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本研究通过2023-2024年棉花-油菜轮作系统下的Split-Plot试验，评估了历史施用化肥（F）、秸秆（SF）和生物炭（BF）的遗留效应，发现BF在提高棉花产量及养分利用效率方面优于SF，但后续秸秆还田对BF的氮磷回收增量效益低于SF，且AMF功能特征在土壤养分与作物生长间起关键桥梁作用。
强莉|王丽安|张颖|刘璐瑶|王欣|胡伟|杨海水|孟亚丽|周志国
南京农业大学农业学院，中国江苏省南京市卫岗路1号，210095
摘要
生物炭和秸秆改良对土壤肥力和作物产量的有益影响已有充分文献记载。然而，这些措施对后续秸秆还田条件下作物产量、养分利用以及丛枝菌根真菌（AMF）共生关系的长期影响仍了解不足。为填补这一知识空白，我们开展了一项分割区田间试验，评估其在2023–2024年棉花-油菜双季种植系统中的长期影响，包括籽棉产量、养分利用效率、AMF功能特性（根系定殖率、定殖强度、孢子密度和菌丝密度）以及AMF群落结构。主要处理方式为：仅施用化学肥料（F）、施用化学肥料并添加秸秆（SF）以及施用化学肥料并添加生物炭（BF）。子处理为后续是否去除秸秆或进行秸秆还田。总体而言，与F处理相比，SF和BF处理不仅提高了土壤氮（N）和磷（P）的有效性、酶活性和养分利用效率以及籽棉产量，还对AMF功能特性和多样性产生了积极影响。其中，BF处理的效果优于SF处理。此外，在之前的施肥处理基础上，后续秸秆还田能够进一步提高养分利用效率和籽棉产量。值得注意的是，与去除秸秆相比，BF处理在籽棉产量和氮磷农艺效率方面的增量效益低于SF处理；而在氮磷回收效率方面，BF处理的增量效益高于SF处理。此外，AMF功能特性在土壤氮磷相关酶、养分迁移和籽棉形成过程中起到了关键作用。总体而言，本研究揭示了历史施肥管理（尤其是BF处理）对后续秸秆还田对AMF共生关系、养分利用和作物产量的协同效益的深远影响。
引言
中国现代农业持续追求提高作物产量和确保环境可持续性的双重目标。优化养分管理是实现这些目标的关键措施（Jing等人，2022；Zhang等人，2024a）。目前，秸秆和生物炭与化学肥料的结合使用可以显著改善土壤的物理、化学和生物性质，从而提高土壤肥力和作物产量，为农业的可持续发展做出贡献（Chen等人，2022）。然而，这两种改良措施的效果存在显著差异。这些差异通常基于季节性作物和土壤的即时反应观察到（Datta等人，2022；Jin等人，2024；Yang和Lu，2022），而关于它们的长期影响对后续农业管理实践的益处的了解却很少。
“长期影响”指的是以往农业管理措施对土壤性质和作物生长产生的持久且持续的影响（Jing等人，2022；Pullens等人，2021）。生物炭以其增强养分保持能力、持水能力和为有益土壤微生物提供栖息地的能力而闻名（Palansooriya等人，2019）。此外，生物炭具有极高的稳定性，可在土壤中存在数千年（Kuzyakov等人，2014），因此能够产生长期效应。因此，生物炭更有可能产生持久且稳定的物理和化学长期影响。相比之下，秸秆改良往往比生物炭更快地改变土壤微生物群落和养分循环动态（Zhang等人，2024b）。连续施用秸秆会对土壤有机质库和微生物群落的形成产生累积效应（Wu等人，2023）。因此，可以合理假设长期在农田中施用秸秆和生物炭会产生具有不同性质和强度的长期影响。如果忽视生物炭和秸秆改良的长期影响，将阻碍对农业管理过程中潜在生态影响的全面理解。
土壤微生物是驱动养分循环的核心引擎（Cao等人，2024）。长期且合理的有机物质与化学肥料的结合使用可以对有益土壤微生物产生积极影响，从而促进作物生长（Jing等人，2022）。因此，应更多关注土壤有益微生物对这些长期影响的响应。丛枝菌根真菌（AMF）被誉为支持植物生长和生物地球化学循环的生态工程师（Rillig等人，2016）。AMF可以通过调节其群落组成、组装模式和功能特性直接增强土壤的多功能性（Xie等人，2025；Zhang等人，2024a）。AMF还可以通过招募有益微生物类群和刺激养分相关酶活性间接调节关键土壤过程（Yonas和Zawar，2024；Zhang等人，2022）。因此，采取有利于AMF的管理措施可以显著促进农业的可持续发展（Rillig等人，2016；Yonas和Zawar，2024；Zhang等人，2024a）。然而，AMF群落对土壤外源碳输入、养分有效性和pH值等变化非常敏感。这些因素可能因历史上的生物炭或秸秆改良而发生显著变化（Rosenthal和Gunn，2025；Zhai等人，2024）。更重要的是，生物炭和秸秆改良对AMF群落的长期影响机制可能不同。生物炭主要通过其多孔结构为AMF提供持久的物理栖息地，有利于菌丝网络的扩展和功能发挥（Rosenthal和Gunn，2025）。相比之下，秸秆快速分解产生的养分变化可以改变土壤微环境，这可能比生物炭更有利于通过调节土壤微生物来调节AMF群落（Cong等人，2020）。这些差异可能对后续管理实践中AMF的功能响应产生长期影响。因此，深入探讨生物炭和秸秆改良对AMF群落的长期影响对于理解后续管理实践的差异至关重要。
