《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Optimizing phosphorus input and straw return enhances soil health: Insights into microbial functional gene indicators in
Solanum lycopersicum
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长期番茄温室系统中，通过80%常规磷输入结合稻草还田，土壤有机碳提升14.6%，土壤质量指数（SQI）提高25%，作物产量增加10.6%，同时促进有益磷酸酶基因（phoD）和固氮基因（nirS）表达，但增加镰刀菌（Fol）丰度。结构方程模型显示管理措施驱动的微生物功能基因变化与土壤肥力、多功能性和产量显著相关。
唐晓燕|兰思杰|马娟|吴奎琳|Edith le Cadre|张艳艳|陈远学|张德山|徐开伟
四川农业大学资源学院，中国成都611100
摘要
在集约化蔬菜种植系统中，过量施用磷（P）导致土壤退化、养分失衡以及土传病害风险增加，这凸显了可持续管理的必要性。在一个长期的番茄（S. lycopersicum）温室种植系统中，我们评估了四种磷肥施用量（100％、80％、50％、0％），并研究了是否添加稻草对土壤肥力、微生物功能基因、土壤质量指数（SQI）、土壤多功能性、作物产量和经济收益的影响。适度减少磷肥用量（降至常规用量的80％）可使土壤有机碳含量增加14.6％，土壤质量指数提高25％，同时不影响产量。在适量磷肥施用的情况下，添加稻草还能使有效磷含量增加37.9％，增强与养分循环相关的基因（phoD、pqqC、nirS）的活性，促进有益假单胞菌（Pseudomonas）的生长，从而使土壤质量指数达到最高值（0.74），同时产量增加10.6％。然而，添加稻草也会增加病原体Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici（Fol）的丰度，表明在提升土壤健康与降低病原体风险之间存在特定处理条件下的权衡。结构方程模型显示，管理措施对微生物功能基因丰度的影响与土壤肥力、多功能性和作物生产力的提升之间存在显著关联。总体而言，本研究为优化磷肥施用量和有机改良措施提供了机制框架，有助于支持高投入园艺系统的可持续集约化发展。
引言
集约化温室蔬菜生产在满足食物需求方面发挥着重要作用，但往往伴随着过量施肥和连续单一种植，导致土壤退化、微生物失衡以及土传病害发生率上升（Li等人，2014年；Ma等人，2023年；Sun等人，2025年）。在番茄种植系统中，根腐病和产量损失与土壤健康状况下降密切相关，而磷（P）的过度使用尤为严重。施用的磷利用率低（仅有10–20％被作物吸收），且残留磷的积累不仅浪费资源，还会增加环境风险（Almario等人，2014年；Chien等人，2018年；Kopittke等人，2019年；Zhao等人，2022年）。鉴于磷酸盐矿石预计将在2050年前耗尽，优化磷肥管理已成为维持集约化农业的优先事项（Rowe等人，2016年；Chanda等人，2025年；Gong等人，2025年；Wu等人，2025年）。尽管结合减少氮和磷肥施用的精准营养策略显示出潜力（Getahun等人，2024年；Liu等人，2023a），但很少有研究系统地探讨如何在减少养分投入的同时保持番茄种植系统的产量并改善土壤健康状况。植物在缺磷条件下会表现出适应性反应，如根系长度增加、分泌有机酸以及招募具有phoD（碱性磷酸酶）和pqqC（吡咯喹啉醌合成酶）等功能基因的解磷微生物（Fan等人，2025年）。这些机制有助于 mobilize 不可利用的磷并提高植物对磷的吸收（Hu等人，2025年；Jarosch等人，2015年；Luo等人，2019年；Wen等人，2019年）。研究表明，适度减少磷肥用量可以丰富这些有益微生物群落，同时保持作物生产力（Cao等人，2022年；Liu等人，2022年；Wang等人，2025年）。同样，添加稻草是一种可持续的做法，可以增加土壤有机质、改善土壤结构并促进微生物活动和养分循环（Bai等人，2023年；Fu等人，2021年；Li等人，2023年；Liu等人，2023b）。长期研究表明，将稻草与无机肥料结合使用可将磷的利用效率提高60％以上（Guo等人，2018年；Xiao等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2025年）。稻草还可能促进有益微生物（如Pseudomonas和Streptomyces）的生长，从而抑制土传病原体（Ling等人，2024年；Zhang等人，2024b；Wang等人，2022年）。然而，目前尚不清楚减少磷肥用量和添加稻草如何影响高投入温室系统中的养分循环和病原体抑制基因。
