植物磷利用策略如何影響土壤有機(jī)質(zhì)分解

磷是植物生長(zhǎng)必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。為了滿足作物生長(zhǎng)需求，人類(lèi)大量開(kāi)采磷礦，在生產(chǎn)中大量使用磷肥，不僅造成不可再生資源的浪費(fèi)，也容易引起水體污染等環(huán)境問(wèn)題。加強(qiáng)作物自身磷高效利用成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院丁文利、叢汶峰、Hans Lambers合作發(fā)表了論文，他們建議，系統(tǒng)研究磷利用策略對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的影響，應(yīng)從植物角度出發(fā)，使用植物“磷挖掘”理論解釋土壤有機(jī)質(zhì)的分解。

植物適應(yīng)低磷的應(yīng)對(duì)策略和土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)的相互作用

土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其微小變動(dòng)就可顯著影響土壤、食物和氣候的安全。

論文通訊作者叢汶峰表示，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量是減緩氣候變暖、提升土壤質(zhì)量和糧食安全的重要措施。因此，研究植物不同磷高效利用策略和土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)的相互作用，可為協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物磷高效利用和土壤碳固持提供理論依據(jù)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

論文第一作者丁文利解釋說(shuō)，植物源有機(jī)質(zhì)，如葉片凋落物、衰老根系和根系分泌物等，既是土壤有機(jī)質(zhì)形成的前體，又能激發(fā)原有土壤有機(jī)質(zhì)分解，產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，即外源有機(jī)質(zhì)輸入在短期內(nèi)影響土壤原有機(jī)質(zhì)分解的現(xiàn)象。因此，植物源有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量影響著土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)。

高磷能夠通過(guò)影響植物的初級(jí)生產(chǎn)力，從而影響植物源碳輸入土壤的質(zhì)量和數(shù)量。比如，磷肥添加可通過(guò)增加植物生產(chǎn)力使全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)增加10%～23%。

低磷能夠促使植物形成多樣的磷高效利用策略，比如分泌更多有機(jī)酸，形成更多細(xì)根、長(zhǎng)根，和叢枝菌根共生等。這些策略改變了植物源碳在土壤的分配，進(jìn)而能夠影響土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)。

丁文利進(jìn)一步解釋道，植物適應(yīng)低磷的策略之一是根際有機(jī)酸（如草酸）的分泌。這些有機(jī)酸能夠通過(guò)較強(qiáng)的金屬（如鋁和鐵）絡(luò)合能力破壞礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)和土壤團(tuán)聚體。在釋放磷的同時(shí)，也釋放碳和氮，給微生物提供能量和營(yíng)養(yǎng)，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解。

其二，植物為了適應(yīng)低磷脅迫，會(huì)形成更多細(xì)根、長(zhǎng)根、根毛，導(dǎo)致植物將更多碳分配到地下，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)分解。

其三，植物適應(yīng)低磷會(huì)讓根與叢枝菌根共生，植物可能會(huì)通過(guò)叢枝菌根將更多碳分配到土壤中，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)分解;叢枝菌根也可能通過(guò)促進(jìn)團(tuán)聚體的形成降低土壤有機(jī)質(zhì)分解和氮礦化。

“這是我們提出的磷吸收策略可能影響土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)的途徑，但是相關(guān)研究太少，需要進(jìn)一步確認(rèn)。”丁文利說(shuō)。

應(yīng)深入挖掘土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)機(jī)制

“這些策略都能夠改變輸入土壤的植物源碳的質(zhì)量和數(shù)量，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)。但目前很少有人系統(tǒng)研究這些磷利用策略對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的影響，往往忽略這些有機(jī)物輸入變化背后的原因。這是我們這篇文章討論的內(nèi)容。”叢汶峰說(shuō)。

以往的研究往往重點(diǎn)關(guān)注根系形態(tài)、根際有機(jī)酸、叢枝菌根等和磷高效利用相關(guān)的因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)的影響，而忽略了這些因素是和磷高效利用相關(guān)的，沒(méi)有系統(tǒng)分析和理解其背后的原因。

他們建議，除了目前公認(rèn)的從微生物角度出發(fā)解釋激發(fā)效應(yīng)的“共代謝”和“氮礦化”理論，還應(yīng)從植物角度出發(fā)，使用植物“磷挖掘”理論解釋激發(fā)效應(yīng)。

微生物共代謝理論認(rèn)為，外源有機(jī)質(zhì)輸入土壤后，為微生物提供有機(jī)碳源，在短期內(nèi)激活微生物、增強(qiáng)土壤微生物數(shù)量和活性，活性微生物在降解外源有機(jī)碳的同時(shí)，也協(xié)同代謝土壤原有機(jī)碳。

微生物氮礦化理論認(rèn)為，在土壤氮匱乏條件下，外源有機(jī)物投入會(huì)刺激土壤微生物加速礦化土壤中富氮有機(jī)質(zhì)，以利用其中的氮元素滿足自身需求，因此產(chǎn)生正的激發(fā)效應(yīng)。

而植物磷挖掘理論認(rèn)為，不同的磷利用策略可能會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生不同的影響，但仍需更多的研究結(jié)果來(lái)確認(rèn)和補(bǔ)充以上推論。

叢汶峰指出，應(yīng)該開(kāi)展更多的有關(guān)植物不同磷利用策略對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)，并將相關(guān)結(jié)果加入碳循環(huán)模型構(gòu)建當(dāng)中，為協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物磷高效利用和土壤碳固持提供理論依據(jù)。