磷、钙结合磷（Ca–P））。Hedley将磷分为易分解、中度可分解和不可分解的池（Tiessen和Moir，1993年；Gao等人，2024a年）。不同的磷分级方法揭示了不同生态系统中的独特生物地球化学模式。Jiang等人（2024年）使用Hedley方法观察到，森林土壤中可利用的磷仅占总磷的2%，有机磷（Po）占主导地位，表明矿化在磷供应中起着关键作用。Sun等人（2023年）在草原生态系统中应用Chang–Jackson磷分级方案，发现混合放牧显著降低了可提取的Ca2-P，表明土地管理对Pi动态有显著影响。然而，稻田中磷的限制仍然普遍存在，部分原因是长期淹水-排水制度下磷的可用性高度动态变化以及相关的氧化还原波动（Gao等人，2024b年）。尽管对磷动态进行了大量研究，但关于稻田土壤中磷分级方法及其与磷可用性的相关性的系统比较仍然有限。
施肥和有机改良剂在农田管理中被广泛使用。如粪肥和作物残渣等有机投入物影响了土壤中磷的形式和生物地球化学过程（Mao等人，2023年）。这些投入物直接促进了Po的积累，并通过改变土壤pH值和Fe/Al氧化物的含量间接调节了磷的分布和转化（Lin等人，2025年）。田间研究表明，这些效应在表土层更为明显。例如，长期使用粪肥显著增加了总磷和可利用磷，并促进了可溶性钙结合磷的形成。同样，稻草还田和绿肥施用改善了表土中的磷可用性、酶活性和微生物多样性（Hu等人，2024年；Cui等人，2022年；Dong等人，2021年）。然而，大多数现有研究主要集中在表层土壤上，对磷库动态的深度解析分析仍然有限。
土壤微生物在磷循环中起着关键作用，它们介导有机磷和无机磷的转化和迁移。例如，酸性磷酸酶和植酸酶等水解酶可以水解Po，释放出植物和微生物可以利用的正磷酸盐（Rana等人，2020年）。在基因水平上，微生物的功能互补性由特定基因决定：phoD编码促进有机磷转化的磷酸酶，而pqqC通过产生有机酸来介导无机磷的溶解（Lang等人，2022年；Wei等人，2021年；Wang等人，2025a年）。此外，ppk和ppx基因调节微生物对磷的储存和释放，缓冲土壤中磷的可用性并维持细胞稳态（Srivastava等人，2022年；Wu等人，2022年）。尽管对这些酶和基因途径有了越来越多的了解，但它们在不同环境条件下对土壤中磷可用性的相对贡献仍不甚清楚。
我们假设：（1）无机肥料与有机肥料的联合施用提高了磷的可用性；（2）磷库对施肥方案的响应具有深度依赖性；（3）不同土壤层次中微生物对磷可用性的贡献不同，表土中以Po矿化为主导，而底土中则以Pi溶解和多磷酸盐相关过程为主。为了验证这些假设，我们在一个长期酸性的稻田土壤实验中进行了磷分级、酶活性分析以及qPCR分析。具体来说，我们的目标是：（i）量化不同施肥方案如何改变磷库的分布和生物有效性；（ii）确定共同控制易分解和中度可分解Pi部分的矿物和微生物因素；（iii）阐明表土和底土中微生物调节磷可用性的深度依赖性机制。
实验地点描述
该田间实验在中国浙江省新竹村（29°01′ N, 119°27′ E）进行。该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为17.5°C，年降水量为1424毫米。实验前，稻田土壤的特性为：有机质26.3克/千克，总氮1.53克/千克，碱解氮108.5毫克/千克，有效磷17.0毫克/千克，交换性钾97.0毫克/千克，pH值为5.14。种植的稻品种为Liangyoupei 9
土壤基本性质
施肥显著改变了土壤性质（表1）。所有施肥处理都降低了土壤pH值（表土中降低0.19至0.36个单位；底土中降低0.16至0.39个单位）。与CF处理相比，CF+S处理使表土和底土的pH值分别降低了0.13和0.21个单位。CF+M和CF+S处理下的有机碳（SOC）含量显著高于未施肥的对照组，两个土壤层次的SOC含量均增加了26–43%（表1）。CF+S处理下的C:P比率更高
不同施肥方案对磷库分布和生物有效性的影响
CF+M处理下的易分解磷含量高于仅施用化学肥料的情况，且增幅最大（图1）。这种富集可能是由两个主要过程引起的。首先，化学肥料直接提供了可溶性磷酸盐（PO4^3-），从而提高了树脂-Pi的比例。其次，微生物通过酸性磷酸酶、植酸酶等作用矿化了有机肥料和稻草中的有机磷，释放出H2PO4^-和HPO4^2-结论
我们的12年施肥实验表明，长期养分管理显著改变了酸性稻田土壤中的磷库和磷的可用性。与仅施用化学肥料相比，结合有机改良剂（特别是牛粪）的使用增加了易分解磷，并改变了磷库的组成（例如，树脂-Pi比率降低，NaHCO3-Po比率升高）。从机制上看，表土中的磷可用性主要受Po矿化的影响：化学肥料与牛粪的联合施用
作者贡献声明
朱键澳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件使用，方法学研究，数据管理，概念构建。徐梦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，软件使用，方法学研究，概念构建。高芳：撰写 – 初稿，软件使用，方法学研究，调查，数据分析。杨博文：撰写 – 初稿，软件使用，方法学研究，调查。史少军：撰写 – 初稿，方法学研究，数据收集
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（32472833）、陕西省重点研发计划（2025NC-YBXM-262）和内蒙古自治区科学技术计划（2025YFDZ0097）的支持。
