富磷水碳化合物通过磷转化和微生物群落调节提高大豆产量：一种减少钙质盐碱土中磷酸盐肥料施用的新策略

《Soils and Foundations》：Phosphorus-enriched hydrochar enhances soybean yield through phosphorus transformation and microbial community modulation: A novel strategy for reducing phosphate fertilizer application in calcareous saline-sodic soil

本研究通过制备磷富集水煤气（P-HC）并施用于钙质盐碱土，显著提高了土壤有效磷含量（12.44%-33.42%），改善了土壤理化性质（pH降低2.77%-5.81%，有机质增加20.57%-36.60%），促进了微生物群落功能，最终使大豆单株粒数增加28.77%-36.30%，百粒重增加36.78%-45.06%，实现了磷资源的高效利用和作物增产。

　　磷肥在钙质盐碱土壤中的广泛使用，旨在提高大豆的产量。然而，磷肥的利用效率依然较低，这不仅限制了作物产量的提升，也导致了大量磷资源的浪费。针对这一问题，本研究提出了一种创新的磷肥应用策略，即磷富集水炭（P-HC）。通过合成P-HC并探究其在低磷肥投入条件下对钙质盐碱土壤中磷转化、微生物活性及大豆生长的影响，研究发现P-HC具有多种磷形态，结构上呈现出发达的孔隙、较大的比表面积、丰富的官能团以及良好的亲水性。这些特性使得P-HC在改善土壤性质和促进磷的释放方面展现出显著优势。与传统磷肥相比，P-HC的应用在降低土壤pH值和交换性钠（ESP）含量的同时，提高了有机质和阳离子交换容量（CEC）的水平，从而增强了土壤的肥力和稳定性。此外，P-HC的单次应用能够显著增加土壤中可溶性有机磷和可溶性无机磷的含量，同时减少稳定有机磷的比例，进一步提升了磷的有效性。在微生物层面，P-HC促进了能够分解和溶解有机磷的微生物群落的丰度，提高了微生物共现网络的复杂性和稳定性，从而增强了大豆对磷的吸收能力。实验结果表明，P-HC的应用不仅提升了大豆的结实率和单粒重，还为在盐碱土壤中实现高效磷利用和减少磷肥依赖提供了新的思路。

钙质盐碱土壤的特性，如高pH值、低有机质含量和有限的养分可利用性，使得磷肥的施用面临诸多挑战。在这些土壤中，钙离子与磷结合形成磷酸钙沉淀，降低了磷的有效性。这种现象限制了磷作为植物和微生物生长必需营养素的作用，进而影响作物产量。同时，土壤的理化性质不仅导致土壤结构紧实、通气性差，还影响了养分的保持和作物的水分吸收。此外，土壤微生物在盐碱环境中的活性受到抑制，从而影响了磷的转化和利用，最终导致作物产量下降。大豆作为一种高蛋白植物，富含多种有益于人体健康的营养成分，如异黄酮、卵磷脂和肽类物质。随着全球对大豆需求的不断增长，扩大种植面积和提高产量成为当务之急。因此，将盐碱土壤作为耕地资源储备具有重要意义。然而，由于多种限制因素和土壤质量不佳，磷的缺乏仍然是限制大豆在钙质盐碱土壤中生长和产量的关键障碍。尽管某些钙质盐碱土壤可能含有较高的总磷含量，但其中约60%-90%的磷被固定在阳离子结合态中，无法被植物直接吸收利用。因此，提高磷的利用效率成为改善这类土壤的重要目标。

为解决盐碱土壤中磷有效性低的问题，已有多种化学和生物方法被研究和应用。例如，硫酸铝、有机肥料和微生物接种剂等。然而，这些方法各自存在一定的局限性。化学改良剂如硫酸铝通常只能提供单一功能，且过量使用可能引发二次污染。有机肥料虽然能够提供养分，但其可能引入过量盐分，进一步加剧土壤的碱化。此外，微生物制剂在碱性土壤中的活性受到限制，难以充分发挥其作用。这些限制导致现有方法在实际应用中效果不一，甚至在某些情况下无法提高磷的有效性，反而可能降低其可用性。因此，为了实现高产作物，往往需要大量施用磷肥。然而，由于碱性土壤的特殊化学性质，磷肥中的磷主要被固定在有机磷库中，无法被植物直接利用，从而导致磷肥利用效率低下，造成资源浪费。

基于上述问题，本研究旨在开发一种新型的磷富集水炭（P-HC），以提高钙质盐碱土壤中磷的利用效率。P-HC是以废弃蘑菇培养基（SMS）为原料，利用磷酰氯在酸性条件下进行改性制备的。这种材料不仅具有丰富的孔隙结构和微球形态，还含有多种磷形态，能够有效改善土壤性质并促进磷的释放。P-HC的低pH值和高亲水性有助于提高土壤的酸性环境，从而减少磷的固定，增强其可溶性。此外，P-HC的高比表面积和丰富的官能团使其具备良好的吸附能力和离子交换能力，有助于提升土壤的肥力和稳定性。在低磷肥投入条件下，P-HC的应用显著提高了土壤中可溶性有机磷和无机磷的含量，同时减少了稳定有机磷的比例，进一步提升了磷的有效性。这种特性使得P-HC在改善土壤条件和提高作物产量方面展现出巨大的潜力。

微生物在磷的转化和利用过程中起着关键作用。P-HC的引入不仅改善了土壤的理化性质，还促进了能够分解和溶解有机磷的微生物群落的丰度。这种微生物群落的增强有助于提高土壤中磷的可利用性，从而促进作物的生长。此外，P-HC的使用还提高了微生物共现网络的复杂性和稳定性，使得土壤生态系统更加健康和平衡。通过这些机制，P-HC不仅提升了大豆对磷的吸收能力，还增强了其生长性能，包括结实率和单粒重。实验结果表明，P-HC的应用能够显著提高大豆的产量，为在盐碱土壤中实现高效磷利用提供了科学依据。同时，这种策略也为减少磷肥投入、改善土壤条件和提高作物产量提供了新的思路，有助于推动可持续农业的发展。

本研究通过系统的实验和分析，揭示了P-HC在钙质盐碱土壤中的应用效果及其作用机制。P-HC不仅能够有效改善土壤的理化性质，还能促进磷的转化和微生物活性，从而提高大豆的生长和产量。此外，P-HC的结构特性使其在吸附和释放磷方面具有显著优势，为减少磷肥依赖和提高磷肥利用效率提供了可行的解决方案。这些发现对于指导盐碱土壤的改良和提高作物产量具有重要的实践意义。未来的研究可以进一步探讨P-HC在不同土壤类型和作物中的应用效果，以及其长期对土壤生态系统的影响。通过这些研究，有望开发出更加高效和环保的磷肥应用策略，为全球粮食安全和可持续土地管理提供支持。