调节小麦产量、土壤质量及一氧化二氮排放：长期秸秆覆盖与氮肥施用在旱地种植系统中的综合效应

《Soil and Tillage Research》：Regulating wheat yield, soil quality, and nitrous oxide emissions: Integrated effects of long-term straw mulching and nitrogen fertilization in dryland cropping systems

　　袁建宇|聂志刚|马伟伟|陆艳华|姚瑶|杜梦音|刘泽华|李广
中国甘肃省农业大学实用文化科学学院，兰州730070

**摘要**
在全球粮食安全和气候韧性面临日益严峻的挑战背景下，旱地农业必须同时提高作物生产力并减少温室气体排放。秸秆覆盖和氮（N）施肥是广泛采用的农业实践，它们影响土壤生物地球化学过程和农业生态系统规模的排放。然而，这两种措施如何通过调节土壤微生物群落来共同影响旱地小麦系统的生态功能，其机制基础仍不甚明了。为了填补这一知识空白，我们在中国甘肃省中部黄土高原的一个雨养冬小麦系统中进行了为期四年的田间实验（2021-2024年）。实验采用了随机双因素设计，包括秸秆覆盖（有：CTS vs. 无：CT）和不同水平的氮肥施用量（0、55：LN、110：MN 和 220：HN kg N ha?1），以量化这些处理对土壤物理化学性质、微生物群落组成和多样性、一氧化二氮（N?O）通量动态以及谷物产量的影响。结果表明，秸秆覆盖与适量氮肥共同使用（CTSMN）产生了显著的协同效应：这种综合策略使小麦产量相对于其他处理提高了6.56%-29.61%，同时减少了累积的一氧化二氮排放量，并将排放强度降低到与未施肥、未覆盖的对照组无统计学差异的水平。从机制上讲，这种处理改善了土壤结构稳定性并增强了养分保持能力，使氮的形式偏向铵态（抑制了硝化作用），并增加了土壤有机碳和总氮含量，从而增强了长期的碳和氮封存潜力。微生物分析显示，秸秆覆盖是影响群落演替的主要因素。共现网络分析进一步表明，细菌构成了土壤微生物相互作用的主要结构基础。在秸秆覆盖条件下，细菌网络高度整合，以芽孢杆菌为主导物种，控制着网络结构和稳定性，同时Gaiella菌和腐生真菌Coprinopsis也得到富集。结构方程建模进一步证实，氮肥施用通过促进土壤酸化和提高硝酸还原酶活性直接增加了N?O排放。相比之下，秸秆覆盖通过改善土壤物理条件间接促进了产量增加，从而促进了有益微生物的功能活动。总体而言，这些发现阐明了碳（通过秸秆）和氮输入如何调节土壤-微生物-植物之间的反馈，为推动气候智能型、高产的旱地小麦生产提供了一个基于机制的管理方案。

**1. 引言**
在全球气候变化的背景下，农业生态系统面临确保粮食安全和减轻气候影响的双重挑战。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告预测，全球表面温度至少会持续上升到本世纪中叶，预计升温幅度将超过工业化前水平1.5°C（IPCC，2023年）。这种升温趋势对生态系统和人类社会构成了重大威胁。因此，减少温室气体排放和增强碳汇已成为全球关注的优先事项。在主要温室气体中，一氧化二氮（N?O）虽然含量微小，但在100年的时间范围内，其全球变暖潜能是二氧化碳（CO?）的298倍，是甲烷（CH?）的11.9倍。此外，它还显著促进了平流层臭氧的消耗（Tang等人，2021年）。农业活动已成为人为N?O排放的主要来源，仅农田土壤就贡献了全球总排放量的70%以上（Tan等人，2024年）。土壤中产生的N?O主要通过微生物介导的硝化和反硝化作用产生。值得注意的是，这两种生物地球化学过程对关键环境因素（如土壤湿度、碳底物可用性、矿物质氮形态（NH?? vs. NO??）和氧气可用性）具有不同的敏感性（Liu等人，2021年）。因此，农业管理措施可以通过改变硝化和反硝化微生物群落的活动、丰度和底物竞争动态来不同程度地调节N?O排放。这突显了通过优化、基于科学的农业策略来减少N?O排放的紧迫性，同时不损害粮食安全。这一点在旱地农业系统中尤为关键，因为这些系统对全球粮食生产至关重要。因此，发展可持续、集约管理的农业系统对于推进长期农业可持续性和实现更广泛的可持续发展目标至关重要。

随着全球人口的持续增长，对粮食的需求也在稳步增加。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，到2050年，全球粮食产量需要增加约60%以满足人口增长的需求（Ma等人，2022年）。然而，可耕地资源日益紧张，这意味着未来粮食产量的提高将主要依赖于提高现有农田的单位面积产量。这一挑战在像中国中部黄土高原这样的旱地农业系统中尤为突出（Yin等人，2025年）。该地区主要依赖雨养农业，春小麦在保障区域粮食安全中起着关键作用。在这种情况下，土壤养分供应和水分含量是限制作物生产力的主要因素。因此，为了提高资源利用效率，该地区广泛采用了保护性耕作措施，特别是秸秆覆盖（Shi等人，2025a）。大量研究表明，秸秆覆盖增加了土壤有机质积累，改善了养分供应，提高了作物产量，并减少了露天焚烧秸秆带来的环境污染（Song等人，2024年）。因此，秸秆覆盖被推广为黄土高原半干旱地区的有效可持续管理措施，并得到了当地农业政策的支持。然而，关于秸秆覆盖对旱地小麦田N?O排放影响的科学共识尚未形成，其整体环境影响仍存在较大不确定性。Wang等人在中国黄土高原的春小麦生长季节观察到，秸秆覆盖显著增加了N?O排放，这可能是由于增加了易分解的碳底物和能量来源，从而刺激了微生物呼吸作用，加速了反硝化过程（Wang等人，2021a）。相比之下，Chen等人在中国杨凌的夏季玉米生长季节报告称，秸秆覆盖促进了矿物质氮的固定，从而减少了N?O排放（Chen等人，2019年）。有趣的是，Shan通过对多项田间研究的元分析得出结论，秸秆覆盖对累积N?O排放没有显著影响（Shan等人，2021年）。这些相互矛盾的发现表明，秸秆覆盖对N?O排放的净效应高度依赖于区域环境条件、作物系统和田间管理措施。从氮转化过程的角度来看，秸秆覆盖具有双重且可能相反的效果：一方面，它可以通过增加易分解碳的输入来增强反硝化微生物的活动，从而在湿润或局部厌氧土壤条件下促进N?O的产生（Bai等人，2023年）；另一方面，秸秆分解早期的微生物氮固定作用可以减少NH??的供应，从而抑制硝化作用（Qian等人，2023年）。此外，秸秆覆盖改变了土壤水分状况和气体扩散能力，从而重新塑造了硝化和反硝化对N?O总排放的相对贡献。秸秆覆盖最终是增加还是减少N?O排放，取决于特定地点条件下这两种竞争性生物地球化学途径之间的净平衡。尽管秸秆覆盖对土壤健康和作物产量有显著益处，但由于农民希望最大化产量，过量使用氮肥在该地区仍然普遍存在。这种做法不仅降低了氮的利用效率，降低了土壤质量，还加剧了N?O排放，并通过增加氮过剩风险促进了硝酸盐淋溶。结果形成一个“产量依赖-环境退化-排放加剧”的有害循环，阻碍了高产量、高效率和生态可持续性的协调发展（Fang等人，2020年）。因此，综合考虑秸秆回用和氮肥管理被认为是打破这一循环、实现绿色可持续产量提升的关键策略。虽然秸秆覆盖和氮肥施用的个别农业效益已有充分记录，但关于它们相互作用效应的系统实证研究——特别是在土壤微生物功能层面上控制N?O排放的机制——仍然有限（Shi等人，2023年；Wang等人，2024年）。知识空白包括：（1）缺乏对长期秸秆覆盖和减少氮输入如何在田间条件下调节土壤微生物功能基因网络的定量理解；（2）对土壤物理化学性质变化如何与微生物群落功能变化共同影响N?O排放的机制了解不足；（3）在不同管理措施下生物和非生物因素对N?O排放途径的相对贡献存在不确定性。

