在中国南方烟草-水稻轮作系统中，长期施用稻草能够优化土壤微生物功能，提高养分吸收效率，进而改善养分的有效性并提升作物产量

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Optimizing soil microbial functions under long-term straw return enhances nutrient acquisition, thereby improving nutrient availability and crop productivity in tobacco–rice rotation systems of southern China

长期秸秆还田降低土壤速效氮磷含量及作物产量，而添加石灰或秸秆分解剂通过重塑根际微生物群落（如增加腐生真菌比例、抑制病原菌）和激活关键酶促反应（氮/碳获取酶活性提高30%-50%），有效缓解养分限制效应，使烟草增产16.5%，水稻增产4.2%。研究揭示了微生物功能调控在秸秆还田系统养分优化中的核心作用，为可持续秸秆管理提供理论依据。

　　在农业生产中，稻草还田是一项重要的措施，用于提高土壤质量和促进养分循环。然而，长期的稻草还田可能会导致土壤中难分解碳（C）的积累，抑制养分释放和微生物代谢，从而降低土壤的养分可利用性以及作物的产量。为了解决这一问题，研究人员探讨了石灰和分解剂等补充措施的作用，特别是它们对根际微生物群落的影响机制。通过在南方中国的一个长期烟草-水稻轮作系统中进行实地研究，调查了稻草还田（SR）与稻草去除（RM）以及结合石灰（SR + L）和分解剂（SR + A）的处理方式对作物产量、土壤养分可利用性以及微生物养分获取能力的影响。

在烟草生长季节，研究人员利用高通量测序技术对根际微生物的响应进行了系统分析。结果显示，稻草去除和稻草还田两种处理方式在作物产量上没有显著差异，但稻草还田显著降低了土壤中的碳和氮的可利用性，并减少了烟草的干物质和氮积累。相比之下，结合石灰和分解剂的处理方式（SR + L 和 SR + A）能够增强根际养分获取能力。具体而言，SR + L 处理方式使氮获取酶活性提高了 29.6–35.7%，而 SR + A 则使碳获取活动提高了 35.3–49.4%。这两种处理方式不仅提高了烟草和水稻季节土壤中碳和氮的可利用性，还增强了磷的可利用性，缓解了微生物的碳和氮限制，并显著提高了烟草和水稻的产量。

在研究中，研究人员还发现，稻草还田会导致根际微生物群落中关键代谢途径的抑制，包括三羧酸循环、糖酵解以及氮和磷的转化过程。这解释了为何在稻草还田的情况下，土壤的养分可利用性会下降，进而影响作物的产量。然而，生态增强措施能够激活这些代谢途径，优化真菌群落结构，促进分解型真菌的生长，同时抑制病原菌。这种多途径、多元素的功能整合不仅提升了土壤的生态功能和系统稳定性，还识别出了一种关键的微生物核心物种——酸热菌（Acidothermus），该物种与土壤养分可利用性呈显著正相关。

研究结果表明，在长期稻草还田的背景下，养分限制和微生物功能障碍是限制生产力提升的重要因素。通过引入生态增强技术，可以优化根际微生物的生态环境，激活关键的功能微生物和代谢功能，从而促进养分转化和作物养分积累。这不仅为烟草-水稻轮作系统中优化稻草还田管理提供了理论依据，也为精准的生态干预措施提供了实践指导。

稻草还田的养分效应主要依赖于微生物的分解和转化过程。稻草为土壤微生物提供了碳源，刺激了植物生长促进菌（如芽孢杆菌、假单胞菌等）、氮和磷循环微生物以及分解型真菌（如木霉菌、Humicola 等）的繁殖。这些微生物逐渐在作物根际定植，对土壤养分的转化和释放起到了关键作用。然而，持续的高碳输入可能会导致土壤有机碳的积累停滞或减少，抑制微生物的活性和养分转化效率，并引发新碳输入的负向激发效应，最终导致养分固定。难分解的高碳氮比成分（如纤维素、半纤维素和木质素）会逐步积累，而氮则成为限制因素，抑制了纤维素分解微生物和养分循环功能群的活性。这一问题在南方多季作物系统中尤为明显，因为光照和温度条件有限，且作物轮作间隔较短。

