基于长期定位试验解析季节性施氮管理对小麦-玉米轮作系统土壤微生物群落与作物生产力的调控机制

《Frontiers in Plant Science》：Season-specific nitrogen management shapes soil microbial communities and crop productivity in wheat–maize rotation system

　　

基于冬小麦-夏玉米双季种植系统的长期定位田间试验，氮肥后效对土壤-作物协调及微生物功能的调控机制尚不明确。研究人员开展了一项为期两年的田间试验，设置四个处理：CK（小麦季和玉米季均不施氮）、W1M0（仅在冬小麦季施氮）、W0M1（仅在夏玉米季施氮）、W1M1（小麦季和玉米季均施氮）。与不施氮对照（CK）相比，W1M0和W0M1分别使平均年产量提高45.7%和42.2%，而W1M1提高58.6%。平均而言，W1M1产量最高（21.8 t ha^-1），W1M0和W0M1分别达到W1M1产量的91.9%和89.7%。施肥增加了预测的化能异养功能（chemoheterotrophy）丰度。W0M1影响了预测的氮转化功能（nitrogen transformation functions）和真菌类群（fungal guilds）。细菌群落组成的响应强于真菌群落。土壤-作物耦合协调度（coupling coordination degree）随生育期和氮管理模式动态变化。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）揭示，前茬小麦季土壤氮含量解释了后茬玉米土壤理化性质97.5%的方差，是玉米季施氮对应解释力（36.8%）的2.65倍，表明小麦季施氮对土壤-作物协调具有更强的预测后效。综上，季节性氮素协调比总氮投入更为关键；利用小麦季施氮的优异后效作用，可为轮作系统中精准施肥调控提供科学依据。

**论文解读：季节性施氮管理对小麦-玉米轮作系统土壤微生物群落与作物生产力的影响**

**一、研究背景与问题**

冬小麦-夏玉米轮作是华北平原及北方半干旱至半湿润地区最主要的双熟种植模式。为维持高产，该体系中普遍存在过量施氮现象，导致氮肥利用效率（nitrogen use efficiency, NUE）下降、土壤残留养分累积，并引发潜在环境风险。已有研究表明，前期施肥残留的土壤氮可在后续作物中部分回收利用，其回收率因区域和季型而异，表明肥料后效（fertilizer legacy）可对当季之外的作物生产产生贡献。土壤微生物群落是调控农田养分循环和土壤生化过程的关键生物因子，施肥可通过改变土壤理化性质重塑微生物群落结构和生态功能。然而，针对季节特异性施肥在跨季尺度上的遗留效应对小麦季和玉米季土壤微生物群落结构、预测功能以及土壤-作物系统协调性的影响，目前尚缺乏系统认识。基于此，研究人员依托长期定位试验，旨在评估不同季型施氮后效对作物产量、氮效率、土壤微生物群落结构和预测功能的影响，并解析土壤性质、微生物群落与作物生产力之间的关联路径。

**二、研究内容与主要结论**

研究在山西省新绛县白村黄土高原试验站（35.68°N，111.18°E）开展，于2021至2023年进行田间定位试验。供试土壤为雏形土（Cambisol）。试验设置四个处理：CK（小麦、玉米季均不施氮）、W1M0（仅在冬小麦季施氮150 kg N ha^-1）、W0M1（仅在夏玉米季施氮150 kg N ha^-1）、W1M1（两季均施氮，年施氮300 kg N ha^-1），磷钾肥各处理施用量一致。结果表明：与CK相比，W1M0和W0M1分别使平均年产量提高45.7%和42.2%，W1M1提高58.6%；W1M1产量最高（21.8 t ha^-1），W1M0和W0M1分别达其91.9%和89.7%。在减氮50%条件下，单季施氮处理仍可维持较高产量，表明季节间氮素协调比总氮投入量更为重要。施肥处理总体提高了预测的化能异养功能丰度；W0M1处理显著影响预测的氮转化功能和真菌类群。细菌群落组成对施肥后效的响应强于真菌群落。PLS-SEM分析显示，前茬小麦季土壤氮含量可解释后茬玉米土壤理化性质97.5%的方差，其解释力为玉米季施氮（36.8%）的2.65倍，证明小麦季施氮具有更强的后效作用，对土壤-作物系统协调性的驱动更为高效。研究的意义在于，通过揭示季节定向施氮的微生物学响应与后效差异性，为轮作体系中基于季型协调的精准减氮施肥策略提供了理论依据。

**三、主要关键技术方法**

研究基于长期定位试验的田间小区取样。供试土壤样品采集自2022年冬小麦收获期和夏玉米成熟期，取样深度为0–20 cm，用于微生物测序；土壤氮测定在冬小麦季（拔节期、花期、收获期）和夏玉米季（V6、V12、VT、R3、R6）分别采集三层土壤。主要技术包括：土壤总氮（total nitrogen, TN）采用H₂SO₄-H₂O₂消煮-凯氏定氮法测定；16S rRNA基因V4区和ITS1区扩增子经Illumina NovaSeq 6000平台测序；功能预测采用FAPROTAX（原核生物）和FUNGuild（真菌）数据库；土壤-作物系统耦合协调度基于熵权法计算综合指数；PLS-SEM用于解析多变量路径关系。