为了填补这些空白，本研究在中国甘肃省中部黄土高原的春小麦种植系统中进行了为期四年的田间实验（2021-2024年），以评估秸秆覆盖和氮肥梯度的综合效应。通过系统监测土壤性质、N?O排放通量、微生物群落动态和作物产量，本研究旨在：1）明确长期秸秆覆盖和氮减少对土壤物理化学特性和微生物多样性的影响；2）分析这些措施对N?O排放和作物生产力的调节作用；3）量化关键因素的贡献，并阐明影响N?O通量的生物和非生物途径；4）提出针对该地区的优化管理策略，以实现产量提升和排放减少。通过建立将田间管理措施与微生物机制联系起来的全面证据链，这项研究为推进可持续旱地农业提供了坚实的理论基础和实用技术指导。

**2. 材料与方法**
2.1. 研究区域概述
田间实验于2021年至2024年在甘肃省定西市进行，位于中国黄土高原（北纬35°64′，东经104°64′）（图S1）。该地区具有典型的温带半干旱气候，湿度低，温度适中。年平均气温为6.3°C，年平均降水量为394.1毫米，年降水量变化较大，主要集中在7月至9月，占年总量的60%以上。土壤由马兰黄土母质形成，属于粉砂壤土，具有发达的垂直孔隙结构。土壤孔隙率为45%-52%，但有机质含量通常低于1.0%，导致结构稳定性差、持水能力低且易受侵蚀（Yuan等人，2024年）。由于长期缺水，当地农业主要依赖雨养，春小麦和玉米是主要作物。在全球气候变化的背景下，该地区面临严重的生态挑战，包括严重的土壤退化（年平均侵蚀深度为2-5毫米）、土地生产力下降（谷物产量波动系数达到35%）和温室气体排放增加（Yang等人，2022年）。因此，研究这一旱地农业系统中产量提升和减排的协同效益具有战略重要性：它解决了该地区的生态脆弱性问题，为支持黄土高原农业生态系统的绿色农业实践和碳中和目标提供了关键证据，符合国家可持续发展和生态安全战略。实验期间记录的气象数据（温度和降水量）见图S2。

2.2. 实验设计
田间实验从2021年开始，持续到2024年，共四年。采用了随机完全区组设计，以秸秆管理为主要因素，氮肥施用量作为次要因素。秸秆管理措施包括：1）传统耕作（CT）和2）传统耕作加秸秆覆盖（CTS）。氮肥施用量包括四个水平：1）不施氮；2）低氮（LN），相当于当地常规施用量的四分之一（55 kg N ha?1 yr?1）；3）中氮（MN），相当于当地常规施用量的一半（110 kg N ha?1 yr?1）；4）高氮（HN），相当于当地常规施用量的全额（220 kg N ha?1 yr?1）。这导致了八种处理组合，每种处理重复三次，共计24个试验小区。每个小区面积为24平方米（4米×6米）。此外，为了最小化边缘效应并防止相邻试验块之间的交叉污染，在每个试验块周围建立了一个0.5米宽的缓冲区。在秸秆覆盖处理中，使用了前一年收获的小麦秸秆残余物作为覆盖物。秸秆被切成5厘米的片段，并以9000公斤/公顷的干重比例均匀施用于土壤表面（Shi等人，2025a）。为了防止秸秆被风吹走，在施用后使用轻型耙子或轻型滚筒进行压实。压实后的操作标准如下：秸秆覆盖率（被秸秆覆盖的土壤表面积比例）保持在90%或以上。此外，压实造成的土壤穿透深度不超过5厘米，确保秸秆与表土部分接触，同时避免对土壤结构造成过度干扰。相比之下，传统的耕作处理（CT）包括在收获后完全清除作物残余物，然后在次年播种前进行旋转耕作。所有施肥处理中使用的氮源是尿素（含有46%的氮）。氮分分两次等量施用：第一次是在播种时作为基肥（三月底），第二次是在小麦抽穗期作为追肥（六月初）。该地区常用的春小麦品种“Dingxi 35”的播种量为187.5公斤/公顷，行间距为25厘米。根据当地的农艺实践，所有处理中均以150公斤/公顷的年度量施用单过磷酸钙作为磷源。所有其他的田间管理措施——包括杂草控制、害虫管理和灌溉（由于依赖雨水灌溉，因此未进行灌溉）——都保持在与当地传统农业标准一致的水平。此外，在每个试验块中安装了固定静态室（0.5米×0.5米），用于定期测量N?O通量。所有的农业操作和现场相关活动都遵循有关环境研究和可持续土地利用的机构、国家和国际指南和法规。

2.3. 土壤样品和作物产量的收集与分析
在2021年至2024年的小麦收获期间，从犁层（0-20厘米深度）收集土壤样品。在每个试验块内，使用内径为2厘米的不锈钢螺旋钻随机收集五个子样本，并将其混合成一个复合样本，以最小化空间变异性（Zhang等人，2023）。去除可见的植物残余物和石头后，每个复合样本被放入预冷却的无菌袋中，存放在4°C的保温冷却箱中，并运输到实验室。到达实验室后，每个样本使用四分法分为两部分：一部分存放在4°C下，用于测定土壤含水量（SWC）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）；另一部分在空气中干燥并过筛（2毫米），用于分析pH值、有机碳（SOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、NH??-N、NO??-N、硝酸盐还原酶（NR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）。所有准备工作都在低温条件（4°C）下进行，以保持土壤的原始性质（Li等人，2025）。
土壤容重（BD）和孔隙度（SP）使用芯环法测量。SWC通过重量法测定（在105°C下干燥至恒重）。土壤pH值通过电位法测定（水：土壤 = 1:2.5）。SOC通过外加热量的重铬酸钾氧化法量化。TN通过凯氏消化法分析。TP在酸消化后使用钼锑比色法测定。NO??-N和NH??-N使用1摩尔/升KCl提取，并使用连续流分析仪测量。MBC和MBN通过氯仿熏蒸-提取法评估。NR活性通过磺胺酸-α-萘胺比色法测定，NIR活性通过α-萘胺和对氨基苯磺酸比色法测定（Xu等人，2025；Yuan等人，2022；Wu等人，2020）。
土壤碳和氮的储存量使用以下公式计算（Hao等人，2024）：
SOCi=∑i=1n(Ci×BDi×Di×10)
TNi=∑i=1n(Ni×BDi×Di×10)
其中SOCi和TNi分别表示第i层土壤中的有机碳和总氮储存量（吨/公顷）；Ci和Ni表示第i层土壤中的有机碳和总氮含量（克/千克）；BDi是第i层土壤的容重（克/立方厘米）；Di是土壤厚度（厘米），系数10?1将单位转换为吨/公顷。土壤有机碳固存率（SOCSR）和总氮固存率（TNSR）的计算公式如下（Li等人，2025）：
SOCSR（千克碳/公顷·年）=（SOCt-SOC0）/t × BD × H × (1-δ2mm/100) × 100
TNSR（千克氮/公顷·年）=（TNt-TN0）/t × BD × H × (1-δ2mm/100) × 100
其中SOCt和SOC0分别表示实验开始和结束时的土壤有机碳储量；TNt和TN0表示相应的总氮储量；t是实验持续时间（年）；BD是平均土壤容重（克/立方厘米）；H是采样深度（厘米）；δ2mm表示颗粒含量（大于2毫米）的百分比。值得注意的是，校正因子（1-δ2mm/100）考虑了粗粒碎片所占的体积，以确保对基于细粒土壤的养分储存量的准确估计。
在每个收获季节（2021-2024年），在每个重复试验块内随机选择一个4平方米的子试验块（2米×2米）。所有小麦植株被收获、脱粒并称重以确定籽粒产量。然后根据收获面积将其换算为千克/公顷（Yang等人，2024）。

