综合作物残茬管理通过针对不同生长阶段的土壤微生物食物网进行重构，减少了旱地玉米生产中的氮损失

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Integrated crop residue management reduces nitrogen losses by stage-specific restructuring of the soil micro-food web in dryland maize production

氮素管理对土壤微生物食物网及作物生长阶段的影响研究。通过对比有机无机肥料替代方案（OMNPK和CRNPK）与纯合成肥料（NPK）的氮素损失及作物响应，发现CRNPK较NPK减少21%总氮损失，且通过阶段特异性调控土壤微生物群落结构（如硅期细菌多样性增强）实现这一效果。研究发现，微生物食物网结构在不同生长阶段（出苗期、抽穗期、收获期）对氮素损失（氨挥发、一氧化二氮排放、硝酸盐淋失）的预测贡献率（R2=0.68-0.79）存在显著差异，其中出苗期细菌群落占主导，抽穗期和收获期真菌多样性成为关键预测因子。该成果为紫色土区玉米种植的生态友好型氮肥管理提供了机制支撑。

　　本研究探讨了在不同作物生长阶段，土壤微生物食物网如何调控氮（N）动态，并揭示其与季节性氮损失之间的功能联系。研究团队通过评估一项为期21年的田间试验中的四种处理方式：无施肥对照（CK）、合成肥料（NPK）、部分用猪粪替代合成氮的（OMNPK）以及部分用作物残余物替代合成氮的（CRNPK），以深入了解有机-无机综合施肥对氮损失的调控机制。该研究不仅量化了总氮损失，包括氨挥发、氧化亚氮排放和硝酸盐径流与淋溶，还评估了作物表现，并分析了土壤微生物食物网结构变化对这些过程的影响。

在试验的三个关键阶段——幼苗期、吐丝期和收获期，研究团队观察到不同的氮损失模式。总体来看，OMNPK处理的总氮损失与NPK处理相近，分别为50.9和48.3公斤/公顷。而CRNPK处理则表现出显著的氮损失减少，总氮损失降低了21%，即从48.3公斤/公顷降至38.0公斤/公顷。令人惊喜的是，这种氮损失的减少并未导致作物产量的下降，这表明CRNPK处理在维持高产量的同时，有效减少了氮损失。这种平衡的实现，归功于土壤微生物食物网在不同生长阶段的结构变化，使得氮的转化和循环更加高效，从而降低了环境负担。

研究进一步揭示了土壤微生物食物网在不同生长阶段对氮损失的影响机制。在幼苗期，CRNPK处理增强了土壤中拓扑学上重要的细菌类群（以Bacteroidota为主）的多样性，这可能与作物残余物提供的碳源和能量有关。Bacteroidota类群在土壤氮循环中扮演着关键角色，它们的多样性增加有助于促进氮的转化和固定，从而减少氮的挥发和淋溶损失。然而，在吐丝期和收获期，不同处理之间的细菌多样性趋于一致，这可能反映了在作物生长后期，土壤微生物群落趋于稳定，或者不同处理对微生物群落的影响逐渐减弱。

除了细菌的多样性变化，研究还发现，不同处理在不同生长阶段对真菌多样性的影响也存在显著差异。在吐丝期和收获期，真菌多样性成为预测总氮损失的重要因素。真菌在土壤氮循环中同样发挥着重要作用，它们通过分解有机物释放氮，同时还能促进氮的固定和转化。真菌的多样性增加可能意味着其功能更加丰富，从而提高了土壤氮的利用效率，减少了氮的损失。这种真菌主导的氮损失预测机制，为理解土壤微生物群落如何调控氮动态提供了新的视角。

此外，研究还探讨了土壤微生物食物网的结构变化如何影响氮损失的不同路径。在幼苗期，NH?挥发是主要的氮损失途径，而OMNPK处理由于猪粪中尿素的快速水解，导致NH?挥发量显著增加。相比之下，CRNPK处理通过作物残余物的添加，不仅提高了土壤中的有机质含量，还促进了微生物群落的多样性，从而减少了氮的挥发损失。在吐丝期和收获期，N?O排放和硝酸盐淋溶成为主要的氮损失形式，而CRNPK处理通过优化微生物群落的结构，降低了这些损失的发生率。

研究还指出，有机质的添加不仅提高了土壤微生物的生物量，还促进了土壤团聚体的形成，从而物理性地保护了氮素和有机质，减少了其分解和淋溶的可能性。这种机制表明，有机输入能够有效提高土壤的持水能力和结构稳定性，进而减少氮损失。同时，微生物群落的多样性变化也对氮的转化和循环产生了重要影响，尤其是在不同的生长阶段，微生物群落的组成和功能可能发生变化，从而对氮损失产生不同的调控作用。

本研究的发现对于可持续农业管理具有重要意义。传统的合成肥料虽然能够显著提高作物产量，但其过度使用导致了土壤中活性氮的积累，进而引发了环境问题，如水体富营养化、土壤酸化和温室气体排放增加。相比之下，通过部分替代合成氮的有机输入，如作物残余物，不仅能够减少氮损失，还能维持作物产量，这为农业实践提供了新的方向。研究团队认为，这种综合施肥策略有助于实现农业生产的高产与环境保护的双赢。

在研究方法上，团队采用了随机森林模型，对不同生长阶段的总氮损失进行了预测。该模型的预测能力较强，其决定系数（R2）在0.68到0.79之间，表明模型能够较为准确地反映土壤微生物食物网结构变化对氮损失的影响。特别是在幼苗期，TI细菌类群的多样性成为预测总氮损失的主要因素，而在吐丝期和收获期，真菌多样性则成为关键预测变量。这种阶段特异性预测机制，为未来农业管理提供了科学依据，有助于制定更精准的施肥策略。

本研究的成果不仅适用于紫土壤生态系统，还可能为其他类型的土壤和农业系统提供借鉴。紫土壤因其特殊的物理和化学性质，容易受到侵蚀和非点源污染的影响，因此在该地区实施综合施肥策略尤为重要。通过优化土壤微生物群落的结构和功能，可以有效提高土壤的氮利用效率，减少氮的损失，同时维持作物的高产量。这种策略不仅有助于提高农业生产的可持续性，还能改善生态环境质量，促进农业与自然的和谐发展。

研究团队强调，未来的研究需要进一步探索不同有机输入对土壤微生物群落的影响机制，以及这些影响如何在不同土壤类型和气候条件下发挥作用。此外，还需要考虑不同作物生长阶段对氮损失的调控需求，以及如何通过调整施肥策略来满足这些需求。通过更深入的研究，可以为农业可持续发展提供更加全面和系统的解决方案。

综上所述，本研究揭示了综合有机-无机施肥策略在减少氮损失和维持作物产量方面的潜力。通过优化土壤微生物群落的结构和功能，可以在不同生长阶段实现对氮损失的有效调控，从而提高农业生产的环境效益。这一发现为可持续农业管理提供了重要的理论支持和实践指导，有助于推动农业向更加生态友好的方向发展。