土壤健康评估框架越来越强调需要纳入生物指标（Joos等人，2023年；Kruczyńska等人，2023年）。传统的评估方法主要基于物理和化学性质，无法反映微生物群落的动态过程作用（Rinot等人，2019年；Wade等人，2022年）。最新研究表明，包括phoD、pqqC以及氮循环基因（nirS、nosZ）在内的微生物功能基因是微生物功能潜力、土壤多功能性和生态系统恢复力的敏感和机制性指标（Creamer等人，2022年；Jia等人，2025年；Luo等人，2019年；Trivedi等人，2016年）。然而，很少有研究同时量化减少磷肥用量和添加稻草如何调节高投入番茄种植系统中的功能基因网络、土壤多功能性、病原体动态和产量。
为填补这一空白，我们在一个设施化种植的番茄系统中进行了长期田间试验，测试了四种磷肥施用量（100％、80％、50％和0％），并研究了是否添加稻草的影响。我们评估了土壤养分、功能基因丰度、潜在病原体风险（Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, Fol）和有益微生物（Pseudomonas、Pse）、土壤质量指数（SQI）、土壤多功能性、产量和经济效益。我们假设适度减少磷肥用量，特别是与添加稻草结合使用时，可以在提高土壤健康和抑制病原体的同时维持番茄的生产力。具体研究内容包括：（1）减少磷肥用量如何影响高投入番茄系统的产量、经济收益、养分状况和微生物功能指标？（2）在减少磷肥用量的情况下，添加稻草能否增强土壤多功能性并优化生产力与病原体抑制之间的平衡？
实验部分
实验一：磷肥施用量
这项长期试验始于2017年，地点位于中国上海的上海农业科学院庄航实验站（纬度30°53′N，经度121°22′E），土壤类型为典型的水稻土，基本理化性质如下：pH值6.8（水土比为2.5:1 w/v），有机碳（SOC）16.7 g·kg?1，总氮（TN）1.2 g·kg?1，有效磷（AP）9.1 mg·kg?1（Tang等人，2024年）。
试验作物为沈粉16（S. lycopersicum）品种
适度减少磷肥用量可提升土壤健康并保持作物产量
适度减少磷肥用量在高投入番茄种植系统中保持了作物生产力并改善了土壤健康状况。如图1a所示，0.8 P和0.5 P处理组的土壤质量指数显著高于1 P处理组，而0 P处理组则出现了显著下降。在0.8 P处理下，土壤多功能性也得到了提升，达到或超过了全量磷肥处理组（1 P处理组）的水平（图1b）。添加稻草进一步增强了这些有益效果适度减少磷肥用量可保持产量并改善土壤健康
与我们的假设一致，适度减少磷肥用量（0.8 P）不仅维持了番茄的产量，还显著提高了土壤质量指数（SQI）和土壤多功能性（图1；2）。这表明传统的磷肥施用量过高，而减少20％的磷肥用量可以在保持生产力的同时提高可持续性。尽管在减少磷肥用量的情况下，土壤有效磷（AP）和碱性磷酸酶（ALP）活性略有下降，但1 P处理组与0.8 P处理组之间的差异并不显著（图3
结论
本研究表明，在集约化温室系统中，适度减少磷肥用量，特别是与添加稻草结合使用时，可以在保持番茄产量的同时改善土壤健康和多功能性。0.8 P + 稻草处理方案被证明是最佳策略，其效果得益于磷肥用量与稻草添加之间的显著交互作用，从而最大化了经济效益和土壤质量指数（SQI）。从机制上讲，我们的发现表明添加稻草能够增强微生物的功能潜力
作者贡献声明
陈远学：撰写、审稿与编辑。张艳艳：撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验设计。Edith le Cadre：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、资金筹集。吴奎琳：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、正式分析、数据整理。兰思杰：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。唐晓燕：撰写、审稿与编辑利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了四川省科技计划（2025YFHZ0256）、国家自然科学基金（31972505,32472836）以及成都市科技计划（2024-YF05–01653-SN）的支持。