棉花-油菜双季种植系统在中国长江流域具有重要的经济和生态效益（Dai等人，2014）。理论上，合理地返还大量棉花和油菜秸秆具有多种潜在的生态效益，包括优化养分循环、维持土壤水热平衡、促进土壤微生物合作（Turmel等人，2015；Wang等人，2025；Zhang等人，2024b）。在棉花-油菜双季种植系统中进行秸秆还田是一个值得探索长期影响的特定情境。我们发现，连续多年施用生物炭比单纯施用秸秆更有利于改善土壤质量和提高籽棉产量（Cheng等人，2024；Jin等人，2024）。然而，历史上的生物炭和秸秆改良对棉花养分利用和土壤生物机制的长期影响仍研究不足，特别是在后续秸秆还田条件下对AMF群落的长期影响方面。探索这些潜在的长期影响可以为可持续棉花种植管理提供宝贵见解。
基于2018–2022年在长江下游进行的为期四年的连续田间试验，我们重点评估了2023–2024年生物炭和秸秆改良对后续棉花-油菜秸秆还田的长期影响：（1）籽棉产量；（2）氮（N）和磷（P）的有效性和利用效率；（3）AMF群落结构和功能特性（根系定殖率、定殖强度、孢子密度和菌丝密度）。通过建立整合“高产农艺措施-养分利用-AMF共生关系”的综合评估体系，本研究旨在回答两个相互关联的问题：首先，以往生物炭与秸秆改良的长期影响如何分别影响棉花产量、养分利用效率和AMF共生关系？其次，后续秸秆还田如何与这些长期影响相互作用？在回答这些问题之前，我们提出以下假设：（1）生物炭和秸秆改良都对籽棉产量、养分利用效率和AMF功能特性及多样性有积极影响，其中生物炭的效果更好；（2）与秸秆改良相比，生物炭改良会降低后续秸秆还田的增量效益；（3）AMF功能特性和多样性与籽棉产量和养分利用效率之间存在显著的正相关关系。本研究可以为解决棉花养分管理问题提供有价值的管理决策。
实验场描述
实验于2023至2024年在江苏省大丰水稻小麦种子农场（33°12'N，120°28'E）进行。实验田的土壤为碱性砂壤土，气候处于亚热带和湿润温暖温带之间的过渡区。2023年和2024年棉花生长季节（6月至11月）的日平均气温和降水量见图S1，日均气温分别为24.4°C和24.9°C。
棉花生物量和籽棉产量
与F处理相比，SF和BF处理在秸秆还田和去除的情况下均增加了棉花生物量和籽棉产量。即SF和BF对棉花生长具有积极的长期影响，其中BF的效果更显著（表S4，1）。与去除秸秆相比，在施用F的条件下，SF和BF处理下的总棉花生物量增量分别为2018–2798 kg ha?1、2156–2162 kg ha?1和795–1032 kg ha?1（表S4），籽棉产量增量分别为826–1095 kg ha?1。籽棉产量和养分利用
研究结果表明，BF处理下的籽棉产量和氮（N）或磷（P）利用效率最高，SF处理次之，F处理最低，这支持了我们的假设1。这表明之前的BF和SF处理对土壤的积极影响是持久的，能够提高棉花产量和养分利用效率。此外，在不同的前期施肥处理条件下，后续秸秆还田在籽棉产量和氮磷利用效率方面提供了额外效益。结论
与F处理相比，SF和BF显著提高了籽棉产量以及棉花对氮（N）和磷（P）的吸收量。它们还对土壤养分有效性、酶活性以及氮磷的农艺和回收效率产生了积极的长期影响。此外，SF和BF显著增强了棉花与AMF群落之间的共生关系，表现为根系定殖率、定殖强度、孢子密度和菌丝密度的增加，以及AMF功能的改善。
作者贡献声明
杨海水：写作、审稿与编辑。胡伟：资源获取、资金筹措。周志国：验证、监督、资源获取、资金筹措、概念构思。孟亚丽：写作、审稿与编辑、验证、监督、资源获取、资金筹措。王丽安：写作、初稿撰写、方法学设计、调查、数据分析、数据管理、概念构思。强莉：写作、初稿撰写、方法学设计、调查、数据分析、数据管理、概念构思。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（32472234）、中国农业研究系统（CARS-15–14）以及省部共建的现代作物生产创新中心（CIC-MCP）的支持。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
