优化氮肥与豆科绿肥管理能够提升土壤微生物网络的复杂性以及小麦的产量

《Applied Soil Ecology》：Optimizing nitrogen and legume green manure management enhances soil microbial network complexity and wheat productivity

【字体：大中小】 时间：2026年07月19日 来源：Applied Soil Ecology 5.6

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　　摘要合理管理豆科绿肥与氮肥能够提升土壤生物健康状况，为可持续作物生产提供支撑，但二者相互作用如何改变土壤微生物群落及网络结构至今尚不明确。我们推测，减少30%的氮肥用量并结合多种豆科绿肥使用，可通过提升养分含量、酶活性以及微生物网络复杂性来改善土壤质量并提高小麦产量。为此，我们开

摘要

合理管理豆科绿肥与氮肥能够提升土壤生物健康状况，为可持续作物生产提供支撑，但二者相互作用如何改变土壤微生物群落及网络结构至今尚不明确。我们推测，减少30%的氮肥用量并结合多种豆科绿肥使用，可通过提升养分含量、酶活性以及微生物网络复杂性来改善土壤质量并提高小麦产量。为此，我们开展了分区田间试验，设置两种氮肥施用水平（225千克氮/公顷，N2；158千克氮/公顷，即减少30%，N1），以及两种绿肥处理方式（普通野豌豆单种，CV；普通野豌豆与毛叶野豌豆混种，CV×HV）。试验结果表明，与N2CV相比，N1CV×HV处理能提高表土有机碳、总氮、有效氮以及脲酶活性。较高的脲酶活性意味着更强的氮矿化能力，而某些关键细菌门类（如变形菌门和黏液球菌门）的增加则可直接参与氮转化，通过微生物分解间接提升氮的有效性，进而促进有机物分解和氮循环。N1CV×HV处理还增强了氮代谢途径，可能使网络复杂性提升，从而促进氮转化。这些微生物结构的优化以及网络复杂性的增加共同提升了土壤氮供应量和小麦产量，使得在N1CV×HV处理下的土壤质量指数和小麦产量显著高于N2CV处理组。综上，减少30%的氮肥用量并结合多种豆科绿肥使用，可通过提升土壤养分和细菌网络复杂性来增加小麦产量。本研究为如何通过综合养分管理打造更健康、更高产的土壤，以实现谷物生产的可持续集约化提供了机制层面的见解。

引言

通过生态友好的管理措施，如结合使用豆科绿肥和科学施用氮肥，维护农业生态系统的土壤健康与肥力，是实现可持续作物生产的基础（Duan等，2024；Chen等，2025a，2025b）。虽然绿肥在改善土壤理化性质和提升养分供应方面的农学效益已有充分研究（Liu等，2026a，2026b，2026c；Qiu等，2025），但当仅使用单一物种时，由于养分释放速度与作物需求不同步，其效果可能会受到限制（Han等，2026）。而采用多种绿肥混种，尤其是豆科绿肥混种，有望调节养分释放节奏，增加有机质投入的多样性，进而提升养分利用效率（Cheng等，2025；Zhao等，2026a，2026b）。同时，减少过量矿物氮肥的施用也至关重要，因为过高的氮肥施用率会破坏土壤结构，加速有机物矿化，简化土壤微生物网络，从而降低土壤质量并影响农业生态系统的稳定性（Zhang等，2026；Wang等，2024a，2024b）。

这些管理措施影响土壤功能的关键机制在于重塑土壤微生物结构，尤其是细菌之间的相互作用网络。这类共存网络对养分循环和土壤健康起着核心作用，其复杂程度和连通性直接反映了微生物群落的机能强度及对干扰的抵御能力（Long等，2025a，2025b；Cornell等，2023）。通过绿肥混种引入多种有机物质，可以改变这些微生物间的相互作用，提升网络复杂性（Huang等，2025）。然而，特定绿肥混种与减氮措施共同作用对土壤细菌网络的结构和功能特征的影响，以及这些微生物变化如何进一步提升土壤整体质量和作物产量，目前仍缺乏深入理解。明确这一机制对于设计出能够打造生物活性强、生产力高的土壤的管理措施具有重要意义。

