马庆旭研究员团队基于全球最长的农田施肥定位试验（Broadbalk，始于1843年），并结合放射性同位素示踪、宏基因组、宏代谢组和meta分析，系统解析了氮、磷肥及其配施对农田土壤碳封存的长期效应与机理。研究成果以“Soil carbon sequestration enhanced by long-term nitrogen and phosphorus fertilization”为题，于2025年9月发表于Nature Geoscience。浙江大学环境与资源学院为第一单位，汤胜博士为论文第一作者，马庆旭研究员为通讯作者。此研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目支持，得到梁永超教授、吴良欢教授和罗忠奎研究员的指导。
土壤有机碳库在缓解全球气候变化和保障农业可持续发展中发挥着核心作用。化肥施用是提高作物产量和品质的重要措施，但其对土壤有机碳长期积累和稳定性的影响仍存在争议，是耗竭地力还是培肥土壤仍不确定，尤其缺乏基于数十年至百年以上超长期试验的直接证据。
研究发现长期施肥显著增加土壤有机碳：180年的单施磷肥、单施氮肥和氮磷肥联合施用相比于不施肥分别使得土壤有机碳提高了10%、22%和28%。长期氮肥施用降低了土壤微生物碳呼吸损失，提高了土壤微生物碳利用效率和微生物残体转化效率，促进了微生物残体积累。同时，氮肥施用还促进了土壤颗粒态有机碳向矿物结合有机碳的转化，进而显著增加了矿物结合有机碳积累和土壤碳稳定性。基于14C同位素标记结果进一步发现长期氮肥施用促进了微生物对纤维素和纤维二糖的同化，进而提高微生物碳利用效率。
图1 长期氮磷肥施用对土壤有机碳的影响
长期氮肥施用主要通过增加微生物残体积累显著提升了土壤稳定碳（矿物结合有机碳），而磷肥施用由于刺激微生物呼吸碳损失削弱了植物源碳输入增加对有机碳积累的促进作用，导致易分解碳（颗粒有机碳、可溶性有机碳等）略微增加。相比之下，氮磷肥配施不仅提升了土壤有机碳含量，还促进了土壤有机碳从易分解态向稳定态的转化，从而增强了碳库的数量与稳定性。
图2 长期氮磷肥施用对土壤有机碳影响机理图
在全球尺度上，研究团队整合了 153 项全球农田氮肥施用和 96 项磷肥施用试验的数据发现，氮、磷肥施用平均分别使农田土壤有机碳含量增加 21% 和 13%。然而，这种促进效应并非持续增强，而是呈现出明显的非线性“时滞效应”：在施肥的前期，土壤有机碳积累效果较为显著，但随着施肥年限的延长，促进作用逐渐减弱，甚至趋于平缓；当氮肥持续施用 16 年、磷肥持续施用 34 年后，施肥对土壤有机碳的积累效应又逐渐增强。这些结果强调了在碳循环模型中必须考虑施肥年限的影响，并提示长期氮磷肥配施是促进农田土壤有机碳封存和保障粮食安全的有效途径。
图3 全球农田土壤有机碳对氮磷肥施用的响应
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-025-01789-y?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=nonoa_20250910&utm_content=10.1038/s41561-025-01789-y