施用氮肥对高养分农田土壤有机磷累积的促进作用机制研究

High accumulation of nitrogen (N) and phosphorus (P) in soil and inappropriate water management has caused high risk of non-point pollution in intensive cropping system. Previous studies showed that N fertilizer addition could increase P accumulation, in return affect the P availability and strengthen the environmental risk. In this study, based on long-term field and incubation experiments, P forms in soil are analyzed using 31P NMR methods to quantify the effect of long-term N fertilizer application on organic P forms; the characteristic of binding sites and sorption-desorption of organic P, pH, contents of organic matter, Ca, Mg, Fe, Al and CaCO3 in soil are investigated to determine the abiotic stabilization processes of organic P affected by N fertilizer application; soil C/P ratio, microbial biomass C and P, soil phosphatase activity and microbial community structure (high-throughput sequencing (HTS) technology) are investigated to determine the biotic processes of organic P affected by N fertilizer application. This study will provide theoretical reference for understanding the process of organic P accumulation (abiotic or biotic processes) and the key strategies affected by N fertilizer application in high nutrient arable soil.

集约化种植体系中，氮磷高量累积和大水漫灌造成了很高的农田面源污染风险，施用氮肥促进高养分农田土壤有机磷累积，进而影响磷素有效性和环境风险。本研究基于长期氮肥施用定位试验和室内培养实验，采用31P核磁共振（NMR）方法分析土壤磷素形态，解析长期氮肥施用对土壤有机磷形态变化的影响；采用选择性提取（结合位点分析）和吸附-解吸实验，结合土壤pH、有机质、钙镁铁铝和CaCO3含量等指标，解析氮肥施用对土壤有机磷非生物固定过程的影响；采用高通量测序方法分析土壤微生物群落结构，结合土壤C/P、微生物碳磷、土壤磷酸酶活性等指标，解析氮肥施用对土壤有机磷生物转化过程的影响。进而揭示氮肥施用促进高养分农田土壤有机磷累积的主导途径（非生物、生物过程）及其主要作用机制。

集约化种植体系中，氮磷高量累积和大水漫灌造成了很高的农田面源污染风险，施用氮肥促进高养分农田土壤有机磷累积，进而影响磷素有效性和环境风险。本研究基于长期定位试验和室内培养试验，采用31P核磁共振（NMR）和高通量测序等方法，解析了氮肥施用对土壤有机磷非生物和生物转化的影响，同时结合土壤性质分析，揭示了氮肥施用促进高养分土壤有机磷累积的途径及其主要作用机制。主要结果如下：（1）长期氮肥施用显著增加了微生物量碳含量和微生物周转相关磷（双酯磷）的比例，同时显著降低了碱性磷酸酶的活性，增加了磷素的生物固定和降低了有机磷生物化学矿化；此外，氮肥施用增加了富营养细菌Proteobacteria相对丰度（门水平）和有机碳含量，降低了有机磷的生物矿化，进而促进了有机磷累积。同时高氮施用显著增加了M3浸提液提取铁和铝的总量，促进了铁铝（氢）氧化物的对有机磷的固定（NaOH-Po在总磷中的比例显著提高）。（2）综合冗余分析和培养试验结果表明，铵态氮肥施用导致土壤酸化，进而影响磷素转化的生物和非生物过程，是导致高养分农田土壤磷素累积和转化的主要作用机制。（3）在大水漫灌导致的阶段性厌氧环境下，铵态氮肥主要影响高养分农田土壤磷素转化的化学过程，即三价铁还原导致的Fe-P 磷素释放和酸化导致的Ca-P释放，促进了无机磷淋洗，而对有机磷淋洗没有显著影响。该研究结果为磷养分资源高效利用、农田面源污染防控和高磷残留土壤修复方面的研究提供了理论参考。