增温与CO₂浓度升高共同作用下稻田磷素有效性研究取得进展

在全球气候变化持续加剧的背景下，大气CO₂浓度升高与气候变暖正协同改变农田生态系统的物质循环过程。稻田作为全球重要的粮食生产系统，其养分供给稳定性直接关乎粮食安全与农业可持续发展。磷（P）是限制水稻生长的关键营养元素之一，植物主要吸收无机磷酸盐形态的磷，其生物有效性受土壤矿物学过程与微生物转化动力学的共同调控；同时，稻田灌溉与排水引发的氧化还原条件周期性波动，会进一步改变铁矿物形态、有机质反应活性及磷的吸附-释放平衡，使得稻田供磷过程更趋复杂。然而，目前科学界对气候变化多因子协同作用下稻田供磷能力的长期演变趋势及其调控机制仍缺乏系统认识，这不仅制约了气候变化情景下农田精准养分管理与风险评估的开展，也为未来粮食安全生产带来潜在不确定性。

该研究团队此前曾在Nature Geoscience（2023, 16:162–168）发表研究成果，揭示单独升高CO₂浓度可通过增强作物吸磷量及收获移除量，导致土壤供磷能力随时间呈现“短期促进-长期受限”的演变特征。但在真实气候情景中，CO₂浓度升高往往与增温同步发生。增温可能显著改变生物过程与矿物相互作用模式，进而影响CO₂升高驱动下磷有效性的变化趋势。长期以来，关于增温究竟会加剧还是抵消CO₂浓度升高引发的磷限制效应，一直缺乏直接的试验证据，这极大地限制了面向气候变化的农田养分适应性管理策略的研发与应用。

为破解上述科学难题，研究团队进一步开展了CO₂浓度升高与增温叠加条件下的长期对比试验研究。研究发现，在CO₂浓度升高伴随增温的情景下，稻田供磷过程同时受到作物磷需求变化、土壤氧化还原环境调节以及铁-有机质界面相互作用等多重过程的协同影响。试验结果表明，该情景下土壤有机碳含量与铁活性组分显著提升，促进形成稳定性更强的铁-有机碳复合体（Fe-OC），推动磷逐步向稳定形态转化，具体表现为土壤碳磷比（C/P）升高约30%，有效磷含量最大降幅达54%。与此同时，增温叠加稻田干湿交替过程，强化了土壤氧化还原界面的波动，驱动Fe(III)/Fe(II)的循环转化，并伴随有机-矿物复合体的解离与再聚合过程，进而改变磷的吸附-释放平衡状态。研究进一步明确，铁-有机碳复合体（Fe-OC）在微域界面尺度上对磷的活化与再固定具有关键调控作用，并提出了由“微生物过程变化-矿物吸附调节-界面固化增强”协同驱动的稻田供磷非稳态调控机制，系统阐明了气候变化主要因子协同作用下稻田供磷能力发生转变的关键过程。

上述研究成果以“Reduced phosphorus bioavailability in rice paddies intensified by elevated CO₂-driven warming”为题，发表在期刊Nature Geoscience（DOI：10.1038/s41561-026-01917-2）上。论文发表期间，应期刊编辑部邀请，研究团队同步撰写了配套的Research Briefing，对研究成果进行解读。该论文第一作者为汪玉副研究员，张佳宝院士与朱春梧研究员为共同通讯作者。研究工作得到了王慎强研究员、沈仁芳研究员、朱永官院士等专家的悉心指导，同时获得国家重点研发计划（2024YFD2301200）、国家自然科学基金（42277026、42407470、32171591）、江苏省杰出青年基金（BK20230049）及土壤与可持续农业国家重点实验室重大专项（SKLSSA2507）的资助。

论文链接：1，2

增温交互 CO₂ 升高情景下的作物-土壤-微生物调控磷循环