青藏高原绿肥与麦秆联合还田协同地上光合生产力与地下土壤有机碳储量提升春小麦产量

《Plants》：Combined Return Synergizes Aboveground Photosynthesis and Subsurface Soil Organic Carbon Stock to Boost Spring Wheat Yield in the Qinghai–Tibet Plateau

　　

青藏高原是全球高原生态系统的关键组成部分，但绿肥与小麦秸秆联合还田（combined return）下，地上光合生产力与地下土壤有机碳储量（soil organic carbon stock）增加之间的协同增产机制尚不明确。基于2021年建立的田间试验，设计了4个处理：绿肥还田（green manure return, G）、秸秆还田（straw return, W）、联合还田（combined return, GW）和不还田对照（no-return control, N），以系统研究还田方式对春小麦光合特性、碳循环功能基因和籽粒产量的影响。所有还田处理均显著提高春小麦产量、干物质积累和产量构成因子，其中GW处理效果最显著。还田处理还提高了净光合速率（net photosynthetic rate, Pn）、气孔导度（stomatal conductance, Gs）、蒸腾速率（transpiration rate, Tr）和叶绿素含量，同时降低了胞间CO₂浓度（intercellular CO₂ concentration, Ci）。秸秆还田提高了细菌群落均匀度；GW处理增加了微生物β多样性，富集了绿弯菌门（Chloroflexi）和镰刀菌属（Fusarium），构建了功能互补的微生物群落。绿肥还田提高了cbbS基因的群落丰富度，而秸秆还田降低了ppdK基因的群落均匀度；不同还田物料定向重塑了碳循环微生物群落。rbcL主要归属于慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）；korA、ppdK和sdhA主要由类诺卡氏菌属（Nocardioides）携带；Amaricoccus是携带cbbS的优势属，而黄杆菌属（Flavobacterium）在携带accA和gapA的群落中占优势。共现网络分析表明，单独绿肥或秸秆还田形成了聚类系数高、路径长度短的紧密网络，由Rokubacteriota和Dormibacteriota主导；GW网络表现出较低的平均度和较短路径长度，Saccharimonadales取代原有优势类群，形成具有低冗余和高效率特征的模块化结构。所有处理的土壤有机碳储量均增加，其中GW处理增量最大。综上，绿肥与小麦秸秆联合还田通过增强地上光合性能和优化产量构成因子提升春小麦产量，同时激活地下碳循环功能基因、重构微生物共现网络并促进土壤有机碳积累。

青藏高原绿肥与麦秆联合还田协同地上光合与地下碳库提升春小麦产量——机制解读

一、研究背景与科学问题

青藏高原是全球高原生态系统的代表性区域，春小麦（Triticum aestivum L.）是该地区仅次于青稞（Hordeum vulgare L.）的第二大粮食作物，对区域粮食安全具有重要支撑作用。作物秸秆作为主要农业副产物，传统处理方式造成资源浪费和环境污染。已有研究表明，引入绿肥可通过多茬或轮作促进禾谷类作物生长，增强光合同化物积累并向籽粒高效转运，从而提升产量；豆科绿肥凭借与根瘤菌的共生固氮作用具有突出的氮素保育能力。然而，豆科绿肥C/N比较低，翻压后快速分解矿化易引起养分损失，并刺激土壤微生物消耗原生土壤有机碳。相比之下，禾本科秸秆C/N比较高，秸秆还田可提升土壤有机碳含量并改善理化性质，但分解过程中微生物会消耗大量氮素，产生微生物与作物之间的氮竞争。因此，将豆科绿肥与禾本科秸秆联合还田，可更好地调节还田有机物料的C/N比，相对于单一物料还田可获得更优的土壤培肥效果，从而有效促进作物增产。然而，在青藏高原高寒农田中，联合还田条件下“土壤—微生物—植物—产量”之间的级联关系尚缺乏系统阐释；已有研究多聚焦单一物料还田的增产效应或其对单个地上或地下系统的影响，地上—地下协同驱动小麦增产的机制仍不清楚。

