《Journal of Environmental Management》：Optimizing soil profile nitrogen distribution alleviates nutrient limitations in wheat fields by influencing the microbial network and soil extracellular enzyme stoichiometry
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分层施肥优化氮分布缓解微生物氮限制提高小麦产量氮效率减少表层氮流失。
杨周|张永桥|穆罕默德·弗拉兹·阿里|丁宁|张家聪|林翔|王东
中国陕西省杨陵市西北农林科技大学农学院，邮编712100
摘要
优化氮（N）肥料的空间分布对于提高养分利用效率和缓解农业生态系统中的土壤资源限制至关重要。我们在中国西北地区进行了一项为期四年的田间试验，比较了传统的表面施肥（N8；所有肥料施用于0–8厘米深度）与分层施肥（N1-2-1；肥料以1:2:1的比例分别施用于0–8、8–16和16–24厘米深度）。通过结合土壤物理化学性质、胞外酶的化学计量关系、高通量测序以及跨界微生物网络分析，评估了养分的有效性、微生物群落的组成及其与小麦氮吸收之间的联系。N1-2-1处理方法减少了0-24厘米深度土壤中的NO3?-N积累，同时增加了根际区域的可利用磷和微生物生物量。酶的化学计量关系和向量分析表明，N1-2-1处理缓解了微生物的氮限制，并使代谢活动向碳（C）和磷（P）的获取方向转变。不同土壤层中的微生物多样性响应不同，N1-2-1处理使根际区域的变形菌门（Proteobacteria）和担子菌门（Basidiomycota）的丰度增加。跨界微生物网络分析显示，N1-2-1处理增强了网络复杂性、正相互作用和自然连通性，尤其是在根际区域。偏最小二乘路径模型进一步证明，土壤性质和关键微生物类群通过刺激胞外酶活性间接促进了小麦的氮吸收。总体而言，分层施肥重塑了土壤养分-微生物相互作用，缓解了微生物的氮限制，增强了微生物网络的稳定性，从而提高了养分吸收和产量，同时减少了表土养分的流失。这些发现为集约化小麦生产系统提供了一种可持续的氮管理策略。
引言
全球粮食安全依赖于能够在最大化作物产量的同时最小化环境退化的可持续农业实践（Kopittke等人，2019年）。然而，实现这一可持续性的一个关键瓶颈是农业系统中氮（N）肥料施用的效率低下（Martínez-Dalmau等人，2021年）。据估计，高达70%的施用氮通过淋溶、挥发和反硝化作用流失到环境中（Mahmud等人，2021年）。这种低效率不仅加剧了温室气体排放和水污染（Ghaly和Ramakrishnan，2013年），还导致了土壤养分失衡，严重限制了半干旱地区（如中国黄土高原）的作物生产力（Wang等人，2021年）。
氮（N）是一种关键的养分，对植物生长和生态系统生产力至关重要，尤其是在小麦（Triticum aestivum L.）等谷物作物中，这些作物占全球热量摄入的20%以上（Javed等人，2022年；Lijuan等人，2023年）。在农业生态系统中，氮的可用性决定了土壤生物地球化学循环，影响碳（C）的固定、磷（P）的迁移以及整个土壤的健康状况。这些过程主要由土壤微生物控制，它们通过胞外酶活性和复杂的群落相互作用来调节养分转化。例如，β-葡萄糖苷酶（BG）、N-乙酰-β-D-葡萄糖胺酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和碱性磷酸酶（ALP）等酶反映了微生物在获取碳、氮和磷方面的投入（Lu等人，2023年；Mi等人，2025年；Mori等人，2024年；Mori等人，2023年），其化学计量比例提供了关于资源限制的见解。这些酶的向量分析量化了微生物对碳和养分的限制情况，其中较长的向量表示碳限制较为严重，而角度大于或小于45°则分别表示磷或氮的限制（Fanin等人，2016年；Moorhead等人，2016年；Ren等人，2024年）。
微生物生态学的最新进展表明，施肥策略可以直接调节碳（C）、氮（N）、磷（P）的化学计量关系，这可以通过胞外酶活性（EEA）来量化（Bell等人，2014年；Du等人，2020年；Xue等人，2025年）。传统的氮肥料表面施肥往往导致养分分布不均，促进深层土壤中的微生物氮限制（Yang等人，2023年），并使小麦系统的氮利用效率（NUE）降低到30-40%（Whetton等人，2022年）。相比之下，精准施肥方法（如分层施肥）旨在使氮的供应与根系发育同步（Liu等人，2023a），从而促进具有抗性的微生物群落的形成（Tariq等人，2025年）。