《Journal of Agriculture and Food Research》：Integrated Microbiome and Green Technologies for Sustainable Rice Production: Current Advances, Challenges and Future Perspectives
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水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的主粮作物之一，为超过一半的世界人口提供粮食安全。然而，由于气候变化、环境退化、资源枯竭以及传统高投入农业系统的局限性，维持水稻生产正变得日益困难。尽管这些传统做法在历史上促进了生产力提升，但它们也加速了土壤退
水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的主粮作物之一，为超过一半的世界人口提供粮食安全。然而，由于气候变化、环境退化、资源枯竭以及传统高投入农业系统的局限性，维持水稻生产正变得日益困难。尽管这些传统做法在历史上促进了生产力提升，但它们也加速了土壤退化、生物多样性丧失、温室气体排放以及资源利用效率下降，凸显了对更可持续农业方法的需求。为应对这些挑战，绿色技术已成为改善农业可持续性同时维持生产力的有前景策略。这些技术既包括基于微生物的方法，即利用有益的植物-微生物互作来改善养分循环、植物健康与胁迫耐受性，也包括非微生物技术，这些技术通过改进水分管理、精准农业、可再生能源和数字农业系统来提高资源利用效率。近期研究还表明，当这些生物学与工程学方法作为综合生产系统中的互补组成部分而非孤立技术实施时，可持续水稻集约化最为有效。将基于微生物组的创新与精准农艺实践相结合，可以提高养分利用效率、增强气候韧性、减少环境影响，并在多样化的水稻生产系统中支持更高效的资源管理。本综述对用于可持续水稻种植的微生物与非微生物绿色技术的广度进行了全面评估，同时强调未来的关键在于这些互补方法的有效整合，而非其独立应用。该综述基于这样一个前提：微生物因其在整个农业生态系统功能中所扮演的角色而将继续成为可持续农业的核心，而非微生物创新则用于增强、优化和支持这些生物学过程。除了评估它们在提高生产力、资源利用效率和环境可持续性方面的潜力外，本综述还审视了与这些技术相关的权衡、瓶颈和实施挑战。通过识别这些挑战以及新兴机遇，本综述概述了未来的研究重点，并提出一个整合框架，在该框架中，微生物与非微生物绿色技术协同作用，以开发具有韧性、可扩展且气候智慧型的水稻生产系统。文献检索使用Google Scholar、Scopus、Web of Science、PubMed和ScienceDirect进行，检索词涵盖“水稻微生物组”、“微生物组工程”、“水稻生物肥料”、“合成微生物群落”、“微生物生物防治”、“水稻精准农业”、“干湿交替灌溉”、“水稻遥感”、“水稻农业人工智能”以及“水稻生产可再生能源”。未设定固定的出版年份范围，优先采用近期研究以反映领域内当前发展，早期研究则在提供重要背景或确立概念时被纳入。由于这是一篇叙述性而非系统性综述，因此未应用正式的系统综述筛选方案，文献选择主要基于其与本综述范围和主题的相关性。
论文主体内容解读
研究背景与问题提出
水稻是全球半数以上人口的主粮，但其可持续生产正面临气候变化、环境退化和资源枯竭等多重挑战。传统的高投入农业生产模式虽曾大幅提升产量，却也导致了土壤退化、生物多样性丧失、温室气体排放增加和资源利用效率下降等严重问题。现有综述往往将生物干预措施（如微生物肥料）与工程技术（如精准农业）作为独立的领域分别论述，缺乏对两者协同整合的系统性探讨。因此，本研究旨在全面评估微生物与非微生物两类绿色技术在水稻可持续生产中的应用现状，并着重论证二者整合的必要性与可行性，为构建气候智慧型、低碳、韧性的水稻生产体系提供理论框架。
研究方法与技术路径
研究人员通过检索Google Scholar、Scopus、Web of Science、PubMed和ScienceDirect等多个数据库，围绕“水稻微生物组”、“微生物组工程”、“合成微生物群落”、“精准农业水稻”、“干湿交替灌溉”、“人工智能水稻农业”等关键词收集文献，未限定发表年份，优先选取近期研究成果，并以叙述性综述方式进行分析归纳。
主要研究发现
2. 微生物绿色技术