二、研究内容与总体结论

研究人员依托2021年在青海省西宁市青海大学农林科学院试验田（36°43′22″ N，101°44′57″ E，海拔2314 m）建立的田间定位试验，设置绿肥还田（G）、秸秆还田（W）、联合还田（GW）和不还田对照（N）4个处理，系统测定了春小麦光合参数、干物质积累、产量构成因子、土壤有机碳储量、土壤细菌和真菌群落以及碳固定与碳代谢功能基因等关键指标。结果表明：所有还田处理均显著提高春小麦产量和干物质积累，其中GW处理效果最佳；还田处理提升了叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和叶绿素含量，同时降低胞间CO₂浓度；还田处理还提高了土壤有机碳储量，GW处理增幅最大。GW处理通过富集绿弯菌门和镰刀菌属等功能互补微生物类群，定向重塑碳循环功能微生物群落，并将固碳微生物共现网络从松散扩展型转变为紧凑模块化结构。相关分析表明，胞间CO₂浓度、korA基因丰度和土壤有机碳储量是驱动产量变化的关键因素。研究揭示了联合还田通过“地上光合性能增强—产量构成优化”与“地下碳循环功能基因激活—微生物网络重构—有机碳积累”双向协同促进春小麦增产的机制路径，为青藏高原农田可持续管理提供了理论依据。

三、主要研究方法

本研究基于2021年在青藏高原青海大学农林科学院试验田建立的田间小区试验，供试土壤为栗钙土，设置了绿肥还田（G）、秸秆还田（W）、联合还田（GW）和不还田对照（N）4个处理，每处理3次重复，共12个小区，小区面积16 m2。氮肥用量为135 kg N·ha^?1，基追比为4:1。研究人员在春小麦灌浆期利用便携式光合仪（LI-6400XT）和叶绿素计（SPAD-502）测定旗叶光合参数和相对叶绿素含量；土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定，并基于土壤容重计算有机碳储量；土壤总DNA提取后构建paired-end文库，采用宏基因组高通量测序获得物种和功能基因信息，并借助NR和KEGG数据库注释碳固定相关功能基因及其宿主微生物类群。数据分析采用单因素方差分析、Kruskal–Wallis秩和检验、NMDS分析、Spearman共现网络分析、Mantel检验和随机森林模型等方法。

四、研究结果

3.1 秸秆还田下作物产量、产量构成因子和干物质积累

与对照N相比，GW、G、W处理的籽粒产量分别显著提高30.44%、23.06%和10.59%（p < 0.05），干物质积累分别增加34.19%、15.81%和18.22%（p < 0.05）。各还田处理均改善了穗粒数、穗数和千粒重，其中GW处理的穗粒数、穗数和千粒重分别提高24.86%、21.30%和34.98%，表现为最优的增产效果。

3.2 叶片光合生理指标

还田处理显著提高了春小麦旗叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和SPAD值，并降低了胞间CO₂浓度。与对照N相比，GW、G、W处理的Pn分别提高10.83%、6.35%和4.11%，Gs分别提高7.53%、4.62%和2.62%，Tr分别提高4.20%、3.00%和1.52%，SPAD值分别提高66.67%、41.34%和42.54%，而Ci分别降低3.04%、2.02%和1.12%（p < 0.05）。这些结果表明联合还田能有效增强光合碳同化能力。

3.3 土壤有机碳及其储量

2022—2025年连续测定显示，各还田处理下土壤有机碳含量和储量均呈逐年增加趋势。与N处理相比，GW、G、W处理的平均有机碳储量分别显著提高37.65%、19.46%和17.96%（p < 0.05）。还田处理对土壤容重无显著影响，说明有机碳储量的差异主要由有机碳浓度变化驱动，GW处理取得最高的有机碳含量和储量。

3.4 土壤细菌和真菌群落

秸秆还田显著降低了细菌群落Simpson指数，使群落均匀度下降，这有利于加速秸秆分解和养分周转。NMDS分析显示，还田处理显著改变了土壤细菌和真菌群落结构：细菌群落中GW处理与N处理差异最大，真菌群落则呈现从N到GW的梯度分化。GW处理显著富集了绿弯菌门（Chloroflexi）、链霉菌属（Streptomyces）、镰刀菌属（Fusarium）和毛壳菌属（Chaetomium），形成功能互补的微生物群落；G和W处理分别选择性富集嗜氮微生物和难降解碳降解菌，而N处理以寡营养微生物为主。共现网络分析发现，细菌网络比真菌网络更紧密，具有更高的平均度和更短的平均路径长度，Candidatus Defluviilinea和Nitrospira为细菌网络核心节点，真菌网络则由Fusarium和被孢霉属（Mortierella）主导。