2.4. 土壤微生物多样性的测定
2024年春小麦成熟期，从0-20厘米层收集土壤样本，使用第三代单分子实时（SMRT）技术进行全长扩增子测序。按照制造商的说明，使用DNeasy PowerSoil Pro Kit（Qiagen，德国）从0.5克土壤中提取总微生物DNA（Najafi等人，2022）。使用琼脂糖凝胶电泳和NanoDrop One分光光度计（Thermo Scientific，美国）评估DNA纯度和浓度。使用引物27F-1492R扩增全长16S rRNA基因，使用引物ITS1–ITS4扩增全长ITS区域。使用条形码引物进行多重扩增。使用Qubit 4.0荧光计（Thermo Scientific，美国）对扩增产物进行定量。然后使用SMRTbell Express Template Prep Kit 3.0（Pacific Biosciences，美国）构建测序文库，并在Agilent 2100 Bioanalyzer（Agilent Technologies，美国）上进行评估（Zhu等人，2018）。合格的文库在PacBio Sequel II平台（Pacific Biosciences，美国）上使用Sequel II Binding Kit 2.2和8 M SMRT细胞进行测序。原始测序数据使用SMRT Link v11.0管道处理：原始BAM文件被转换为 circular consensus sequences（CCS），然后根据条形码序列进行解多路复用来生成特定样本的FASTQ文件。生物信息学分析在BMKCloud平台（www.biocloud.net）上进行（Tang等人，2024）。

2.5. N2O气体的收集与测量
在2021-2024年的小麦生长季节（4月至8月），使用静态封闭室方法监测N?O通量。系统由一个不锈钢室（50厘米×50厘米×50厘米）组成，配备两个内部风扇、一个气体采样口、一个温度探头接口和一个电源连接，以及一个匹配的不锈钢底座（50厘米×50厘米×20厘米），底座上有一个防水密封槽。实验前将底座永久插入20厘米深度，并在整个研究过程中保持原位（Wang等人，2025）。每次采样前，清除表面杂草和枯枝落叶，并将防水密封槽注满水以确保气密隔离。然后将室放置到底座上，并覆盖反射绝缘材料以减少太阳加热（Pang等人，2019）。采样在当地时间09:00至11:00之间进行（此时气温接近每日平均值），大约每隔15天进行一次。关闭室后，首先使用100毫升的气密注射器收集一次气体样本，然后每隔8分钟再采集四次样本，共获取五个时间点的数据。使用JM624数字温度计连续监测室内的温度。气体样本在同一天使用Agilent 7820 A气相色谱仪分析N?O浓度（Qian等人，2023）。
N?O通量（F）的计算公式如下（Wang等人，2021b）：
F=dCdt·MV0·PP0·T0·H
其中F是排放通量（毫克/平方米·小时）；dc/dt是气体浓度随时间的线性回归斜率（ppm·分钟?1）；M是N?O的摩尔质量（44.0克/摩尔）；P是大气压（千帕）；T是室内的绝对温度（开尔文）；T0是标准温度（273.15开尔文）；V?是标准温度下的摩尔体积（22.4升/摩尔）；H是室高于土壤表面的高度（米）。只有至少四个时间点的线性回归R2 ≥ 0.80的数据集被接受。最终通量值报告为三次重复实验的平均值±标准差。
使用梯形积分法计算累积N?O排放量（Yuan等人，2024）：
Sum=∑i=1n(Fi+Fi+1/2)×24×Di+1?Di
其中Sum是累积N?O排放量（千克N?O-公顷）；Fi和Fi+1分别表示第i次和第（i+1）次采样事件时的测量通量（毫克/平方米·小时）；Di和Di+1是相应的采样日期（天）。
温室气体排放强度（GHGI）计算为全球变暖潜力（GWP）与作物产量的比值（Shen等人，2023）：
GHGI＝GWP/Y
其中GWP = EN?O × 273（EN?O是以二氧化碳当量表示的累积N?O排放量，根据IPCC第六次评估报告，N?O的100年全球变暖潜力是CO2的273倍），Y是每公顷小麦的产量（千克/公顷）。

2.6. 统计分析
数据预处理使用Microsoft Excel 2019进行。统计分析使用SPSS 26.0和R 4.3.1进行。使用Shapiro–Wilk检验评估正态性（P > 0.05），使用Levene’s检验评估方差齐性（P > 0.05）。对于参数数据，使用单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）后进行Duncan的多重比较检验；否则，使用Kruskal–Wallis检验。使用R的cor.test函数计算皮尔逊相关系数，并使用ggcor包可视化相关矩阵。进行冗余分析（RDA）以评估土壤特性和微生物群落对N?O通量和产量的影响。使用plspm包构建偏最小二乘路径模型（PLS-PM），并通过innerplot函数生成路径图。使用1000次自助法迭代评估模型稳定性和路径系数的显著性。使用拟合优度（GOF）指数评估模型拟合度。定义了四个潜在变量：管理措施、土壤物理性质、土壤化学性质和微生物特征。所有观察到的变量在分析前都进行了Z分数标准化。

3. 结果与分析
3.1. 土壤物理和化学性质
四年的田间定位实验结果（表S1）显示，与CT相比，CTS显著降低了土壤容重（BD）和pH值，同时增加了孔隙度（SP）和土壤含水量（SWC）（P < 0.05）。值得注意的是，所有施肥处理相对于未施肥对照组都表现出相似的改善趋势。在组合处理中，秸秆覆盖与适量氮肥施用（CTSMN）对土壤结构的改善最为显著，达到了最低的BD和最高的SP和SWC（P < 0.05）。特别重要的是，CTSMN处理的土壤pH值最高（P < 0.05），而高氮输入的传统耕作（CTHN）处理的土壤pH值最低。
双向方差分析显示，秸秆覆盖和氮肥施用量作为独立因素对土壤容重（BD）、孔隙度（SP）、pH值和土壤含水量（SWC）有非常显著的影响（P < 0.001）（表S1）。然而，交互作用分析表明，秸秆覆盖和氮肥施用量的交互作用仅对土壤pH值有非常显著的影响（P < 0.001），而对BD、SP或SWC没有显著影响（表S1）。
四年的田间试验表明，秸秆覆盖和氮肥施用对有机碳（SOC）、总氮（TN）和总磷（TP）的积累有显著的协同效应（图1）。与CT相比，秸秆覆盖处理显著增加了SOC、TN和TP的浓度（P < 0.05）。值得注意的是，土壤养分对氮肥施用的反应不同。在相同的耕作系统下，SOC含量随着氮肥施用量的增加呈现先上升后下降的趋势。相比之下，TN含量随着氮肥施量的增加而持续增加，证实了氮添加的直接作用。在秸秆覆盖下，TP也表现出先增加后下降的趋势，而在传统耕作下没有显著变化。双向方差分析进一步确认了秸秆覆盖和氮肥施用量对SOC、TN和TP的主要影响都非常显著（P < 0.001）。然而，它们的交互作用仅对土壤TN有显著影响（P = 0.01）。

