本研究由Shuyu Huang、Xue Gao、Li Zeng、Meiling Zhang、Liyu Zhang、Shiyu Wang、Yuanzheng Zhao、Wei Zhou和Chao Ai*共同完成，通讯作者为Chao Ai。作者团队来自中国农业科学院农业资源与农业区划研究所（State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China）、农业农村部植物营养与肥料重点实验室（Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer）、西藏农牧科学院农业资源与环境研究所（Institute of Agricultural Resources and Environment, Tibet Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences）以及西南大学资源与环境学院（College of Resources and Environment, Southwest University）。研究成果发表于2024年2月的《Soil & Tillage Research》期刊（Volume 239, Article 106037）。

学术背景

该研究属于土壤微生物生态与农业养分管理交叉领域，聚焦秸秆还田（straw return）与氮肥施用（nitrogen fertilization）对土壤-植物系统碳氮分配的微生物驱动机制。全球每年产生约40亿吨作物秸秆，秸秆还田虽能提升土壤肥力（如全球农田土壤有机碳含量平均增加14.9%），但其高碳氮比（C/N）特性会引发微生物与作物对氮素的竞争，抑制秸秆养分的持续释放。传统实践中，秸秆与氮肥配施可缓解这一限制，但氮肥如何通过调控微生物群落促进秸秆源氮（straw-derived nitrogen）向作物转移的机制尚不明确。本研究通过13C/15N双标记玉米秸秆的小麦盆栽实验，旨在：（1）解析氮肥调控下秸秆源碳氮在土壤-植物系统中的分配规律；（2）阐明微生物群落组成、功能及互作网络在秸秆养分释放与转移中的作用。

实验设计与方法

研究采用四处理随机区组设计： 1. S0N0：无秸秆无氮肥（对照） 2. S0N1：仅施氮肥（尿素，0.15 g N/kg土） 3. S1N0：仅添加13C/15N双标记玉米秸秆（0.5%质量比，相当于田间9000 kg/ha） 4. S1N1：秸秆与氮肥配施

核心实验流程： 1. 样品制备： - 土壤采集：河南原阳钙质冲积土（Calcaric Fluvisol），pH 8.7，有机质10.5 g/kg。 - 标记秸秆制备：玉米幼苗通过13C-CO2（98 atom%）和15N-(NH4)2SO4（60 atom%）标记45天，粉碎后13C丰度95.05%，15N丰度48.55%。

1. 盆栽实验：

   • 预培养土壤后，每盆装土600 g，按处理添加秸秆/氮肥。
   • 种植小麦（品种MY94-9），在人工气候室培养60天，保持40%-60%田间持水量。
   • 于第7、14、30、60天破坏性采样，共获取64份植物和土壤样本（4处理×4重复×4时间点）。

2. 分析测定：

   • 植物与土壤理化：测定地上部生物量、总碳（TC）、总氮（TN）、溶解性有机碳/氮（DOC/DON）、微生物量碳/氮（MBC/MBN）、矿质氮（NO3–-N/NH4+-N）。
   • 同位素追踪：通过质谱（Isoprime 100）分析13C/15N在植物-土壤系统中的分配，计算秸秆源碳氮的六种去向（如植物吸收、土壤残留、损失等）。
   • 微生物群落：
     • 高通量测序：细菌16S rRNA基因（V3-V4区）和真菌ITS区扩增子测序（Novaseq 6000平台），使用SILVA和UNITE数据库注释。
     • 功能预测：FAPROTAX工具预测细菌代谢功能（如纤维素分解、氮循环）。
     • 共现网络：基于分子生态网络分析（MENA）构建微生物互作网络，识别关键类群（如模块枢纽、连接器）。

3. 数据分析：

   • 采用PLS-PM（偏最小二乘路径模型）解析氮肥-微生物-碳氮分配的因果关系。
   • 随机森林回归（RandomForest）筛选处理特异性生物标志物（biomarkers）。

主要结果

1. 作物生长与养分分配：

   • S1N1处理的小麦生物量较其他处理增加16.69%-43.82%，且秸秆源氮向植物的转移量是S1N0的1.92倍。
   • 氮肥配施下，土壤矿质氮（NO3–-N/NH4+-N）早期较高但随时间下降，而后期MBN和DON显著积累（图2a），表明持续供氮潜力。

2. 微生物群落动态：

   • 群落结构：S1N1显著富集放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和子囊菌门（Ascomycota），其绝对丰度在14天达峰值（图5a,b）。
   • 生物标志物：早期以Micrococcaceae、Kocuria等5种细菌和Schizothecium等2种真菌为主；后期群落多样性更高（图5c,d）。
   • 功能预测：S1N1中纤维素分解（cellulolysis）、几丁质分解（chitinolysis）和氮循环（nitrite respiration等）功能基因丰度最高（图6）。

3. 微生物互作网络：

   • S1N1网络复杂度最高（节点数、连接度、模块枢纽数22个），关键类群包括梭菌属（Clostridium）等纤维素降解菌和氮循环菌（图7d）。

4. 驱动机制：

   • PLS-PM显示，氮肥通过调控细菌群落（而非真菌）主导秸秆源碳氮分配（路径系数0.86），其中土壤碳库（MBC+DOC）和氮库（MBN+DON）是关键媒介（图8）。

结论与意义

本研究揭示： 1. 科学价值：首次阐明氮肥通过激活特定微生物类群（如Actinobacteria）及其互作网络，促进秸秆源氮向作物转移的多级驱动机制，为土壤-微生物-植物协同调控提供理论框架。 2. 应用价值：秸秆与氮肥配施可优化农田养分管理，尤其在中国北方小麦-玉米轮作区（贡献全国47%秸秆量），建议进一步优化氮肥用量以平衡增产与生态效益。

研究亮点

1. 方法创新：结合13C/15N同位素示踪与高通量测序，实现秸秆养分去向与微生物功能的同步解析。
2. 发现新颖性：鉴定出Pontibacter、Kocuria等新的秸秆降解相关生物标志物，并揭示其时间演替规律。
3. 网络分析：首次量化氮肥对微生物共现网络复杂度的提升效应，阐明模块枢纽（如Clostridium）在养分循环中的核心作用。