3.5 土壤固碳和碳代谢功能基因

绿肥还田显著提高了cbbS基因的Chao1指数，表明绿肥输入增加了易利用碳和氮含量，扩展了生态位，促进了稀有自养固碳微生物的增殖；秸秆还田显著降低了ppdK基因的Simpson指数，说明适应秸秆碳源的少数类群成为优势种，降低了群落均匀度。秸秆还田使por基因丰度显著增加33.80%，联合还田使cbbS基因丰度显著增加46.71%。不同功能基因的优势宿主属存在明显差异：rbcL以慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）为优势宿主，korA、ppdK和sdhA主要由类诺卡氏菌属（Nocardioides）携带，Amaricoccus是携带cbbS的优势属，黄杆菌属（Flavobacterium）在携带accA和gapA的群落中占优势。共现网络分析显示，W和G处理的网络具有较高的平均聚类系数和较短的平均路径长度，主导类群为Rokubacteriota和Dormibacteriota的未培养类群；GW网络的网络直径和平均度更低、平均路径更短，Saccharimonadales成为优势类群，形成低冗余、高效率的模块化结构。差异分析表明，不同还田处理在多个门水平上对korA、ppdK、gapA、sdhA、rbcL、accA基因的宿主丰度产生显著影响。

3.6 微生物群落与碳循环功能基因及产量的相关性

Mantel检验显示，gapA基因丰度与土壤有机碳储量、净光合速率、胞间CO₂浓度、气孔导度、蒸腾速率、SPAD值和干物质积累呈极显著正相关（p < 0.01）；ppdK基因丰度与Ci、Tr和SPAD显著正相关（p < 0.05）；细菌总丰度与蒸腾速率显著正相关。随机森林模型进一步表明，Ci、korA基因丰度和土壤有机碳储量是驱动春小麦产量变化的关键因子（p < 0.01）。

五、讨论与结论

讨论部分指出，联合还田通过将高C/N比的秸秆与低C/N比的绿肥混合，将物料C/N比调节至有利于微生物分解的范围，既缓解了单独秸秆还田引发的微生物氮竞争，又弥补了单独绿肥还田后期养分供应不足的缺陷，这是GW处理增产效果最优的重要原因。GW处理创造了碳氮耦合的微环境，同时提供易分解碳源和氮源，从而定向富集功能互补的微生物类群。不同功能基因与其优势宿主属之间的对应关系，揭示了多条碳固定和碳代谢途径（如Calvin–Benson–Bassham循环、还原性TCA循环、甘油醛-3-磷酸脱氢酶途径等）在土壤碳循环中的差异化微生物学执行机制。研究也指出了局限性：功能基因分析仅基于相对丰度而未进行绝对定量，光合和功能基因数据仅来自单一生长季，且未直接测定作物生物量和根系碳输入，未来需结合多年定位试验、绝对定量手段以及冬季冻融过程的观测进一步验证。

研究结论可概括为：秸秆还田改善了细菌均匀度，联合还田增加了微生物β多样性，富集了绿弯菌门和镰刀菌属，构建了功能互补的微生物群落；绿肥还田显著提高了cbbS基因的Chao1指数，秸秆还田降低了gapA基因的Simpson指数。联合还田整合了绿肥和秸秆单独还田的优势，在穗数、穗粒数、千粒重和产量上取得最大增幅，同时缩短了固碳微生物网络的直径和平均路径长度，使其从松散扩展型转为紧凑模块化结构，并提高了净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、叶绿素含量和土壤有机碳储量。该研究从地上光合生产力和地下土壤有机碳库协同的角度，阐明了联合还田的增产与固碳机制，为青藏高原农田的可持续管理提供了科学依据。