近期，中国科学院华南植物园恢复生态学研究团队在热带森林土壤碳磷循环对养分输入的响应机制方面取得重要进展。研究显示，长期磷添加导致土壤总磷含量激增超过3倍，却未显著提升土壤有机碳储量。该研究首次实证了土壤“碳库稳定、磷库飙升”的解耦现象，对“磷限制是制约热带高度风化土壤碳固存关键因素”的传统观点提出挑战，为全球变化背景下热带森林的可持续管理提供了全新科学依据。
全球养分失衡引发的生态谜题
人类活动导致的氮、磷沉降不断加剧，正深刻改变全球生物地球化学循环格局。热带森林土壤碳库占全球陆地土壤碳储量的30%以上，其稳定性直接关系到气候调节功能。传统理论认为，热带土壤碳稳定性与磷的有效性密切相关，磷的缺乏会抑制土壤固碳过程。然而，长期氮磷输入失衡将如何重塑土壤碳磷之间的耦合关系，一直是学界悬而未决的关键问题。
长期定位观测揭示关键机制
研究团队依托中国科学院小良热带海岸生态系统研究站的长期土壤氮磷添加实验平台（始建于2009年），综合运用固体¹³C核磁共振、液体³¹P核磁共振光谱以及土壤有机碳分级等技术，系统解析了热带森林土壤中颗粒态有机质（POM）与矿物结合态有机质（MAOM）两大功能碳库中碳、磷含量及其化学形态对养分输入的响应。其中，POM主要来源于植物残体，周转速率较快；MAOM则以微生物转化产物为主，通过与矿物结合实现长期稳定固存，二者共同调控土壤碳的持久性。
核心发现：土壤碳磷对养分输入的响应“分道扬镳”
（1）碳库“保持稳定”：养分添加对土壤有机碳浓度、碳库分配格局及其化学组成均未产生显著影响。这与传统认知中“磷添加促进热带土壤碳积累”的观点相悖，表明仅提高磷有效性并不能有效激发土壤碳汇功能。研究推测，这可能与微生物激发效应促进碳矿化、热带土壤矿物结合位点趋于饱和等多种机制有关。
（2）磷库“激增逾三倍”：磷添加（包括单独施磷及氮磷配施）使土壤总磷和无机磷含量显著上升，增幅超过三倍，且这一增长主要发生在POM组分中，MAOM中的磷含量则维持稳定。同时，磷添加引起土壤碳磷比与氮磷比显著下降，有机磷比例降低，无机磷比例上升。
（3）功能碳库“角色分明”：POM作为“响应库”，其磷含量与无机磷呈正相关，与有机磷呈负相关；MAOM则作为“稳定库”，其磷的稳定性主要受矿物保护机制支配。值得注意的是，MAOM中磷浓度与土壤芳香碳含量、微生物残体贡献呈负相关，暗示过量磷输入可能干扰微生物介导的长期碳稳定过程。
图1. 不同养分添加下热带森林土壤有机碳与磷的化学组成。注：土壤¹³C NMR谱图（a）、碳化学组分（b）、³¹P NMR谱图（c）及磷化学组分（d）。Pyro，焦磷酸盐磷；O-P，正磷酸盐磷；P-diester，磷酸二酯磷；O-mono，磷酸单酯磷。CK，不施肥；N，施氮肥；P，施磷肥；NP，氮磷肥配施。
图2. 长期氮磷添加下热带森林土壤碳库与磷库演变轨迹的概念图
管理启示与全球意义
该研究首次揭示长期磷沉降背景下热带森林土壤碳磷循环的化学解耦机制，指出持续的磷输入可在矿物表面形成“遗留磷”，从而降低MAOM的形成效率，潜在地削弱土壤的长期碳汇功能。论文通讯作者刘占锋研究员强调，热带地区应因地制宜制定养分管理策略，避免盲目增施磷肥，以维护碳磷平衡与生态系统稳定。研究成果也为全球土壤碳模型提供了关键参数，有助于更精准地预测气候变化背景下热带森林的碳汇潜力。研究团队后续将结合同位素示踪、X射线吸收光谱及微生物功能基因分析等技术，进一步解析POM中无机磷的来源，评估季节动态对碳磷解耦过程的影响，为热带生态系统的可持续管理提供更系统的科学支撑。
相关研究成果以“Divergent chemical responses of soil carbon and phosphorus to nutrient addition mediated by functional carbon pools in tropical forests”为题发表在国际学术期刊Plant and Soil上。华南植物园鹤山站博士后李腾腾为论文第一作者，刘占锋研究员为通讯作者。该研究获广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-025-08102-1
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