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图1. 秸秆覆盖和氮肥施用对0-20厘米土壤层中有机碳（a）、总氮（b）和总磷（c）的影响。不同的字母表示同一年份内不同处理之间的显著差异；不同的小写字母表示同一处理在不同年份之间的显著差异。S：秸秆覆盖，N：氮肥。P<0.001表示极显著，P<0.01表示高度显著，P>0.05表示无显著差异。以下相同。本研究提供了田间规模的 evidence，表明秸秆覆盖具有调节氮形态的作用，其特征是“抑制硝酸盐并促进铵盐的形成”（图2）。在相同的氮肥施用量下，与传统耕作相比，秸秆覆盖显著降低了土壤中的硝酸盐氮（NO??-N）浓度，同时增加了铵盐氮（NH??-N）水平（P<0.05）。在同一栽培系统下，两种氮形态对氮肥的响应是一致的，随着氮肥施用量的增加，硝酸盐氮和铵盐氮含量均显著增加（P<0.05）。基于四年的平均值，硝酸盐氮浓度在CTHN处理下最高（P<0.05），其次是CTSHN处理。相比之下，铵盐氮浓度在CTSHN处理下达到峰值，这表明丰富的碳源（来自秸秆）和充足的氮供应促进了铵盐氮的固定。双向方差分析显示，秸秆覆盖、氮肥施用量及其相互作用对两种无机氮形态都有显著影响（P<0.001）。

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图2. 秸秆覆盖和氮肥施用对0-20厘米土层中硝酸盐氮（a）和铵盐氮（b）的影响。

3.2 土壤生物特性
与传统耕作相比，秸秆覆盖处理使土壤中的微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）分别增加了39.31%-50.93%和17.61%-22.16%（P<0.05）（图3a和3b）。值得注意的是，微生物生物量对氮肥施用量有一个显著的阈值反应。在中等氮肥（MN）施用量下，MBC和MBN含量达到峰值。此外，在相同的氮肥条件下，秸秆覆盖处理显著增加了MBC与MBN的比值（P<0.05），但在秸秆覆盖条件下，氮肥施用量对MBC与MBN的比值没有显著影响（图3c）。基于四年的平均值，联合CTSMN处理的微生物生物量显著高于其他处理组合（P<0.05），这突显了碳氮平衡在调节土壤微生物群落中的核心作用。双向方差分析显示，秸秆覆盖和氮肥施用量对土壤中的MBC和MBN有高度显著的主效应（P<0.001）。然而，它们的相互作用在统计学上不显著。对于MBC与MBN的比值，秸秆覆盖的主效应极为显著（P<0.001）（图3a、3b和3c）。

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图3. 秸秆覆盖和氮肥施用对0-20厘米土层中微生物生物量碳（a）、微生物生物量氮（b）、MBC与MBN的比值（c）、硝酸盐还原酶（d）和亚硝酸盐还原酶（e）的影响。

参与土壤中硝酸盐还原途径的酶活性对管理措施的响应模式更为复杂。长期秸秆覆盖与传统耕作相比显著降低了硝酸盐还原酶（NR）和硝酸盐还原酶抑制剂（NIR）的活性（P<0.05）（图3d和3f）。相比之下，氮肥施用显著增强了这两种酶的活性（P<0.05），且随着氮肥施用量的增加，这两种酶的活性持续增加。基于四年的平均值，CTHN处理（传统耕作结合高氮肥）表现出最高的NR和NIR活性（NR：6.80 mg g?1 24 h?1；NIR：0.67 mg g?1 24 h?1），这些活性显著高于其他处理（P<0.05）。双向方差分析确认秸秆覆盖和氮肥施用量对这些酶活性都有显著影响（P<0.001）。值得注意的是，它们的相互作用仅对NR活性有显著影响（P<0.001），而对NIR活性则没有显著影响（图3d和3f）。

3.3 土壤碳和氮的储存及固定
长期田间实验表明，在相同的氮肥施用量下，秸秆覆盖显著增加了土壤中的碳和氮储存（P<0.05）（图4a和b）。在相同的栽培条件下，土壤碳储存呈现出单峰趋势——随着氮肥施用量的增加而先增加后减少，在中等氮肥（MN）处理下达到峰值（P<0.05）。相比之下，土壤氮储存随着氮输入量的增加而持续增加，在高氮（HN）处理下达到最大值。基于四年的平均值，CTSMN处理的土壤碳储存最高（7.16 t·ha?2）（P<0.05），相比其他处理增加了4.43%-22.31%。双向方差分析显示，秸秆覆盖和氮肥施用量对土壤碳和氮的储存都有高度显著的主效应（P<0.001）。然而，它们的相互作用在统计学上不显著，表明秸秆和氮肥对碳和氮储存的贡献主要是通过独立机制实现的。

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图4. 秸秆覆盖和氮肥施用对0-20厘米土层中土壤总氮储存（a）、有机碳储存（b）、土壤总氮固定（c）和有机碳固定（d）的影响。

管理措施对更动态的指标——土壤有机碳固定速率（SOCSR）和总氮固定速率（TNSR）的影响更为复杂。长期秸秆覆盖有效逆转了传统耕作带来的碳损失，并实现了正向的土壤碳固定（P<0.05）（图4c和d）。值得注意的是，在传统耕作下，随着氮肥施用量的增加，碳损失加剧；而在秸秆覆盖系统中，SOCSR并未随着氮输入量的增加而继续上升。总体而言，在CTSMN处理下，SOCSR达到最大值（397.70 kg C·ha?1·yr?1），比其他处理高出9.02%-24.16%。对于TNSR，所有施用氮肥的处理都显著增强了氮固定（P<0.05）。然而，在秸秆覆盖下，随着氮肥施用量的增加，TNSR趋于平稳，CTSMN和CTSHN处理之间没有显著差异。双向方差分析显示，秸秆覆盖和氮肥施用量对碳和氮的固定有不同的调节途径：秸秆覆盖是SOCSR的高度显著驱动因素（P<0.001），而氮肥施用量与其相互作用则没有显著影响。相比之下，秸秆覆盖和氮肥施用都显著影响了TNSR（P<0.001），尽管它们的相互作用不显著。

3.4 土壤微生物群落结构和功能响应
本研究通过多变量统计分析和多样性指数评估，系统阐明了秸秆覆盖和氮肥管理对土壤微生物群落结构的深刻影响。主坐标分析（PCoA）显示，第一个主成分（PC1）解释了细菌群落在属水平上的84%的变异（图5a）。传统耕作结合秸秆覆盖（CTS）处理形成了与其他处理明显分离的簇，表明秸秆覆盖本身就对细菌群落结构的重组具有最强的选择压力。尽管真菌群落的分化模式不太明显，PC1解释了57%的变异，但CTS处理仍然与无秸秆覆盖的处理有显著的分离，显示出相似的调节作用（图5b）。

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图5. 基于Bray–Curtis差异性进行的主坐标分析显示，在秸秆覆盖和氮肥施用条件下，土壤细菌（a）和真菌（b）群落结构在属水平上的组间差异。

对于细菌群落，与传统耕作（CT）相比，氮肥施用（CTLN、CTMN、CTHN）显著降低了Shannon多样性和Simpson多样性指数（P<0.05）（图6a、b）。相比之下，CTS处理在无氮条件下表现出最低的细菌多样性，进一步支持了PCoA的结果，即强烈的碳输入对原始微生物群落造成了显著干扰。然而，当在秸秆覆盖下施用氮肥（CTSln、CTSMN、CTSHN）时，细菌多样性显示出恢复趋势。值得注意的是，尽管多样性下降，但氮肥施用（CTLN、CTMN、CTHN）显著增加了细菌丰富度，如Chao1指数所示（图6c）。相比之下，所有秸秆覆盖处理下的细菌丰富度都很低，彼此之间没有显著差异。

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图6. 土壤细菌群落的α多样性指数：Shannon指数（a）、Simpson指数（b）和Chao1指数（c）；以及土壤真菌群落的Shannon指数（d）、Simpson指数（e）和Chao1指数（f）。