在烟草-水稻轮作系统中，水稻收获与烟草移栽之间的间隔不足三个月，导致稻草分解过程延伸至烟草生长季节，加剧了早期季节的养分缺乏。为了分解这些难分解的碳源，微生物会优先吸收土壤中有限的氮和磷，用于合成降解酶、蛋白质和膜磷脂。微生物对氮的吸收可以达到施用氮的 10–25%，直接与作物竞争养分。同时，难分解碳的缓慢分解和可利用碳的供应不足会限制微生物的代谢能量，从而抑制氨化、硝化和磷矿化等过程，减少可利用氮和磷的生成。这导致了更多的氮和磷以有机或微生物结合的形式存在，难以被作物吸收。因此，形成了一个典型的“碳-氮-磷协同限制”负反馈循环：难分解碳的积累、养分竞争的加剧、分解过程的受阻以及养分释放的延迟最终导致土壤养分可利用性的下降和作物产量的降低。

尽管降低稻草还田量或增加化学肥料投入可以部分缓解这一问题，但这些方法在长期应用中难以持续，并可能带来环境风险。因此，深入研究长期稻草还田条件下微生物调控机制对养分循环的影响，以及其对土壤养分可利用性和作物产量的作用，对于优化稻草管理策略具有重要意义。

生态增强技术为解决这一问题提供了一条可行的路径。在高碳氮比难分解碳的分解过程中，有机酸的积累会导致土壤酸化。在稻草还田系统中，石灰的应用可以中和酸性，提高可交换阳离子的浓度，从而缓解酸性对微生物活性和碳-氮矿化过程的抑制作用，改善微生物的生存环境，并增强酶活性和养分循环功能。然而，长期施用石灰可能会导致土壤压实，并改变微生物群落结构，呈现出“短期有效但长期退化”的趋势。相比之下，分解剂富含能够分解纤维素、半纤维素和木质素的活性微生物群落，能够加速稻草的分解和养分释放。这些分解剂已被纳入国家示范项目，并在农业生产中广泛应用，显示出稳定和可持续的效果。

尽管这些措施在多次研究中被证明可以缓解稻草还田条件下养分循环的限制（碳、氮和磷），但其背后的机制仍不明确。特别是，关于它们对功能微生物类群及其相关代谢途径的系统性影响，仍缺乏深入研究。明确生态增强技术如何重塑稻草还田条件下的根际微生物群落和代谢途径，将为开发高效且稳定的农业技术系统提供理论支持，从而促进土壤养分的协调释放和作物对养分的吸收。

基于上述研究背景，本研究在中国东南部的一个长期烟草-水稻轮作试验田中开展，该试验田自 2003 年起持续实施稻草还田管理。研究期间（2020–2021 年）设立了四种处理方式：稻草去除（RM）、连续稻草还田（SR）、稻草还田结合石灰（SR + L）以及稻草还田结合分解剂（SR + A）。研究旨在回答三个核心问题：（1）长期的常规稻草还田是否会导致养分可利用性的下降，并与微生物代谢功能的限制相关？（2）生态增强技术是否能够提升土壤养分可利用性以及作物的养分吸收和积累？（3）不同处理方式之间的差异是否源于根际微生物群落和代谢途径的重组？研究假设表明，在烟草生长季节引入生态增强技术可以优化根际微生态环境，激活关键功能微生物和代谢功能，从而促进养分转化和作物养分积累，最终巩固烟草季节的微生物功能基础，并推动整个烟草-水稻轮作系统的生产力协同提升。

本研究的成果不仅为优化稻草还田管理提供了理论依据，还为缓解土壤养分可利用性的下降和推动高效、可持续的农业系统提供了实践指导。通过揭示长期稻草还田下微生物功能障碍与养分限制的耦合机制，研究强调了关键微生物群落和核心物种在生态修复和产量提升中的重要作用。这些发现为农业生态系统的可持续发展提供了重要的科学支持。