**四、研究结果**

**4.1 季节氮残留管理对冬小麦-夏玉米产量表现的影响**

不同季节施氮处理显著影响两种作物的产量及其构成要素。2022年，冬小麦产量以W1M1最高（10,040 kg ha^-1），2023年以W1M0最高（10,573 kg ha^-1），与W1M1无显著差异。夏玉米方面，W1M1和W0M1在两个年份均表现较高产量水平，且两者差异不显著。年度产量结果表明，W1M1年均产量最高（21.8 t ha^-1），W1M0和W0M1分别达到其91.9%和89.7%，均显著高于CK。

**4.2 不同季节氮残留处理对土壤-作物系统耦合协调度的影响**

耦合协调度（D）在冬小麦和夏玉米季均呈现出随生育期推进的动态变化。小麦生长季各处理D值总体处于较低水平（D<0.2）。玉米季V6期各处理D值差异明显，至成熟期W1M0处理D值呈下降趋势，在表层（0–20 cm）低于W0M1和W1M1，表明施氮季型影响了土壤氮与作物生产之间的同步协调关系。

**4.3 不同氮效率指标在不同氮残留季节间的差异**

与W1M1相比，W1M0和W0M1的氮偏生产力分别提高83.9%和79.8%，氮回收效率分别提高87.5%和0.8%，氮农学效率分别提高61.4%和51.4%。W1M0和W0M1具有更高的氮偏生产力和氮农学效率，部分原因是其年总氮投入量仅为W1M1的一半。

**4.4 不同季节氮残留处理对土壤微生物α和β多样性的影响**

α多样性分析显示，细菌多样性对施氮季型的响应取决于作物季型和多样性指标。在玉米季，W0M1的细菌Shannon指数显著高于W1M0；Faith系统发育多样性在两种作物季呈现相反规律，小麦季W1M0较高，玉米季W0M1较高。β多样性分析基于Bray-Curtis距离的主坐标分析显示，细菌群落在各施肥处理间呈显著分离，ANOSIM检验R值范围为0.696至1.000；真菌群落分离程度较弱（R=0.176~0.864），表明细菌群落对施氮季型的响应较真菌更强。

**4.5 不同季节氮残留处理对土壤微生物群落组成的影响**

门水平上，小麦季细菌群落以变形菌门（Pseudomonadota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）为主；W1M0处理中厚壁菌门（Bacillota）和放线菌门（Actinobacteriota）相对丰度较高。玉米季所有施肥处理均提高了厚壁菌门相对丰度，W1M0处理中厚壁菌门和泉古菌门（Crenarchaeota）相对丰度较高。真菌群落中，子囊菌门（Ascomycota）在所有处理中均占主导地位（>60%）。属水平上，鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和RB41为优势细菌属，不同处理间各属相对丰度呈现明显的季节性和处理依赖性差异。

**4.6 不同季节氮残留处理对土壤微生物群落功能动态的影响**

FAPROTAX预测表明，与CK相比，各施氮处理普遍提高了化能异养和好氧化能异养功能相关类群的相对丰度，玉米季W1M1处理最高。玉米季中，W0M1和W1M1处理中与反硝化和硝酸盐呼吸相关的类群相对丰度较高，而硝化相关类群在CK和W1M0中较高。FUNGuild预测显示，玉米季W0M1和W1M1处理中丛枝菌根真菌和 ectomycorrhizal 相关类群相对丰度增加。这些功能预测基于分类学推断，代表潜在功能而非实测活性。

**4.7 环境因子与土壤微生物群落的关联**

相关分析表明，不同季节中与产量正相关的微生物门类存在明显反转：小麦季Patescibacteria与产量正相关性最强，玉米季酸杆菌门与产量负相关最强。鞘氨醇单胞菌和溶杆菌属（Lysobacter）在玉米季氮后效处理中富集，并与速效磷正相关。冗余分析显示，pH、全磷和全钾是驱动玉米季细菌群落变异的主要因子，而pH和速效磷主要影响真菌群落的分布。Adhaeribacter和Marmoricola因与养分有效性和产量均呈正相关，被提出可作为候选土壤健康指示生物。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，季节间氮素供给与作物需求的时序匹配比总氮投入量更能决定轮作体系的产量和氮效率；土壤微生物群落对季节性施氮后效存在差异响应，其中细菌群落的响应较真菌更为敏感；季节性氮管理可通过改变土壤理化性质进而驱动预测功能群的变化，化能异养功能的增强与底物有效性提高有关，氮转化相关功能群的改变与氮输入引起的土壤氮循环潜力变化一致。PLS-SEM进一步证实，土壤理化性质是作物生产力最稳定且最强的直接驱动因子（标准化路径系数均大于0.900），细菌群落与土壤理化性质的关联强于真菌群落；小麦季施氮对后茬玉米土壤性质的解释力是玉米季施氮对后茬小麦解释力的2.65倍，凸显了小麦季氮肥施用的后效优势。研究结论认为，不同施氮季型会引起土壤微生物群落组成和预测功能产生季节性变化，且与残留物管理和作物产量密切相关；玉米季施氮富集了变形菌门和芽单胞菌门，而小麦季施氮特异性富集了厚壁菌门和拟杆菌门；Adhaeribacter和Marmoricola可作为跨季节的候选土壤健康指示生物。综上，季节性氮素协同管理优于单纯追求总氮投入量，利用小麦季施氮的优越后效可为轮作系统精准施肥提供科学依据。