对于真菌群落，传统耕作（CT）保持了高α多样性。单独施用氮肥（CTLN、CTMN、CTHN）和单独实施秸秆覆盖（CTS）都显著降低了Shannon多样性和Simpson多样性指数（P<0.05）（图6d、e）。有趣的是，当中等和高剂量的氮肥与秸秆覆盖结合使用时（CTSMN、CTSHN），真菌多样性显著增加。此外，与CT处理相比，仅施用氮肥的处理（CTLN、CTMN、CTHN）显著降低了真菌丰富度（Chao1指数）（图6f）。相比之下，低氮处理（CTSLN）显著降低了真菌丰富度，而中高剂量氮肥的处理（CTSMN、CTSHN）则显著提高了真菌丰富度。

图7. 土壤细菌和真菌属的相对丰度分析显示，在施用氮肥的传统耕作处理中（CTLN、CTMN、CTHN），根瘤菌属（Rhizophagus）成为优势菌属。吸霉菌（Malassezia）在子囊菌门中在CTS和CTSN处理中的丰度增加，但在氮肥作用下受到抑制，表明在低氮和高碳可用性的早期秸秆分解环境中具有竞争优势。值得注意的是，腐生菌属Coprinopsis仅在秸秆覆盖处理中检测到，而在非覆盖处理中要么未被检测到，要么相对丰度低于0.01%。这清楚地表明Coprinopsis是参与秸秆分解的关键功能群。另一个腐生菌属Pseudogymnoascus在传统耕作下受到抑制，但在秸秆覆盖下高氮输入下其丰度增加，反映了管理措施通过调节资源化学计量比（C:N比）来调节特定分解者功能的复杂相互作用机制。

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图7. 土壤细菌和真菌属的相对丰度分析。

土壤真菌群落的相对丰度分析显示，在施用氮肥的传统耕作处理中（CTLN、CTMN、CTHN），根菌（Rhizophagus）成为优势菌属。在子囊菌门中的Malassezia在CTS和CTSLN处理中的丰度增加，但在氮肥作用下受到抑制，表明在低氮和高碳可利用性的早期秸秆分解环境中具有竞争优势。值得注意的是，腐生菌Coprinopsis仅在秸秆覆盖处理中检测到，而在非覆盖处理中要么未被检测到，要么相对丰度低于0.01%。这清楚地表明Coprinopsis是参与秸秆分解的关键功能群。另一个腐生菌属Pseudogymnoascus在传统耕作中受到抑制，但在秸秆覆盖下高氮输入下其丰度增加。此外，Gaiella在施用中等和高氮肥的秸秆覆盖处理（CTSMN、CTSHN）中丰度增加。鉴于该属通常与有机物转化和氮循环有关，它在碳氮代谢中可能起着重要作用。

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图7. 土壤细菌和真菌属的相对丰度分析。

相关性网络分析在属水平上显示，所有处理中细菌网络的节点数和链接数显著高于真菌网络（图8，S3）。在氮肥施用梯度下，细菌网络的链接总数（672、683）、平均度（26.35、23.55）和聚类系数（0.87、0.84）在N55和N110处理中最高，平均路径长度也较短（1.51、1.64）（表S2）。这些结果表明，中等氮肥施用显著增强了细菌网络的合作互动性和小世界特性。相比之下，N220处理的网络直径（3.88）和介数中心性（0.07）较低，模块化系数（0.13）也较低（N0为0.19），表明高氮输入导致网络结构简化。对于真菌网络，N0和N220处理中的负链接比例较高（分别为37.3%和19.1%），而N55处理的链接总数（48）和平均度（7.38）显著降低，表明中等氮肥施用抑制了真菌网络的相互作用。在秸秆覆盖下，细菌网络的链接总数（302 vs. 176）、平均度（9.44 vs. 4.76）和网络密度（0.15 vs. 0.07）显著增加，但模块化系数降低（0.28 vs. 0.50）。这表明秸秆覆盖增强了细菌网络的整体连通性，同时减弱了它们的模块化差异。相比之下，在稻草覆盖下的真菌网络中，总链接数（106个对比280个）和网络密度（0.10对比0.93）显著下降，而平均路径长度（1.58对比0.92）和网络直径（3.90对比1.60）则有所增加（表S2）。这些变化表明，稻草覆盖使真菌网络从一个高度密集的小世界结构转变为一个稀疏且松散的配置。总之，适量的氮肥施用增强了细菌网络中的协同作用，而高氮肥施用则导致网络简化；稻草覆盖增强了细菌的连通性，但抑制了真菌网络的密度，揭示了这两种微生物群体对农业管理实践的不同生态响应。Zi-Pi分析进一步显示，氮肥施用对两种网络中的关键物种数量或丰度没有显著影响。然而，在稻草覆盖下，细菌网络中出现了一些关键物种，包括芽孢杆菌、Planococcus、Paenisporosarcina、Sporosarcina、Phenylobacterium和Novosphingobium。值得注意的是，除了芽孢杆菌外，这些关键物种的相对丰度保持较低（图S3），这强烈表明芽孢杆菌是控制稻草覆盖下细菌网络结构和稳定性的核心物种。

3.5. N2O通量和作物产量
在四年的研究期间收集的高频监测数据显示，干旱地区农业土壤中的N?O排放动态保持一致（图9）。所有处理方式都表现为持续的N?O源，其排放峰值与关键农业管理实践紧密同步。每年四月中旬观察到的初始较小排放峰值与基础肥料的施用和土壤冻融循环的发生密切相关。这表明，土壤物理状态变化（冻融过程）与化学输入（肥料）之间的相互作用共同触发了早季的氮转化。更值得注意的是，六月初的排放峰值是初始峰值的2-4倍，主要是由作物拔节期的追肥和季节性降水事件协同作用驱动的。传统耕作结合高氮投入（CTHN）一致表现出最高的N?O通量，2021-2024年的峰值分别为234.47、224.22、242.96和241.97 μg N?O-N m?2 h?1。

3.6. 关键因素对土壤N2O排放和作物产量的影响
皮尔逊相关性分析显示，N2O排放通量与土壤中的NO??-N含量（r = 0.829，P < 0.001）以及NR活性（r = 0.824，P < 0.001）之间存在高度显著的正相关（图11a）。此外，土壤中的TN、NH??-N和氮储存（NS）也与N2O排放通量有高度显著的正相关（P < 0.001）。相反，土壤pH值与N2O排放呈高度显著的负相关（r = -0.771，P < 0.001）（图11a）。在微生物群落层面（图11b），放线菌门下的Solirubrobacter和Nocardioides属的基因丰度与N2O排放呈正相关（P < 0.001）；相反，厚壁菌门下的芽孢杆菌属（Phylum Firmicutes）和Proteobacteria门下的Microvirga属的基因丰度则呈现显著的负相关（P < 0.01）。值得注意的是，根际真菌（AMF），包括Rhizophagus和Glomus的基因丰度也与N2O排放有高度显著的正相关（P < 0.001），表明真菌参与了干旱土壤中的氮转化过程并可能对其进行调节。与N2O排放相比，春小麦产量受到更复杂的多因素网络的影响。土壤的SP、SWC、SOC、TN、TP、NH4+-N、MBC、MBN、MBC:MBN、碳储存（CS）和氮储存（NS）都与产量有高度显著的正相关（P < 0.001）。相比之下，土壤BD与产量呈负相关（P < 0.001）。这一综合模式反映了产量形成依赖于土壤肥力、物理结构和微生物活动的综合基础。在所有检测到的分类群中，只有Actinobacteria门下的Gaiella属的基因丰度与小麦产量有高度显著的正相关（P < 0.001）。相比之下，整体真菌群落与产量之间没有观察到统计学上的显著关联。这一结果进一步支持了这样的假设：在甘肃中部的干旱农业系统中，原核微生物网络——特别是细菌群落——可能是作物产量变化的主要生物学驱动力。

