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地球环境所揭示粪肥替代化肥的全球固碳-增产效应及其化学计量学阈值

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化学肥料的长期单施导致土壤活性底物C:N:P计量比严重偏离微生物稳态需求(全球均值约60:1 mol:mol),诱发微生物“碳饥饿”并加剧对原生土壤有机质的正激发矿化,这是化肥依赖型农业地力衰退的深层机制。粪肥因其C:N比(9~21)更贴合微生物化学计量需求,被视为恢复土壤内稳态的关键干预手段。然而,其协同增产与培肥的全球有效性边界及时间惯性尚未被量化界定。

中国科学院地球环境研究所黄土科学全国重点实验室基于179个站点、710组配对观测的荟萃分析,结合随机森林与分段回归,从微生物资源限制与物理化学保护的双重视角,解析了粪肥替代效应的调控节点。机制上,粪肥输入通过缓解微生物碳限制,驱动微生物群落从“矿化代谢”转向“同化固持”,促进微生物残体与矿物结合形成稳定有机质(MAOM),从而令土壤C、N、P分别净增27.8%、24.4%与29.2%,微生物量C、N、P增幅达35.2%~77.2%。

时间维度上,研究首次解耦了增产与培肥的非同步饱和路径:作物产量的提升效应在约19年后进入平台期,而土壤养分净积累持续约30年方趋饱和。这~10年的滞后源于两类截然不同的生态约束,产量受限于作物当代养分吸收通量与品种遗传潜能,遵循“报酬递减律”;而土壤养分积累受控于矿物结合位点的有限库容,该物理稳定化过程具有更长的时间惯性。此外,当土壤全磷增幅超过72.4%后,产量促进效应明显钝化,且土壤N:P下降超26%时减产风险骤增,揭示磷素过度富集引发的微生物功能拮抗(如磷酸酶活性抑制)构成了新的化学计量失衡边界。

空间上,交互效应分析严格限定了“双赢”发生的先决条件:仅当初始土壤C:N比处于11.6~12.8(适度氮限制)、年均降水量介于1119~1237 mm(湿润区)时,粪肥输入才能有效激活微生物固持路径;干旱或过高降水条件下,因矿化受阻或养分淋失,效应滑入“双输”象限。全球尺度上,若在适格区域推行粪肥替代,基于19%的增产幅度可年增谷物4.82~7.08亿吨,同时提升土壤C、N、P库容26%~32%。

该研究为粪肥替代策略提供了精确的时间阈值与生态过滤条件,证实其本质是通过恢复微生物化学计量平衡重建土壤碳固持路径,但须正视磷素饱和陷阱与时效性落差。研究建议未来须结合粪肥工业化预处理与区域精准配施,方能在满足粮食安全的同时兑现其气候与环境协同效益。

相关成果发表于国际学术期刊Soil and Tillage Research上。中国科学院地球环境研究所助理研究员/郑莉为论文第一作者,刘济副研究员为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(42207107;42577108)、欧盟地平线框架计划(101205485)、陕西省青年科技星项目(2025ZC-KJXX-130)等联合资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.still.2026.107373


图1. 实验点位(a),不同气候带下粪肥替代对土壤养分、微生物生物量养分、土壤生态化学计量比、微生物生态化学计量比的效应(b),不同土地利用类型对照组与处理组的土壤养分、微生物生物量养分、土壤生态化学计量比、微生物生态化学计量比(c)。


图2. 粪肥替代化肥改善土壤养分平衡并提升作物产量

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