长期施氮通过调控根际土壤-根系-微生物互作提升氮素利用效率与小麦产量的机制研究

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Long-term nitrogen fertilizer improves nitrogen use efficiency and wheat yield by regulating the interactions of rhizosphere soil-root-microbes

编辑荐语：为破解氮肥效率瓶颈与环境压力，研究人员通过13年田间试验，揭示了适量施氮（180-240?kg?ha-1）如何通过优化土壤养分、改善根系形态并富集有益微生物（如Pseudomonadota），协同提升氮素利用效率（NUE）和小麦产量，为可持续氮管理提供了关键的根-土-微生物互作机制见解。

　　

在现代农业生产中，氮（N）是作物生长不可或缺的营养元素。然而，全球氮肥消费量在过去数十年间增长了近十倍，这种过度依赖不仅推高了生产成本，也带来了氮素淋失、温室气体排放等一系列环境问题。如何在保障作物高产的同时，平衡氮肥施用与环境可持续性，成为一个紧迫的全球性挑战。长期以来，农业研究更多地关注土壤理化性质或栽培管理措施本身，而对土壤这个“黑箱”中由无数微生物构成的复杂生态系统及其与作物根系间的“对话”关注不足。实际上，作物根系从土壤中吸收养分的能力，很大程度上由这些看不见的微生物“工人”所调控。那么，长期施用氮肥究竟如何改变根际这个植物与土壤直接交互的“战场”？这种改变又是如何通过影响土壤、作物根系以及微生物之间的三方互动，最终决定了小麦的产量和氮肥利用效率（NUE）的呢？这项发表在《Agriculture, Ecosystems & Environment》的研究，通过一项历时13年的小麦-玉米轮作长期定位试验，试图揭开氮肥调控下根际“土壤-根系-微生物”互作的秘密，为更精确、更高效的农田氮肥管理提供了新的科学依据。

为开展这项研究，作者团队应用了多项关键技术方法。首先，他们在河南许昌张潘镇建立了为期13年的长期氮肥定位试验田，采用主区为两个小麦品种、副区为四个氮肥水平（0、180、240、300?kg?ha^-1尿素）的二因素裂区设计。其次，对小麦抽穗期的根际土壤进行采样，系统测定了土壤理化性质（如总氮TN、铵态氮NH₄⁺-N、硝态氮NO₃^--N、土壤有机质SOM、pH等）和土壤酶活性。第三，利用根钻取样和扫描分析技术，测量了根系解剖形态参数（如根导管直径RVD、根皮层厚度RCT）和形态学指标（根长密度RLD、根重密度RWD），并通过酶试剂盒测定了根系的氮代谢酶活性（硝酸还原酶NR、谷氨酰胺合成酶GS等）。第四，利用宏基因组测序技术，分析了根际土壤中细菌和真菌群落的多样性及组成。最后，综合运用随机森林分析、冗余分析（RDA）、结构方程模型（SEM）等多种高级统计方法，揭示了各因素间的复杂网络关系。

以下是研究的主要结果：

1. 土壤理化性质：长期施氮显著改变了土壤性质。与不施氮（N0）相比，适量施氮（N1, 180?kg?ha^-1；N2， 240?kg?ha^-1）显著提高了总氮、铵态氮、硝态氮和有机质含量，并增强了土壤脲酶和过氧化氢酶活性。然而，过量施氮（N3， 300?kg?ha^-1）导致了土壤pH下降，即土壤酸化。

2. 根系性质：适量氮肥显著优化了根系形态和功能。在N2处理下，两个小麦品种的根导管直径、根长密度和根重密度均显著提升，表明根系结构更利于水分和养分运输。同时，根系的硝酸还原酶和谷氨酸合酶活性也显著增强，这有利于根系对氮素的同化和利用，是促进氮素高效吸收的关键生理过程。

3. NUE和籽粒产量：氮肥利用率（NUE）在中等施氮量（N1处理）时达到峰值，之后随施氮量增加而下降。这表明过量施氮不仅浪费，而且降低了肥料利用效率。小麦籽粒产量在施氮处理后均显著高于不施氮处理，但N1、N2和N3处理间的产量差异不显著，说明超过180?kg?ha^-1后，继续增施氮肥并未带来显著的产量增益，反而降低了氮肥效率。

4. 土壤微生物群落特征：施氮重塑了根际微生物群落。相比N0处理，适量施氮（N2）提升了细菌群落的Alpha多样性。在群落组成上，它显著富集了有益细菌门类，如Pseudomonadota（假单胞菌门，通常与氮循环和有机物分解有关），其相对丰度平均增加了20.93%，同时减少了寡营养型的Acidobacteriota（酸杆菌门）。在真菌方面，Basidiomycota（担子菌门，许多为腐生或共生菌）的相对丰度显著提高了73.28%。通过冗余分析和曼特尔检验发现，土壤氮素含量（TN， NH₄⁺-N， NO₃^--N）和根系氮代谢酶活性（NR， GOGAT等）是驱动微生物群落变化的关键环境因子。

5. 综合效应分析：随机森林分析揭示了影响产量和NUE的关键预测因子。对于氮肥效率（NUE），土壤pH和有效钾，以及根直径和根系氮代谢酶活性是主要影响因素。而对于小麦产量，根系氮代谢酶（NR， GOGAT， GDH）和土壤中氮素（NO₃^--N， 有效氮AN）的贡献最为突出。结构方程模型则清晰地描绘了“土壤-根系-微生物”互作的因果路径：氮肥施用直接调节了土壤氮素有效性；土壤氮素状况和根系形态的改善又共同促进了根系氮代谢酶活性；而根系氮代谢酶活性的提高，进一步影响了微生物群落组成和多样性，最终协同提升了氮肥利用效率和小麦产量。模型特别指出，土壤氮素对NUE有直接的正向影响，而根系形态则直接正向影响产量。

总结与讨论部分，该研究整合并提炼了其核心发现。经过13年的田间试验验证，研究证明长期施用中等水平的氮肥（180–240?kg?ha^-1）能够在根际构建一个高效的“土壤-根系-微生物”协同系统，从而在实现小麦高产（相比不施氮增产超过160%）的同时，维持较高的氮肥利用效率。其机理在于，适量氮肥投入在改善土壤氮素供应和根系构型的同时，刺激了根系氮代谢活动。这些改变通过根系分泌物等信号，吸引并富集了能够促进氮循环和有机物分解的有益微生物类群（如Pseudomonadota和Basidiomycota），而这些微生物活动反过来又强化了养分的矿化和供应，形成了一个良性的正反馈循环。相比之下，过量施氮会破坏这种平衡，导致氮肥效率显著下降，且可能引发土壤酸化等环境问题。这项研究的重要意义在于，它将关注的焦点从单一的氮肥用量或土壤性质，转向了根际微环境中生物与非生物因子的复杂网络。研究结论强调了“根-微生物反馈”在驱动氮素利用效率中的关键角色，并指出未来提高氮肥效率的策略，不应只局限于调整施氮量，更应着眼于利用这种土壤-植物-微生物间的协同增效作用。这意味着，未来的育种目标可以纳入有利于招募有益根际微生物的根系性状，而田间管理也可考虑通过调控微生物群落来优化氮素循环。这项研究为建立基于生态系统原理的可持续氮素管理策略，迈向更加高效、环境友好的绿色农业提供了坚实的理论基础。