4.1. 稻草覆盖和氮肥施用对土壤物理化学性质和生物特性的影响
本研究通过四年的田间固定实验系统地阐明了稻草覆盖和减少氮肥施用如何影响土壤的物理化学性质和生物过程。结果表明，稻草覆盖结合减少氮输入显著提高了干旱地区农业系统的土壤质量，通过协同改善土壤物理结构和调节氮转化途径（表S1）。值得注意的是，稻草覆盖与中等氮肥施用（CTSMN）的综合处理同时降低了土壤的容重，增加了孔隙度和水分含量，并保持了最佳的土壤pH值，从而比单一管理措施带来了更好的整体土壤改善效果。一个特别重要的发现是秸秆覆盖具有明显的“抑制硝酸盐和促进铵盐”的效果，表现为硝酸盐氮（NO??-N）浓度降低而铵盐氮（NH??-N）浓度升高（图2）。较低的硝酸盐氮可降低氮素淋失的风险，而较高的铵盐氮含量更符合主要旱地作物的营养吸收偏好，例如本研究中的春小麦系统（Dai等人，2016年）。这种对氮素形态的定向调节为干旱和半干旱农业生态系统的氮素管理提供了一种新的策略。这些发现与之前在黄土高原地区进行的研究结果一致，那些研究发现秸秆覆盖能够改善土壤物理性质（Yang等人，2024年；Shi等人，2025b年，Shi等人，2025a年），这也证实了Zhang等人（2023年）所报告的秸秆覆盖在干旱环境中的广泛适用性。然而，观察到的“抑制硝酸盐和促进铵盐”效果是对现有知识的重要补充，它挑战了关于残渣存在下氮素动态的传统假设。我们提出这种现象可能由三个相互关联的机制驱动：首先，秸秆覆盖下改进的土壤水分条件创造了一个更稳定的微环境，从而抑制了硝化速率；其次，秸秆分解过程中释放的特定有机化合物可能对硝化微生物产生抑制作用；第三，外源碳输入改变了微生物群落的功能组成，有利于微生物对铵盐氮的固定（Zhao等人，2025年）。这一机制框架得到了实证证据的支持——秸秆覆盖显著增加了土壤中的微生物生物量（MBC）和微生物生物量氮（MBN）（图3），强调了微生物在氮素形态转化中的关键作用。

关于养分积累，秸秆覆盖显著增加了土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）和总磷（TP）的含量（图1）。这一增加与秸秆分解过程中养分的释放以及同时改善的土壤微环境密切相关（Qian等人，2023年）。值得注意的是，不同的养分对氮肥施用量的反应不同：有机碳含量在中等氮肥施用量下达到峰值，这表明过量的氮输入可能会触发一个启动效应，加速有机质的矿化过程，从而抵消其对碳封存的潜在益处。这一发现强调了需要仔细评估高作物生产率与过度施肥对土壤碳库可能带来的不利影响之间的权衡（Fang等人，2020年）。相比之下，总氮含量随着氮肥施用量的增加而逐渐增加。而总磷含量在秸秆覆盖下则表现出单峰模式——起初增加然后下降——这表明碳、氮和磷的循环受到不同调控机制的影响。本研究的一个核心发现是，秸秆覆盖与中等氮肥的联合作用（CTSMN）能够同时改善土壤物理结构，并促进碳和氮的协同富集。这些定量结果不仅证实了将秸秆返回土壤与减少氮肥施用相结合的协同效益，还揭示了其背后的机制：秸秆的加入增强了土壤团聚体的稳定性，提供了养分保护的物理框架，而适量的氮供应加强了植物与微生物之间的相互作用，从而强化了基于生物过程的养分保持机制（Long等人，2023年）。

关于土壤生物性质，秸秆覆盖显著增加了土壤中的微生物生物量（MBC）和微生物生物量氮（MBN）含量，反映了外源碳输入对土壤微生物生长的促进作用。值得注意的是，微生物生物质对氮肥施用量的响应呈现典型的阈值效应：在中等氮肥施用量下，MBC和MBN均达到峰值，随后随着氮肥施用量的增加而下降（图3）。这种模式表明，过量的氮供应可能通过两种机制抑制微生物活动：首先，通过破坏土壤中的碳氮化学计量平衡并干扰微生物代谢稳态；其次，由于高氮浓度导致的渗透压应力，从而直接抑制细胞生理功能（Zhao等人，2025年）。MBC与MBN的比例在所有处理组中都在6到10之间，进一步支持了这一解释。与不覆盖秸秆的情况相比，秸秆覆盖显著增加了MBC与MBN的比例（P<0.05），这表明在碳受限条件下或碳利用效率提高的情况下发生了一定程度的变化（Wang等人，2024年）。然而，在秸秆覆盖的情况下，氮肥施用量并未显著影响MBC与MBN的比例，双向方差分析（ANOVA）也证实氮肥施用及其与秸秆覆盖的交互作用在统计学上不显著。这表明一旦建立了秸秆覆盖，微生物群落能够在氮梯度上保持稳定的化学计量平衡，而没有秸秆覆盖时，系统对氮引起的微生物养分限制变化更为敏感（Yang等人，2024年）。秸秆覆盖与中等氮肥的联合作用（CTSMN）不仅保持了较高的微生物生物量，还实现了碳和氮资源的高效协同利用，表明这种管理策略有助于维护土壤微生物群落的代谢平衡，并为优化农业生态系统管理提供了坚实的生物学基础。

关于土壤中参与硝酸盐还原途径的酶活性，秸秆覆盖和氮肥施用对关键硝化酶产生了相反的影响。秸秆覆盖显著抑制了硝酸还原酶（NR）和硝酸化还原酶（NIR）的活性，而氮肥施用则显著增强了这两种酶的活性。重要的是，NR和NIR对管理措施之间的交互作用反应不同——只有NR的活性受到秸秆覆盖和氮肥施用协同效应的显著影响。这一发现表明，环境因素可能对硝化过程的不同阶段有不同的调节作用。作为硝化过程中的限速酶，NR对碳和氮输入的变化更为敏感，其响应模式部分阐明了秸秆覆盖引起的“抑制硝酸盐和促进铵盐”效应的酶学基础（Akhtar等人，2019年）。相比之下，催化后续步骤的NIR主要受氮素可用性的影响，对外源碳添加的反应相对较弱（Najafi等人，2022年）。这些发现进一步加深了我们对干旱农业系统中氮转化微尺度调控机制的理解。

4.2. 秸秆覆盖和氮肥施用量对土壤碳、氮库及微生物多样性的影响
本研究表明，秸秆覆盖和氮肥管理通过独立和协同的途径共同调节土壤碳和氮库的动态以及微生物群落结构。实现土壤碳和氮的协同增强的最佳管理策略是秸秆覆盖与中等氮肥的联合使用（CTSMN）。这一结论不仅证实了外源有机碳输入在土壤碳封存和氮富集中的基础作用，还强调了碳氮化学计量比（C:N）在调节微生物群落组成和功能分化中的关键重要性（Fan等人，2022年），从而为从微生物学角度理解农业实践如何影响土壤健康提供了理论依据。本研究的一些发现与现有文献一致。例如，秸秆覆盖显著增加土壤碳和氮储存的观察结果与普遍接受的观点一致，即保护性耕作有助于有机质的积累（图4），进一步强化了秸秆返回作为碳封存和减排措施的科学基础（Yang等人，2024年；Li等人，2025年）。然而，本研究也揭示了一些与传统理解相反的现象。值得注意的是，土壤碳储存对氮肥施用量的响应呈单峰模式——最初增加然后下降——这表明过量的氮输入可能会抑制碳积累，这与某些研究认为氮肥施用可线性增强碳封存的观点相矛盾（Wang等人，2023年）。我们认为，适量的氮供应可以缓解秸秆分解过程中的微生物氮限制，促进外源碳的吸收；相反，过量的氮输入可能会触发启动效应，加速稳定土壤有机质的矿化过程，从而降低净碳封存效率（Muhammad等人，2025年）。此外，在秸秆覆盖条件下，碳封存速率并未随氮肥施用量的增加而持续增加，这表明当碳源充足时，微生物群落的碳封存潜力可能受到其功能特征的制约，而不仅仅受氮素可用性的影响（Zhao等人，2016年）。这一见解将碳氮耦合的研究框架从传统的底物化学计量扩展到了微生物功能特征的生态调控。

