酸化驱动下长期施肥与停施后南非乌库林加中湿草地土壤磷组分分异研究

《Scientific Reports》：Acidification-driven soil phosphorus fractionation following long-term fertilization and cessation at ukulinga mesic grassland in South Africa

　　本研究针对长期氮磷配施导致土壤酸化并影响磷形态转化的关键问题，在南非乌库林加中湿草地开展了长达71年的施肥定位试验，系统探究了停施3年后土壤磷组分动态。研究发现，氮肥诱导的土壤酸化(pH降至3.36)是驱动磷向铁结合态(Fe-P)和还原剂可提取态(Reductant-P)转化的主导因素，而单施磷肥则促进钙结合态(Ca-P)形成。停施后活性磷库快速均衡，但稳定态磷库仍显著高于对照(77-122%)，揭示了酸化草地中"遗留磷"的持久性。该研究为优化酸性草地磷素管理提供了重要理论依据。

　　

在南非半干旱的草原生态系统中，长期施用化肥对土壤养分循环产生了深远影响。特别是磷素作为植物生长不可或缺的元素，其在不同形态间的转化规律直接关系到草原生产力和环境安全。然而，当施肥停止后，这些积累在土壤中的磷将何去何从？尤其是氮磷配施导致的土壤酸化会如何影响磷的归宿？这些问题至今尚未得到系统解答。

位于南非彼得马里茨堡的乌库林加研究农场，有一项始于1951年的长期草地试验，为回答这些问题提供了独特平台。这项持续71年的试验，就像一部记录土壤变化的"活历史"，让科学家能够追踪施肥和停施后土壤化学性质和磷形态的演变规律。近期，夸祖鲁-纳塔尔大学的研究团队在该试验站开展了一项深入研究，揭示了氮肥诱导的土壤酸化如何主导磷素形态转化的奥秘。

研究人员采用了系统的土壤磷分级方法，对连续施肥71年及停施3年后的土壤样品进行了精细分析。他们运用Zhang和Kovar建立的适用于酸性土壤的磷分级流程，将无机磷划分为五个重要形态：可溶性及松散结合态磷、铝结合态磷(Al-P)、铁结合态磷(Fe-P)、还原剂可提取态磷(Reductant-P)和钙结合态磷(Ca-P)。同时，通过主成分分析(PCA)等多变量统计方法，揭示了土壤化学性质与磷组分之间的内在联系。

土壤化学性质的响应规律

长期施肥显著改变了土壤化学环境。研究发现，氮磷配施导致土壤发生严重酸化，pH值从对照的4.66降至最低的3.36(N3PF处理)。这种酸化伴随着交换性钙、镁的显著耗竭，其中交换性钙在最高氮量处理中降至0.88 cmol_c/kg，远低于对照的10.13 cmol_c/kg。相反，单施磷肥处理则维持了较高的交换性钙水平。

土壤有机碳对施肥和停施的响应呈现差异化 pattern。氮磷配施处理显著提升了土壤有机碳，最高达到6.58%，这得益于植物生物量增加带来的碳输入。有趣的是，停施氮磷肥后，有机碳保持稳定，而停施磷肥则导致有机碳显著下降至4.93%，表明不同施肥历史背景下碳稳定机制的差异。

磷组分分布的转化特征

可溶性磷在各处理间无显著差异，表明这一活性磷库对施肥变化的响应较为敏感，在停施3年后已趋于均衡。然而，各形态稳定磷库则表现出明显的特异性分布 pattern。

铝结合态磷在中等氮量配施处理中最高(154.00 mg/kg)，但在高氮量处理中下降，表明在极端酸化条件下铝氧化物对磷的吸附效率降低。铁结合态磷则随氮量增加而上升，在N3PF处理达到369.40 mg/kg，显著高于对照的122.70 mg/kg。还原剂可提取态磷表现出与铁结合态磷相似的趋势，两者显著正相关(r=0.86)，表明磷在铁氧化物中的逐渐包裹和固定过程。

钙结合态磷在单施磷肥处理中异常高(80.33 mg/kg)，是对照的两倍以上，反映了在非酸化条件下钙磷化合物的优先形成。停施磷肥后，钙结合态磷显著下降，而铝结合态磷有增加趋势，表明磷从钙结合形态向铝结合形态的转化。

驱动因子的多变量解析

主成分分析清晰揭示了土壤酸化是驱动磷组分分异的主导因子。土壤pH和交换性镁对第一主成分(PC1)的贡献率达94.2%，与铁结合态磷和还原剂可提取态磷呈显著负相关。这一结果证实了酸性条件下磷向铁铝氧化物结合的转化路径。第二主成分(28.9%方差)主要代表钙有效性梯度，与钙结合态磷和可溶性磷密切相关。

综合研究结果，可以得出以下重要结论：长期氮肥施用导致的土壤酸化是调控磷形态转化的关键驱动力，而非磷输入本身。酸化促进磷向铁铝结合态转化，形成稳定的"遗留磷"库。停施施肥后，虽然活性磷库快速调整，但这些稳定磷库仍持久存在，在3年停施期内未见显著下降。这一发现对酸性草地生态系统的管理具有重要启示：有效的磷素管理必须将土壤pH调控与磷肥策略相结合，才能提高遗留磷的利用效率，同时维持土壤肥力和碳稳定性。

这项发表在《Scientific Reports》的研究，首次系统揭示了南非中湿草地长期施肥停施后磷组分分异的酸化驱动机制，为理解全球类似生态系统中磷的长期归宿提供了重要案例。研究强调，未来需要更长时间的监测来追踪磷形态转化的动态过程，并结合植物-微生物互作研究，为优化草地磷管理提供更全面的科学依据。