有机无机配施通过调控土壤微生物多样性缓解小白菜产量-品质权衡的协同机制

《Agricultural Water Management》：Integrated organic-inorganic fertilization enhances soil microbial diversity and mitigates the yield-quality trade-off in pakchoi ( Brassica chinensis L.)

本研究针对集约化农业生产中过量施用化肥导致的土壤微生物多样性下降及作物产量-品质权衡难题，通过开展有机无机配施(IO1)对小白菜根际微生物群落调控机制研究，构建了"土壤微生物多样性-作物生长动态-产量-品质"的多层次通路模型。结果表明IO1处理显著提升细菌Shannon多样性(5.95–24.30%)和Chao1丰富度(8.97–66.99%)，促进株高(0.736 cm/d)和叶面积指数(0.121 cm2/(cm2·d))生长速率，使产量提高至5.58 kg/m2，同时优化氮代谢途径，显著增加可溶性糖(64.37%)、蛋白质(39.21%)和维生素C(82.04%)含量，降低硝酸盐积累14.78%，为微生物驱动的精准施肥策略提供理论依据。

　　

在当今全球人口持续增长和城镇化加速的背景下，农业生产越来越依赖于有限的自然资源。集约化农业发展中，过量施用化肥虽能在短期内快速补充土壤养分并促进作物生长，但长期依赖无机肥料可能导致土壤酸化、盐渍化、重金属积累和土壤微生物群落破坏等一系列环境挑战。这些问题不仅降低土壤肥力，还威胁作物产量、品质和农业生态系统的稳定性。特别是在小白菜（Brassica chinensis L.）等叶菜类蔬菜生产中，如何在高产优质的同时实现可持续养分管理，已成为现代农业和环境保护面临的紧迫难题。

近期，绿色低碳循环农业理念受到全球广泛关注，其中有机无机肥配施(IAIOF)作为一种有效的养分管理策略，通过重构土壤微生物群落和重塑作物-土壤互作网络，在提高氮素利用效率、改善土壤健康和提升农产品品质方面展现出多重效益。然而，现有研究多集中于大宗作物如棉花和水稻的产量响应或个别土壤性质，而对于施肥策略-土壤微生物调控-作物生长过程之间的内在生物学机制，特别是对小白菜等速生叶菜类蔬菜的机制效应仍知之甚少。

为此，研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了最新研究成果，通过建立"IAIOF-土壤微生物响应-小白菜生长促进-产量品质形成"的分析框架，系统阐明了有机无机配施对根际微生物多样性、群落结构及小白菜生长动态的影响，构建了多层级通路模型以阐明综合施肥策略影响土壤微生物生态和小白菜发育的调控机制。

本研究采用盆栽试验设计，设置低无机肥(I1)、高无机肥(I2)、单施有机肥(O)、低量有机无机配施(IO1)和高量有机无机配施(IO2)五个处理。通过16S rRNA、18S rRNA和ITS基因扩增子测序分析土壤微生物群落，运用Logistic生长模型拟合小白菜株高(H)、叶面积指数(LAI)和鲜重(FW)动态变化，并测定产量及可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、维生素C(VC)和硝酸盐(NI)等品质指标。采用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)和随机森林模型解析土壤微生物多样性-作物生长-产量品质的协同关系。

3.1. 共享和独特扩增子序列变异(ASVs)

通过Venn图分析发现，IO1和O处理含有更大比例的独特ASVs，表明有机肥施用对土壤微生物群落具有显著富集效应，同时不同施肥处理间存在稳定的核心微生物群落。

3.2. 土壤微生物多样性特征

IO1处理显著提高了细菌Chao1(8.97-66.99%)、Shannon(5.95-24.30%)和Pielou(2.60-21.64%)指数，以及真菌Shannon(10.43-67.72%)、Simpson(4.05-30.76%)和Pielou(8.04-39.24%)指数。在属水平上，IO1处理显著增加了Bacillus和Sphingomonas等细菌以及Aspergillus和Penicillium等真菌的相对丰度。

3.3. 小白菜生长动态特征

Logistic模型拟合显示( R²≥ 0.937)，IO1处理在生长后期(40-60天)达到最佳生长性能，最大株高、叶面积指数和鲜重分别为44.87 cm、7.22 cm²/cm²和234.97 g/plant。株高和叶面积指数的最大生长速率出现在播种后20-30天，而鲜重积累峰值滞后至30-40天，IO1处理显著提高了株高(0.736 cm/d)、叶面积指数(0.121 cm²/(cm²·d))和鲜重(4.239 g/(plant·d))的平均生长速率。

3.4. 小白菜产量和品质

IO1处理获得最高产量5.58 kg/m²，较I1、I2、O和IO2处理分别提高24.77%、19.66%、12.17%和20.41%。品质方面，IO1处理显著提升可溶性糖(64.37%)、可溶性蛋白(39.21%)和维生素C(82.04%)含量，同时有机肥处理(O)获得最低硝酸盐含量(0.656 mg/g)。

3.5. 小白菜生长、产量、品质与土壤微生物的关系

细菌Shannon指数对株高平均生长速率(H_Va)和叶面积指数平均生长速率(LAI_Va)的解释度最高(R²分别为0.975和0.746)，细菌Chao1指数与鲜重平均生长速率(FW_Va)相关性最强(R²=0.904)。随机森林模型显示真菌Simpson指数是产量的主要预测因子(相对重要性=0.138)，而细菌Pielou指数对硝酸盐含量的减少表现出最强负相关(R²=0.805)。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)揭示土壤微生物群落对小白菜生长(路径系数=0.930)和品质(路径系数=0.472)具有正向驱动作用，生长与品质呈负相关(路径系数=-1.711)，而产量强烈促进品质(路径系数=2.191)，形成"生长优先-品质补偿"的动态平衡机制。

研究表明，有机无机配施(IO1)通过协调碳氮输入重构根际微生物生态，显著增强土壤微生物多样性并优化功能微生物群落结构。定量分析表明，细菌Shannon指数每增加1个单位，产量提高0.534 kg/m²；细菌Pielou指数每增加1个单位，硝酸盐含量降低2.218 mg/g。这种微生物驱动的养分调控机制有效缓解了传统施肥中的产量-品质权衡问题。

讨论部分进一步阐释了土壤细菌和真菌群落对施肥响应的功能分化特征，提出了"细菌-真菌接力降解"网络模型，即细菌优先利用易分解碳源，真菌后续分解木质素等难分解有机物。研究还发现形态发育与生物量积累存在时间不同步性，挑战了现有作物生长模型中的同步性假设。

该研究首次定量揭示了有机无机配施通过调控土壤微生物多样性实现小白菜产量品质协同提升的机制，建立的"土壤微生物多样性-作物生长动态-产量-品质"多层次通路模型为叶菜类蔬菜生产的精准施肥和可持续管理提供了新颖的理论基础和实践指导。未来研究可结合稳定同位素示踪技术，进一步阐明根际与非根际微生物在水肥利用方面的竞争机制，推动农业生态系统管理的精准化和智能化发展。