微生物群落数据为秸秆覆盖和氮肥管理下观察到的宏观响应提供了机制解释。作为大量外源碳输入的秸秆覆盖是塑造土壤微生物群落结构的主要选择压力，并且其影响比氮肥管理更为显著（图5）。细菌和真菌群落对相同处理措施的响应不同：氮肥施用减少了细菌多样性，但有助于真菌多样性的恢复，反映了它们在生态策略上的根本差异。在氮素富集的环境中，细菌群落可能向快速生长、竞争性强的r-策略转变（Dou等人，2023年）；而在碳充足和氮素供应适中的条件下，真菌由于其广泛的菌丝网络及其相关的K-策略特征，能够更好地维持高功能多样性（Shi等人，2025b年）。我们的共现网络分析为这些不同的策略提供了结构证据。在所有处理措施中，细菌网络的节点和链接数量始终多于真菌网络，表明细菌是土壤微生物互作的拓扑核心（图8）。在中等氮肥（N55，N110）条件下，细菌网络表现出更强的小世界特性（更厚的链接、更高的平均度、更高的聚类度；更短的路径长度），有利于快速信号传播和代谢协调——这与r-策略者的行为一致（Sun等人，2020年）。高氮（N220）条件降低了网络直径、介数中心性和模块性，表明结构简化且缓冲能力减弱。对于真菌，中等氮肥抑制了总链接数和平均度，同时增加了负链接比例（例如，在N0条件下为37.3%，而在N220条件下为19.1%），表明即使多样性有所恢复，真菌网络也变得更加竞争性。秸秆覆盖进一步增强了细菌网络的连通性（链接数增加、平均度提高、网络密度增大；模块性降低），促进了有利于碳降解的微生物类型的集成。Zi-Pi分析在秸秆覆盖条件下识别出多个关键物种（芽孢杆菌、普朗科球菌、Paenisporosarcina、Sporosarcina、Phenylobacterium、Novosphingobium），其中芽孢杆菌作为核心物种，尽管其相对丰度较低，但仍主导着网络结构和稳定性。这些细菌的增殖以及腐生真菌Coprinopsis的存在表明，功能上向高效的秸秆分解转变（Bai等人，2026年）。相比之下，秸秆覆盖使真菌网络从密集的小世界结构转变为稀疏、连接松散的模式（链接数和密度减少；路径长度和直径增加），这可能是由于细菌对可溶性碳的竞争。在高氮条件下，丛枝菌根真菌Rhizophagus的优势表明，在碳氮不平衡的情况下，植物依赖菌根共生来获取磷（Dai等人，2023年）——即使在网络连通性较低的条件下也能维持这一功能。

总之，这些发现揭示了秸秆覆盖和中等氮肥在结构上增强了细菌网络，促进了碳的协同降解，而真菌网络变得更加稀疏但仍保留了关键的共生功能。这些微生物层面的动态变化为土壤N?O排放和产量的形成提供了重要的生物学见解。

