《European Journal of Agronomy》：Layered nitrogen application drives changes in nitrogen nutrition status of wheat by affecting key soil microbial clusters
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分层氮肥应用通过调控土壤微生物群落结构和功能增强小麦氮素利用效率与产量。研究显示，8-24 cm分层施肥（1:2:1）较常规表层施肥（N8）使小麦增产18.7%，总氮积累提高19.0%，并优化了氮营养指标。微生物共现网络分析揭示Module 1和Module 5对氮积累和产量有显著预测作用（p<0.01），其功能随生育期变化：返青期以腐生和硝化过程为主，抽穗期转向芳香化合物降解和根共生作用。主导菌属Stanjemonium和Coniochaeta分别与返青期和抽穗期氮浓度显著相关。随机森林模型表明磷有效性（AP）通过调控微生物网络模块丰度直接影响小麦氮营养，而土壤氮有效性通过AP与微生物网络互作间接影响氮营养。结构方程模型证实这些路径共同决定了小麦氮营养状态和产量。该研究揭示了AP介导的微生物网络重构机制对分层施肥增效的关键作用，为可持续小麦生产提供理论依据。
杨周|吴鹏家|曲彦杰|庞胜彦|穆海萌|杨敏|林翔|王东
西北农林科技大学农学院，中国陕西省杨陵市712100
摘要
优化氮（N）肥管理对于提高小麦产量和氮利用效率至关重要，然而分层施氮如何通过土壤微生物过程在生长阶段调节作物氮营养的机制仍不清楚。在此，我们进行了为期四年的田间试验，以研究分层施氮如何调节土壤微生物群落和养分动态，从而更好地满足小麦的氮需求并提高生产力。处理方式包括在8厘米土层深度进行常规氮肥施用（N8）、在8、16和24厘米深度以1:2:1的比例分层施氮（N1–2–1），以及不施氮的对照组（NCK）。与常规氮肥施用相比，分层施氮使籽粒产量增加了18.7%，总氮积累增加了19.0%，同时保持了整个小麦生长期间的最佳氮营养指数。这些产量增益与土壤有效磷（AP）的显著增加有关，这增强了细菌多样性（Shannon指数）和丰富度（Chao1指数）。共现网络分析确定了两个关键微生物模块（模块1和模块5），它们能够强烈预测小麦的氮积累和产量（p < 0.01）。这些模块的功能作用在返青阶段从腐生和硝化过程转变为开花阶段的芳香化合物降解和根系共生。这些模块中的优势类群，特别是Stanjemonium和Coniochaeta，分别在返青和开花阶段对小麦氮浓度贡献最大。随机森林分析进一步表明，AP对微生物模块的丰度有直接的调节作用，而土壤氮的有效性则通过与AP和微生物网络结构的相互作用间接影响小麦的氮营养。结构方程建模证实，这些途径最终决定了小麦的氮营养状况和产量。总体而言，分层施氮通过AP介导的机制重塑了土壤微生物网络组织，从而增强了小麦的氮吸收和生产力，突显了微生物生态群落在同步作物氮需求与养分供应方面的作用。
引言
随着全球人口的持续增长，政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测到2050年全球食物需求将比当前水平增加约70%（IPCC等，2013年）。为了满足这一需求，人们通常依赖次优的农业实践，这些实践通常表现为过量的氮（N）施用率。尽管这些方法可以暂时提高作物生产力，但它们往往伴随着较低的氮利用效率，例如小麦等作物吸收的氮不到施用量的50%（Fischer等，2014年；Fischer和Connor，2018年）。这种低效率不仅增加了生产成本，还加剧了土壤酸化和温室气体排放等环境问题（Yuan和Chen，2015年；Liu等，2025年）。随着全球对可持续农业的关注日益增加，开发既能维持作物生产力又能最小化环境影响的优化施肥策略已成为一个重大挑战（Egan等，2019年；Zhu等，2022年；Wang等，2023a）。
有效的氮吸收受到土壤物理化学性质、植物生理特性和微生物过程之间复杂相互作用的影响（Richardson等，2009年）。从作物营养的角度来看，氮的获取模式表现出明显的空间和时间异质性，这反映了生长阶段根系分布的变化（Su等，2015年；Zhang和Rengel，2002年）。在早期生长阶段，由于根系较浅，养分吸收主要局限于表层土壤（0-5厘米）。而在后期生长阶段，作物越来越依赖深层土壤（5-25厘米）的养分供应（Qin等，2005年；Su等，2015年）。与单层施氮相比，分层施肥通过将氮和磷重新分配到不同土层深度，改善了养分供应与作物需求之间的空间匹配（Ma等，2021年；Wu等，2023年；Liu等，2023年；He等，2024年）。例如，以1:2:1的比例在0-8厘米、8-16厘米和16-24厘米土层施用磷已被证明可以刺激根系生长，提高磷的吸收，并显著增加冬小麦的磷利用效率和籽粒产量（Liu等，2023年）。总体而言，分层施肥通过建立更平衡的垂直养分剖面，比传统的表面撒施方法更有效地提高了养分吸收效率并减少了氮损失（Zamanian等，2024年；Liu等，2025年）。