研究人员指出，土壤微生物组从被动背景组分转变为农业生态系统可持续性的主要决定因素。通过固氮、溶磷、有机质分解等过程，微生物调控着水稻生长所需的关键养分。然而，将微生物多样性知识转化为实际应用，需从理解组成转向解析功能。研究强调了植物激素调控机制的重要性，特别是产ACC脱氨酶的根际促生菌（PGPR）可通过降解乙烯前体ACC来缓解干旱、盐碱等环境胁迫对根系生长的抑制，同时诱导抗氧化酶系统清除活性氧（ROS），从而增强植物抗逆性。研究进一步阐述了从单一菌株接种剂向下一代合成微生物群落（SynComs）转变的必然性。SynComs通过组合具有互补代谢功能的微生物，提高了生态稳定性和功能冗余度。例如，由固氮螺菌属（Azospirillum sp.）NL1、固氮菌属（Azotobacter sp.）NL3和慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium sp.）NL2组成的SynComs在盆栽试验中使水稻根际大气氮固定比例（%Ndfa）达到51.6%，显著高于单一菌株处理。另一项田间试验中，含耐铝细菌的SynComs在酸性土壤条件下使水稻单穗产量提升了26.36%。
2.2. 下一代微生物技术
前沿领域已进入基因组工程阶段。研究人员发现，通过CRISPR等工具对植物基因组进行靶向修饰，可改变根系构型和分泌物组成，从而选择性招募有益微生物。同时，基因组编辑微生物（GEMs）的开发使得固氮酶活性、营养增溶等相关基因得以优化。此外，微生物生物防治剂（MBAs）通过抗生素分泌、营养竞争、空间排斥和诱导系统抗性（ISR）等多重机制抑制病害。例如，木霉菌（Trichoderma yunnanense）TM10和解淀粉芽孢杆菌（Bacillus velezensis）等菌株兼具抑病和促生双重功能。为提高菌剂田间存活率，海藻酸盐、壳聚糖等材料制成的微胶囊封装技术以及纳米载体递送系统被证明能有效保护微生物免受干燥、紫外辐射等环境胁迫。
2.3. 基因组辅助微生物组育种
研究人员强调，植物基因型是根际微生物群落组装的主要决定因素。不同水稻品种因根系分泌物差异而影响微生物招募。宏基因组学指导下的SynComs设计正从分类学导向转向功能导向，通过识别与固氮、溶磷、铁载体产生等有益性状相关的功能基因标记来定制菌群。CRISPR-Cas9和标记辅助选择（MAS）等现代育种工具正被纳入微生物组辅助改良策略，旨在培育能与有益微生物高效互作的品种。然而，根系分泌物模式受基因型、发育阶段和环境条件的多重影响，使得这一领域仍处于发展阶段。
3. 非微生物绿色技术
3.1. 数字化转型
研究人员展示了人工智能（AI）、物联网（IoT）和无人机（UAV）如何推动水稻生产从粗放式管理向数据驱动的精准管理转型。搭载多光谱和高光谱传感器的UAV平台可实时监测叶绿素含量、生物量积累和氮素状态。在中国西南地区的两项田间试验中，结合随机森林模型的UAV遥感预测水稻氮营养指数（NNI）的决定系数（R2）达0.70至0.97。归一化植被指数（NDVI）引导的变量施肥系统可将肥料精准投放到缺素区域。数字孪生模型则通过整合宏转录组数据，动态模拟农业系统响应，从而优化管理决策。AI驱动的决策支持系统（DSS）可同步分析土壤微生物活性与养分动态，协调农事干预与根际生物学过程。
3.2. 可再生能源与保护性农业
太阳能灌溉系统（SPIS）替代柴油泵可显著降低碳排放和运营成本。孟加拉国boro水稻的研究显示，SPIS用户的收益成本比（1.313）高于柴油灌溉用户（1.029）。然而，低成本抽水可能引发地下水过度开采风险。干湿交替灌溉（AWD）在全球荟萃分析中被证实可减少47.47%的甲烷（CH?）排放，但氧化亚氮（N?O）排放增加了52.20%。轻度AWD一般维持产量并节约23.4%用水，而重度AWD导致减产22.6%。生物炭的应用不仅增强碳封存和养分保持，还能作为微生物定殖的生物支架。稻壳气化技术则将农业废弃物转化为可燃气体，实现循环利用。激光平地技术在柬埔寨、泰国等国案例中显示出净节能3.0-6.9 GJ ha?1和减排1,151-1,486 kg CO?-eq ha?1的效果。直接播种水稻（DSR）在南亚和东南亚的大规模推广减少了12-35%灌溉用水并降低了高达90%的甲烷排放。
结论与展望
本综述认为，微生物技术与非微生物技术的有效整合是实现可持续水稻生产的关键。水分管理可为微生物定殖创造适宜的土壤湿度与氧气条件；精准农业通过IoT传感器和遥感识别时空变异，优化微生物制剂的施用时机与位点；基因型选择和育种可培育与有益微生物更兼容的宿主品种。然而，这种整合并非总能产生净正面效应，例如强干燥虽提高水分利用效率却可能抑制某些微生物活性，而更高精度的管理需要更多传感器和技术投入。研究人员提出了一个整合框架，其中微生物与非微生物绿色技术协同作用，共同开发具有韧性、可扩展且气候智慧型的水稻生产系统。未来研究应聚焦于克服技术采纳的经济障碍、完善监管标准、加强跨学科合作，并通过政府支持和农民培训确保技术的公平获取与落地应用。