研究表明，这些方法能够增强微生物生物量和多样性，特别是在根际区域，根系分泌物为微生物活动和共现网络提供了能量（Liu等人，2022a；Z. Liu等人，2025b；Peng等人，2024年；Xue等人，2025年）。这些网络具有模块性和连通性等拓扑特征，揭示了细菌和真菌之间的跨界相互作用，稳定了养分循环（Guo等人，2022年）。变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和子囊菌门（Ascomycota）等门类通常在这些群落中占主导地位，作为连接不同功能模块的关键类群，影响植物的氮积累（Dinc?等人，2022年）。因此，整合土壤化学计量、高通量测序和路径建模的跨学科研究强调了优化施肥在实现农业和生态目标方面的潜力。这种综合方法是应对气候变化背景下促进可持续集约化生产的关键。
尽管取得了近期进展，但分层施肥如何缓解不同土壤层中的土壤养分限制仍不明确。大多数研究集中在提高氮利用效率（NUE）上，但很少比较 bulk 土壤与根际土壤中微生物的不同响应。传统施肥通常通过快速耗尽和淋溶加剧 bulk 土壤中的氮限制（Mori等人，2023年；Song等人，2024年），然而很少有研究使用酶向量分析或跨界微生物网络等综合工具来探讨这一问题（Fan等人，2018年；Fanin等人，2016年）。此外，将施肥引起的土壤性质变化与关键微生物类群的变化以及植物氮吸收之间的因果机制仍不甚清楚，特别是在半干旱黄土地区的长期试验中。依赖短期或单层分析的现有研究往往忽略了垂直氮分层对微生物稳定性和功能的影响。因此，这一空白限制了我们开发能够提高小麦生产力同时减少氮损失的养分管理策略的能力。这突显了需要综合物理化学、酶学和微生物指标的全面评估，以揭示潜在机制。因此，我们假设分层氮施肥（以1:2:1的比例在8、16和24厘米深度施用氮）通过重塑土壤养分化学计量关系、增加根际微生物生物量以及促进更稳定的微生物共现网络，比传统的表面施肥（在8厘米深度施用氮）更有效地缓解微生物的氮限制，最终提高小麦的氮积累。为了验证这一点，我们的目标包括：（1）比较两种施肥制度下根际土壤和 bulk 土壤的物理化学性质、微生物生物量和胞外酶活性；（2）利用酶的化学计量关系和向量分析评估微生物对碳、氮和磷的限制；（3）通过评估细菌和真菌群落的结构、多样性和跨界网络稳定性的变化，来表征它们对分层施肥策略的响应；（4）确定关键微生物类群并构建偏最小二乘路径模型（PLS-PM），以阐明施肥管理实践与植物氮吸收之间的因果机制。通过实现这些目标，本研究将解决冬小麦生产中的关键挑战。所获得的见解有望推进精准农业策略，可能在不降低产量的情况下减少20-30%的肥料投入，对改善土壤健康和促进环境可持续性具有重要的广泛意义。
地点描述和实验设计
田间试验在陕西省杨陵市的西北农林科技大学实验农场进行（N34°18′, E108°06′）（图S1A），连续四个冬季小麦生长季节（2021年至2025年）。该地点位于中国黄土高原地区，气候半干旱，年平均温度为12.9°C，年平均降水量在350至550毫米之间。该地点的土壤被归类为累积有机土（Cumulic Anthrosol，ISSS，ISRIC，FAO，1998）。
养分和胞外酶活性
为期四年的田间试验表明，在小麦开花期，N1-2-1处理下的产量和氮积累显著高于N8处理（图1）。施肥策略影响了土壤的物理化学性质和酶活性，bulk 土壤和根际土壤的反应有所不同（表1）。总体而言，N1-2-1处理倾向于增加根际土壤中的养分可用性和微生物生物量，而N8处理则
分层施肥缓解了土壤氮限制的因素
农业的可持续集约化需要采取能够提高作物生产力同时减轻环境影响的策略（Shah和Wu，2019年）。我们的研究表明，分层施肥（N1-2-1）是一种有效的方法，可以优化土壤剖面中的氮分配，从而缓解冬小麦田中的氮限制，最终提高产量和氮积累（图1；Liu等人，2025a）。这种缓解效果并非仅仅通过增加氮的施用量实现的，
结论
本研究证明，与传统表面施肥相比，分层氮施肥从根本上改变了土壤养分环境和微生物动态。通过将氮重新分配到更深的土壤层中，N1-2-1处理减少了表层土壤中的NO3?-N积累，提高了可利用磷的含量，并促进了根际微生物生物量的增加。胞外酶的化学计量关系和向量分析证实，分层施肥缓解了微生物的氮限制，促进了代谢活动向碳（C）的转变
CRediT作者贡献声明
杨周：撰写初稿、软件使用、方法学设计、数据分析。 张永桥：数据分析。 穆罕默德·弗拉兹·阿里：方法学设计、数据分析。 丁宁：数据分析。 张家聪：数据分析。 林翔：验证、资源协调。 王东：撰写、审稿与编辑、验证、项目协调、资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了“陕西省干旱地区农业开放项目”（2024ZY-JCYJ-02-30）和陕西省关键农业核心技术研究项目（2025NYGG001）的支持。