在青藏高原这样的特殊农业生态系统中，这一知识缺口更为突出，因为该地区一年只有一個种植季，收获后仍有剩余资源可用于种植绿肥等覆盖作物。数十年来对化学肥料的依赖已经导致土壤状况恶化、产量停滞，因此亟需可持续集约化的发展策略。从概念上而言，我们认为综合管理措施（减氮+豆科绿肥混种）可通过以下路径提升土壤功能：增加的有机质投入会提升土壤养分的可用性和酶活性，进而促进更复杂、更紧密的细菌共存网络形成，最终提高土壤质量指数和作物产量。所选择的30%氮肥减量水平是基于以往的研究结果确定的（Liu等，2026a，2026b，2026c；Wang等，2025a，2025b）。此外，在施加绿肥的情况下，传统的氮肥施用率已经超过了小麦生产的最佳水平，而减少30%的氮肥用量能够在保持或提高产量的同时，降低环境中的氮素流失（Liu等，2025a，2025b）。

我们提出如下假设：减少30%的氮肥用量，并结合普通野豌豆与毛叶野豌豆的混种处理，能够提升土壤养分储存量和关键酶的活性，进而形成更复杂、更紧密的细菌网络，最终使土壤质量和小麦产量优于传统管理方式。具体而言，我们验证了以下预测：（1）综合处理组（N1CV×HV）的土壤有机碳、有效氮以及脲酶活性将显著高于传统对照组（N2CV）；（2）该处理组中关键细菌门类的相对丰度会增加，细菌共存网络的复杂性也会提升；（3）这些变化将体现为更高的土壤质量指数和小麦籽粒产量。为验证这些预测，我们开展了为期两年的分区田间试验。本研究旨在揭示综合养分管理如何提升土壤生物质量与作物产量，为高原地区及类似地区的可持续农业发展提供科学依据。

章节节选

试验地点

该田间试验于2022年至2023年在中国青海省莫家庄的青海大学农林科学院试验站进行（纬度36°56′北，经度101°74′东）。该地属于高原大陆性干半湿润气候带，年平均气温为6.12℃，年降水量为494.2毫米，全年日照时数约为2470小时。该地的土壤被归类为栗色土，其初始的理化性质为

土壤理化性质

在0–20厘米的表土层中，氮肥施用量与绿肥处理方式之间对土壤容重、pH值、总磷、总钾、有效磷和有效钾均无显著交互作用（见表5）。单独的氮肥施用水平（N1与N2）也对这些性质没有显著影响。不过，不同的绿肥处理方式则产生了显著效应。与普通野豌豆单种处理相比，混种处理

优化氮肥与绿肥施用可提升土壤质量

生态系统生产力和可持续性直接受土壤理化性质及酶活性的影响，而这些指标正是衡量土壤健康与肥力的重要依据（Tang等，2025）。我们的研究结果显示，氮肥减量与豆科绿肥混种处理对表土（0–20厘米）中的土壤有机碳、有效氮和总氮存在显著交互作用。这些易分解的碳和氮含量的增加很可能

结论

在这项在青藏高原开展的为期两年的田间研究中，相比传统管理方式（N2CV），减少30%的氮肥用量并结合普通野豌豆与毛叶野豌豆混种的处理（N1CV×HV）能够提高表土的有机碳、总氮、有效氮以及脲酶活性。这种综合管理措施还增加了有益细菌门类（如变形菌门和黏液球菌门）的丰度，提升了微生物网络复杂性，这些变化共同推动了土壤质量的提升和小麦产量的增加。网络复杂性与

CRediT作者贡献说明

胡法龙：撰写——审阅与编辑、方法学、正式分析、概念构建。张明龙：撰写——初稿、数据整理。卢昊：软件应用。范志龙：正式分析。尹文：方法学。范鸿：项目管理。何伟：可视化处理。孙雅丽：方法学。柴强：资金获取。韩梅：概念构建。曹卫东：方法学、资金获取。

利益冲突声明

我们声明， ourselves没有任何可能与本研究存在利益冲突的商业或关联利益。

致谢

我们感谢以下项目提供的研究资助：甘肃省关键科学技术计划（编号24ZD13NA019）、中国国家重点研发计划（编号2021YFD1700204）、中国农业研究系统（编号CARS-22-G-12）、甘肃省青年科技人才扶持计划（编号LYYC-2025-05），以及甘肃农业大学》伏羲青年人才基金（编号Gaufx-05Y09）。

中国甘肃省兰州市730070，干旱区作物科学国家重点实验室

摘要

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