4.3. 秸秆覆盖和氮肥施用量对土壤N?O排放和作物产量的影响
本研究表明，秸秆覆盖和氮肥施用量通过调节土壤微生物群落结构和功能，共同调控了干旱农业系统中N?O排放的强度和作物产量。秸秆覆盖与中等氮肥的联合作用（CTSMN）被证明是最优的管理策略，能够在不增加温室气体排放的情况下提高作物产量，从而增强土壤生态功能和农业可持续性。本研究的关键发现既巩固了已建立的原则，也挑战了现有的假设。首先，N?O排放峰值在时间上与肥料施用和降水事件同步，累积排放量随氮输入量线性增加——这与氮素可用性驱动硝化和反硝化过程的经典理解一致——进一步证实了高氮输入是农业N?O排放的主要驱动因素。然而，秸秆覆盖对N?O动态的影响更为复杂：在无氮条件下，秸秆覆盖增加了N?O排放，这与一些先前认为秸秆作为物理屏障可以减少气体扩散的报告相矛盾（Ma等人，2022年；Zhang等人，2023年）。这种差异可以通过整合本研究中观察到的微生物群落响应来从机制上解释——具体来说，在缺乏外源性氮的情况下，秸秆提供的碳输入会刺激土壤中天然有机氮的矿化，从而为反硝化作用提供底物；相比之下，当氮一起施用时，秸秆覆盖对N?O排放的缓解效果变得明显，并且与由联合处理形成的特定微生物功能群的富集密切相关。通过整合多维数据集（包括温室气体通量、作物产量和微生物群落组成），本研究填补了理解“碳、氮和微生物”之间的相互作用如何调节干旱地区农业生态系统净环境结果的关键机制空白。对上述结果的全面解释需要整合本研究产生的微生物学证据。CTSMN下“产量增加而排放未升高”的核心机制在于发展了一个功能上优化用于氮保留和高效养分转化的微生物群落。从群落结构的角度来看，秸秆覆盖是细菌和真菌群落基本重组的主要驱动力（Bai等人，2023年）。我们的共现网络分析为这种重组提供了结构证据：细菌构成了土壤微生物相互作用的主干，而在秸秆覆盖下，细菌网络表现出增强的连通性和整合性，而真菌网络则趋向于稀疏、松散连接的配置（Shi等人，2025a）。关键功能类群的变化直接与氮的命运相关。秸秆覆盖显著促进了具有快速碳转化能力的杆菌属（Bacillus）和专性腐生菌Coprinopsis的增殖，加速了秸秆来源的碳和施用氮向微生物生物量的转化。网络分析进一步显示，杆菌不仅是数量上的优势物种，而且在秸秆覆盖下还作为控制细菌网络结构和稳定性的核心关键物种。这减少了施肥后无机氮的短暂积累，从而降低了硝化和反硝化的底物可用性（Chen等人，2024年）。此外，在秸秆覆盖下真菌多样性的恢复，特别是在CTSMN中更为明显，可能促进了有机质的稳定形成和氮的保存（Zhou等人，2024年）。相比之下，在高氮量的常规耕作（CTHN）下，细菌多样性的减少和丛枝菌根真菌Rhizophagus的优势反映了氮的过剩和碳的限制，有利于无机氮转化途径，解释了最高的N?O排放量（Dai等人，2023年）。我们的网络分析证实了这一点：高氮输入简化了细菌网络结构并增加了真菌网络中的负链接。就作物生产力而言，CTSMN下的高产量归因于充足的养分供应和由更加平衡的微生物群落介导的土壤健康状况的改善。由秸秆回收促进的功能多样的微生物群落作为生物调节器，有效分解有机质同时将氮保持在地生物量中或引导其进行完全反硝化为N?（Wu等人，2023年）。以杆菌为首的细菌网络为这种调节功能提供了结构基础，支持了产量提高和排放减少之间的协同作用。因此，即使在氮输入减少的情况下，氮的可用性也得到了优化，提高了作物的氮利用效率（NUE）。最终，土壤条件和养分动态的协同改进提高了整体养分利用效率，使作物能够获取缓慢释放的土壤养分并实现高产量——这展示了耦合生态系统调节的系统效益。本研究还通过引入温室气体排放强度（GHGI）作为综合指标，进一步将环境影响与农艺表现结合起来（Sun等人，2020年）。最显著的发现是CTSMN在环境可持续性和食品生产方面实现了协同增强，将GHGI降低到了与未施肥对照组相当的水平。这一结果挑战了“高投入是高产出的必要条件”以及“环境收益以生产力为代价”的传统范式，代表了可持续农业系统核心目标的“解耦”。4.4. 影响土壤N2O排放和小麦产量的关键驱动因素本研究通过整合相关性分析、冗余分析（RDA）和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）系统阐明了半干旱干旱地区农业系统中N?O排放和小麦产量形成的协同机制。核心发现揭示了土壤物理化学性质与微生物群落之间的显著耦合效应，这两者共同构成了调节生态系统功能变化的基本框架。冗余分析表明，这两个因素组共同解释了目标变量中超过82%的变异，从而验证了所选环境因素的代表性，并强调了非生物-生物相互作用在调节农田生态系统功能中的核心作用。在各种驱动因素中，硝态氮（NO??-N）显示出最高的独立解释能力——这一发现与其作为反硝化关键底物的已知作用高度一致，并与经典氮循环理论相符。值得注意的是，本研究进一步指出，最能预测N?O排放和小麦产量的微生物类群并不是传统的反硝化菌，而是Gaiella（属于放线菌门）和腐生真菌属Coprinopsis。这一观察具有重要的生态意义：Gaiella作为一种典型的寡营养细菌，与小麦产量表现出强烈的正相关，可能反映了其在干旱条件下稳定有机质和持续养分供应的专门功能（Sun等人，2020年）。相反，Coprinopsis与N?O排放之间的正相关表明，真菌介导的氮转化途径可能在干旱土壤中对N?O产生的贡献比以前认为的更大（Dai等人，2023年）。这些结果标志着从化学计量水平上的驱动因素理解向更加细致、以特定微生物群落成员为中心的功能性解释的概念性进步。路径模型进一步阐明了农业管理实践通过“土壤环境-微生物响应”级联作用影响生态系统功能的机制。对于N?O排放，秸秆覆盖和氮肥施用直接产生积极影响，并通过两条以微生物为中心的间接途径起作用。秸秆覆盖引入了外源碳输入并增强了土壤氮库，从而刺激某些细菌群体（例如Solirubrobacter）的活动，同时抑制了特定的真菌群落。这些细菌和真菌集合的不同反应汇聚在硝化还原酶（NR）活性的上调上，最终导致N?O排放增加（Wang等人，2022年）。这一途径强调，与秸秆返回相关的排放风险不仅归因于提供易分解的碳底物，还归因于反硝化相关微生物群落的结构重组（Zhao等人，2025年）。氮肥的影响更直接地与土壤化学条件的变化有关：pH值的降低和无机氮浓度的升高可以通过真菌群落组成的变化直接和间接地增强NR活性。这种双重效应机制解释了为什么氮肥是N?O排放的最强驱动因素——它提供了必要的底物（NO??-N），同时为其转化创造了有利的微生物栖息地，例如在酸性条件下（Shen等人，2023年）。相比之下，小麦产量的形成途径更为复杂。秸秆覆盖的轻微负效应可能源于残留物分解早期阶段微生物对可用养分的固定（Sun等人，2020年）。然而，这一短期缺点被土壤物理性质的长期改善所平衡：秸秆覆盖显著改善了土壤结构，降低了容重并提高了孔隙率和持水能力。这种优化的物理微环境促进了有益微生物如Gaiella的定植和功能表现，建立了“物理改善-微生物调节-产量提高”的关键补偿途径（Li等人，2024年）。这一发现表明，在干旱农业生态系统中，秸秆覆盖的产量促进潜力主要源于其为功能性微生物群落创造物理上有利栖息地的能力，而不仅仅是养分回收。总之，本研究最重要的理论贡献是开发了一个包含“物理-化学-生物”多层次协调的综合概念框架。值得注意的是，它揭示了如何通过优化管理策略（例如，秸秆覆盖结合适度氮肥施用：CTSMN）通过同时改善土壤结构、平衡养分供应和针对性调节功能性微生物群落来实现作物生产力和温室气体减缓的协同收益。这一见解将农业管理从传统的单一因素干预推进到了基于整体生态系统功能的系统方法。尽管如此，这项为期四年的实地实验的结论需要在更长的时间尺度上进行验证。此外，我们对土壤氮转化的评估主要基于NR和NiR，这些仅捕捉了氮循环的还原步骤。要全面了解氮转化网络（包括硝化、反硝化和有机氮矿化），需要额外的酶（例如脲酶、蛋白酶、氨单加氧酶）。因此，我们关于微生物氮循环的发现仅限于硝化还原途径。关键微生物类群的具体代谢作用需要使用组学方法进行更深入的研究。未来的研究还应优先考虑原位微观域观察技术，以揭示“土壤聚集体-微生物-生物地球化学过程”界面的动态相互作用，开发结合微生物功能特征的预测模型，以完善管理建议，并通过跨区域协调实验促进理论到实践的转化，以推动可持续农业创新的规模化。5. 结论基于在甘肃中部黄土高原进行的为期四年的实地实验，我们阐明了秸秆覆盖和减少氮肥施用如何在干旱地区小麦系统中协同调节生态系统功能（图S4）。作物残余物覆盖结合适度氮肥施用（CTSMN）代表了一种优化的管理范式，可实现作物产量增加和N?O排放减少。该策略通过改善土壤物理结构和养分保持能力增强了土壤碳和氮的固定，同时选择性地促进了功能性微生物群落的形成。网络分析进一步显示，细菌构成了土壤微生物相互作用的主干，其中杆菌作为秸秆覆盖下细菌网络结构和稳定性的关键物种。CTSMN显著提高了小麦产量（相对其他处理增加了6.56%-29.61%），同时大幅减少了累积的N?O排放，将温室气体排放强度（GHGI）降低到了与未施肥条件相当的水平。PLS-PM显示，管理对N?O排放和产量的影响是间接的，通过“土壤环境→微生物响应→生态过程”的级联途径发挥作用的。氮肥通过改变土壤pH值和氮的可用性驱动NR活性，成为N?O排放的主要驱动因素。相反，秸秆覆盖通过改善土壤物理结构间接提高了产量，有利于有益种群如Gaiella的定植和功能表达。从实践角度来看，本研究提倡基于三个支柱的综合管理策略：优化土壤结构、实施精准氮肥施用和培养功能性微生物群落——为绿色和可持续的干旱农业提供了可行且可扩展的路径。然而，应当指出，当前的结论来自一个四年的观察期。土壤碳和氮库的长期动态以及微生物群落的稳定演替需要在更长的时间尺度上进行验证。此外，关键功能微生物的具体代谢途径及其对氮循环的定量贡献需要使用组学方法（包括宏基因组学和宏转录组学）以及原位实验进行更深入的研究。未来的研究应优先发展微观尺度原位观察技术，以揭示“土壤聚集体-微生物-生物地球化学过程”界面的动态过程。总的来说，这些努力将促进干旱农业从传统的基于经验的实践向系统的、生态学为基础的可持续管理框架的转变。CRediT作者贡献声明Yao Yao：方法论、正式分析。Mengyin Du：数据管理。Zehua Liu：验证、方法论、调查。Yanhua Lu：方法论、正式分析。Weiwei Ma：资源管理、项目管理、调查、正式分析、数据管理。Guang Li：写作-审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、调查、资金筹措、数据管理、概念化。Jianyu Yuan：写作-初稿、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Zhigang Nie：验证、方法论、调查。