长期化肥单施模式容易造成土壤碳投入不足，使土壤活性底物的碳氮磷（C:N:P）比例偏离微生物需求，限制微生物对环境资源的利用效率，加速土壤有机质消耗。

如何既能提高作物产量，恢复土壤养分平衡，又能实现农业生产与生态环境保护协同发展？科研人员从传统的粪肥上寻找到了答案。

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合理替代

中国科学院地球环境研究所联合国内外科研团队，系统揭示了粪肥替代化肥促进土壤养分积累和作物增产的全球规律，发现粪肥通过恢复土壤碳氮磷化学计量平衡，可缓解微生物资源限制，实现土壤培肥与粮食增产协同提升。

科研人员基于全球179个研究站点、710组田间配对观测数据，从微生物资源限制与物理化学保护的双重视角，解析了粪肥替代效应的调控节点。

研究发现，粪肥输入通过缓解微生物碳限制，驱动微生物群落从“矿化代谢”转向“同化固持”，促进微生物残体与矿物结合形成稳定有机质，从而令土壤C、N、P分别净增27.8%、24.4%与29.2%，微生物量C、N、P增幅达35.2%至77.2%。

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双赢有“门槛”

时间维度上，研究提出了增产与培肥的非同步饱和路径。研究发现在培肥过程中，作物产量的提升效应在约19年后进入平台期，而土壤养分净积累持续约30年方趋饱和。差异源于作物吸收和土壤积累养分的方式不同。

此外，当土壤全磷增幅超过72.4%后，产量促进效应明显减弱，如果土壤氮磷比下降超26%时，则减产风险骤增。

空间维度上，研究发现了实现土壤培肥与粮食增产双赢的先决条件。只有在初始土壤的碳氮比处于适量的区间、而且年均降水量介于1119毫米至1237毫米时，粪肥输入才能有效激活微生物固持路径。如果在干旱或过高降水条件下，因矿化受阻或养分淋溶流失，则可能出现双输的情况。

研究估算出，如果在适合区域推行粪肥替代，全球可年增谷物4.82亿吨至7.08亿吨，同时提升土壤碳氮磷库容26%至32%。

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▲粪肥替代化肥改善土壤养分平衡并提升作物产量概念图

研究表明，合理利用畜禽粪肥不仅能够减少对化学肥料的依赖，还能够增强土壤碳储存能力、提高养分利用效率，为农业绿色转型和资源循环利用提供科学依据。

该研究建立了全球尺度下粪肥替代化肥促进土壤健康和粮食生产的生态机制框架，明确了粪肥应用的关键时间节点和环境适宜范围。

来源：中国科学院地球环境研究所

责任编辑：宋同舟