近期，中國科學院華南植物園恢復生態(tài)學研究團隊在熱帶森林土壤碳磷循環(huán)對養(yǎng)分輸入的響應(yīng)機制方面取得重要進展。研究顯示，長期磷添加導致土壤總磷含量激增超過3倍，卻未顯著提升土壤有機碳儲量。該研究首次實證了土壤“碳庫穩(wěn)定、磷庫飆升”的解耦現(xiàn)象，對“磷限制是制約熱帶高度風化土壤碳固存關(guān)鍵因素”的傳統(tǒng)觀點提出挑戰(zhàn)，為全球變化背景下熱帶森林的可持續(xù)管理提供了全新科學依據(jù)。

全球養(yǎng)分失衡引發(fā)的生態(tài)謎題

人類活動導致的氮、磷沉降不斷加劇，正深刻改變?nèi)蛏锏厍蚧瘜W循環(huán)格局。熱帶森林土壤碳庫占全球陸地土壤碳儲量的30%以上，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到氣候調(diào)節(jié)功能。傳統(tǒng)理論認為，熱帶土壤碳穩(wěn)定性與磷的有效性密切相關(guān)，磷的缺乏會抑制土壤固碳過程。然而，長期氮磷輸入失衡將如何重塑土壤碳磷之間的耦合關(guān)系，一直是學界懸而未決的關(guān)鍵問題。

長期定位觀測揭示關(guān)鍵機制

研究團隊依托中國科學院小良熱帶海岸生態(tài)系統(tǒng)研究站的長期土壤氮磷添加實驗平臺(始建于2009年)，綜合運用固體13C核磁共振、液體31P核磁共振光譜以及土壤有機碳分級等技術(shù)，系統(tǒng)解析了熱帶森林土壤中顆粒態(tài)有機質(zhì)(POM)與礦物結(jié)合態(tài)有機質(zhì)(MAOM)兩大功能碳庫中碳、磷含量及其化學形態(tài)對養(yǎng)分輸入的響應(yīng)。其中，POM主要來源于植物殘體，周轉(zhuǎn)速率較快;MAOM則以微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為主，通過與礦物結(jié)合實現(xiàn)長期穩(wěn)定固存，二者共同調(diào)控土壤碳的持久性。

核心發(fā)現(xiàn)：土壤碳磷對養(yǎng)分輸入的響應(yīng)“分道揚鑣”

(1)碳庫“保持穩(wěn)定”：養(yǎng)分添加對土壤有機碳濃度、碳庫分配格局及其化學組成均未產(chǎn)生顯著影響。這與傳統(tǒng)認知中“磷添加促進熱帶土壤碳積累”的觀點相悖，表明僅提高磷有效性并不能有效激發(fā)土壤碳匯功能。研究推測，這可能與微生物激發(fā)效應(yīng)促進碳礦化、熱帶土壤礦物結(jié)合位點趨于飽和等多種機制有關(guān)。

(2)磷庫“激增逾三倍”：磷添加(包括單獨施磷及氮磷配施)使土壤總磷和無機磷含量顯著上升，增幅超過三倍，且這一增長主要發(fā)生在POM組分中，MAOM中的磷含量則維持穩(wěn)定。同時，磷添加引起土壤碳磷比與氮磷比顯著下降，有機磷比例降低，無機磷比例上升。

(3)功能碳庫“角色分明”：POM作為“響應(yīng)庫”，其磷含量與無機磷呈正相關(guān)，與有機磷呈負相關(guān);MAOM則作為“穩(wěn)定庫”，其磷的穩(wěn)定性主要受礦物保護機制支配。值得注意的是，MAOM中磷濃度與土壤芳香碳含量、微生物殘體貢獻呈負相關(guān)，暗示過量磷輸入可能干擾微生物介導的長期碳穩(wěn)定過程。

圖1. 不同養(yǎng)分添加下熱帶森林土壤有機碳與磷的化學組成。注：土壤13C NMR譜圖(a)、碳化學組分(b)、31P NMR譜圖(c)及磷化學組分(d)。Pyro，焦磷酸鹽磷;O-P，正磷酸鹽磷;P-diester，磷酸二酯磷;O-mono，磷酸單酯磷。CK，不施肥;N，施氮肥;P，施磷肥;NP，氮磷肥配施。

圖2. 長期氮磷添加下熱帶森林土壤碳庫與磷庫演變軌跡的概念圖

管理啟示與全球意義

該研究首次揭示長期磷沉降背景下熱帶森林土壤碳磷循環(huán)的化學解耦機制，指出持續(xù)的磷輸入可在礦物表面形成“遺留磷”，從而降低MAOM的形成效率，潛在地削弱土壤的長期碳匯功能。論文通訊作者劉占鋒研究員強調(diào)，熱帶地區(qū)應(yīng)因地制宜制定養(yǎng)分管理策略，避免盲目增施磷肥，以維護碳磷平衡與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。研究成果也為全球土壤碳模型提供了關(guān)鍵參數(shù)，有助于更精準地預測氣候變化背景下熱帶森林的碳匯潛力。研究團隊后續(xù)將結(jié)合同位素示蹤、X射線吸收光譜及微生物功能基因分析等技術(shù)，進一步解析POM中無機磷的來源，評估季節(jié)動態(tài)對碳磷解耦過程的影響，為熱帶生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理提供更系統(tǒng)的科學支撐。

相關(guān)研究成果以“Divergent chemical responses of soil carbon and phosphorus to nutrient addition mediated by functional carbon pools in tropical forests”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊Plant and Soil上。華南植物園鶴山站博士后李騰騰為論文第一作者，劉占鋒研究員為通訊作者。該研究獲廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。