土壤微生物，特别是细菌和真菌，在介导直接影响植物氮状态的养分转化过程中起着关键作用。优势微生物门类，包括放线菌门、变形菌门和子囊菌门，通过共生作用、有机物分解和氮转化过程促进氮的有效性（Challacombe等，2019年）。施肥实践强烈影响微生物群落的组成和多样性，从而影响养分循环和作物氮吸收（Francioli等，2016年；Linton等，2020年；Che等，2022年）。例如，氮的添加可以改变微生物多样性和群落结构，细菌和真菌群落的反应因土壤类型和施肥方法而异（Tian等，2015年；Sun等，2019年；Yuan等，2020年）。越来越多的证据表明，土壤微生物作为一个相互连接的生态网络运作，而不是独立的类群。在这些网络中，特定的微生物模块或群落可以对养分循环过程施加不成比例的控制（Fan等，2020年；Ma等，2024年）。这种基于网络的视角为理解施肥策略如何调节养分可用性和作物氮吸收提供了比仅基于群落组成的分析更机械的框架（Chakraborty和Tribedi，2019年；Li等，2019年）。
尽管对土壤氮循环的理解有所进展，但关于分层施氮如何影响微生物群落动态及其在小麦氮吸收中的功能作用仍存在关键知识空白。传统的单层氮肥施用通常会降低微生物多样性，导致养分分布不均，并最终限制了可持续的作物生产（Tian等，2015年）。虽然增加施肥深度可以增加底土层中氮循环相关基因的丰度（Liu等，2024年），但分层施肥进一步将氮重新分配到多个土层深度，创造出更符合作物生长阶段氮需求的养分异质性（Liu等，2025年）。这种养分分层不仅影响氮的有效性，还影响土壤养分之间的相互作用。特别是磷的有效性，它调节微生物的生长、代谢活动和微生物的C:N:P比例，从而影响微生物的氮需求和与植物的竞争（Li等，2025年；Sun等，2026年）。因此，土壤有效磷（AP）的变化可能介导分层施肥对微生物网络重组和植物氮吸收的影响。然而，AP是否在分层施肥下作为连接微生物网络模块与作物氮营养的中心枢纽的作用仍不清楚。
因此，本研究探讨了分层施氮如何影响冬小麦关键生长阶段的土壤微生物群落组成、多样性和功能。我们进一步研究了关键微生物模块如何调节小麦的氮状态和籽粒产量。我们假设分层施肥（N1–2–1）比单层施肥（N8）更能增强微生物多样性，并促进功能有益的类群，从而提高小麦的氮吸收效率（NUpE）和籽粒产量。具体目标包括：（1）表征分层施肥和单层施肥在返青和开花阶段的微生物群落结构和多样性变化；（2）识别与小麦氮积累相关的关键微生物模块及其分类组成；（3）阐明土壤物理化学性质，特别是AP，在调节微生物对小麦氮状态中的作用。通过整合高通量测序、共现网络分析和随机森林建模，本研究提供了分层施肥如何促进微生物调节养分循环的机制见解，并为改进可持续小麦生产的施肥实践提供了理论基础。
实验地点描述
实验地点描述
2021年至2025年冬季小麦生长季节期间，在陕西省杨陵市的西北农林科技大学实验农场（34°18′N，108°06′E）进行了为期四年的田间试验（图1B）。该地点位于黄土高原，具有半干旱气候，年平均温度为12.9℃，年降水量在350至550毫米之间。2021-2025年生长季节的月度气象数据和降水数据如下
土壤微生物多样性和群落组成
开花阶段的土壤微生物多样性显著高于返青阶段（图2A-D）。与NCK处理相比，氮肥施用显著降低了微生物多样性。在返青阶段，N8和NCK处理下的细菌Shannon多样性显著高于N1–2–1处理，Chao1丰富度也表现出类似的趋势。这一结果表明，N1–2–1处理选择了多样性较低但
分层施氮改变土壤微生物群落结构和功能
施肥可以通过增加养分有效性直接促进微生物生长（Zhou等，2023年）。然而，氮肥也可能导致土壤酸化，从而限制微生物的生长和活动（Zamanian等，2024年）。因此，氮肥对土壤微生物生物多样性和丰富度的影响高度依赖于具体环境。例如，长期施氮显著降低了半干旱草原的土壤真菌丰富度（Chao1）
结论
本研究证明，分层施氮（N1–2–1）通过调节土壤微生物群落显著优化了小麦的氮营养并提高了产量。通过将氮重新分配到不同土层深度，分层施肥改变了依赖于生长阶段的微生物网络结构和养分有效性，特别是在开花阶段增强了土壤磷的有效性与植物氮吸收之间的耦合。
作者贡献声明
林翔：监督、方法学、研究、资金获取。王东：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源管理、项目管理、研究、资金获取。杨敏：正式分析。庞胜彦：正式分析。穆海萌：正式分析。吴鹏家：正式分析、数据管理。曲彦杰：数据管理。杨周：撰写 – 初稿、可视化、软件使用、正式分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了陕西省干旱地区农业实验室开放项目（2024ZY-JCYJ-02-30）、国家重点研发计划（2024YFD2300205）和陕西省重点研发技术项目（2023-ZDLNY-01）的支持。
