南京农业大学周杰团队揭示作物多样化促进土壤微生物固氮新机制
检索: 刘贺埕 编译/责编: 孙宜飞 统筹: 邵瑞鑫
在全球气候变化与集约化农业背景下，如何提高土壤有机氮储量是实现气候智能型农业的关键。虽然微生物源氮构成了土壤有机氮的重要储库（占稳定有机氮的40.5%以上），但在多样化种植系统中，驱动其产生和持久存在的微观生态机制仍不明确。针对这一科学问题，南京农业大学农学院周杰团队在《Agriculture, Ecosystems and Environment》发表了题为“Crop diversification drives microbial-mediated nitrogen accumulation via fungal necromass stabilization”的研究论文。该论文的共同第一作者为刘春燕和张贵鑫，通讯作者为周杰。本研究依托长达43年的长期定位试验，巧妙结合氨基糖生物标志物与¹⁸O-H₂O稳定同位素示踪技术，深度解析了作物多样化对微生物生命-死亡动态的调控作用，为通过优化种植制度提升农业生态系统氮素固持能力提供了明确的机制路线图。
本研究依托始于1981年的江苏南通薛窑市长期定位试验基地（长达43年）。研究设置了两种种植制度：（1）常规系统：传统的小麦-水稻双季连作；（2）多样化轮作系统：实施“大麦/棉花（第一年）-小麦/水稻（第二年）-蚕豆/玉米（第三年）”的三年六熟制复杂轮作。研究团队在冬小麦收获期分别采集了0-15 cm和15-30 cm深度的土样，利用¹⁸O-H₂O 稳定同位素定量示踪技术测定微生物的生长速率和氮利用效率（NUE），并运用气相色谱法测定氨基糖（如氨基葡萄糖、氨基半乳糖等生物标志物）以精准量化真菌和细菌的残体氮。同时结合磷脂脂肪酸（PLFA）全面评估了土壤理化性质、微生物生物量及群落结构的演变，以明确多样化种植下残体累积的生物地球化学路径。
1.作物多样化显著提升微生物生长速率与氮利用效率
长达43年的田间数据表明，与常规的小麦-水稻连作相比，多样化种植系统通过优化底物碳氮化学计量比和提供连续丰富的根系分泌物（特别是引入豆科植物的生物固氮作用），极大地缓解了微生物的氮限制。这种多样化的资源输入促使微生物将同化的氮更多地用于生物量合成而非矿化消耗，使得0-30 cm土层中微生物的氮生长速率惊人地提升了116-123%，进而驱动微生物氮利用效率（NUE）显著提高了28-42%。这种由作物多样性激发的富营养型微生物群落扩增，为后续残体氮的形成奠定了坚实的活体物质基础。图1 不同种植制度对土壤中微生物氮生长速率、总氮矿化速率及氮利用效率的影响在微生物代谢活性和生物量周转显著加剧的内源驱动下，多样化种植系统极大地促进了微生物源氮的产生与积累。同位素与生物标志物联合解析结果显示，多样化轮作使0-30 cm土层中的总微生物残体氮含量较常规连作系统大幅增加了47-89%。更为关键的是，这种活体生物量向死亡残体的高效转化，使得微生物残体氮在土壤总氮库中的占比（MNN/TN）得到了本质提升，强有力地证明了增加农田系统植物功能群多样性是促进微生物介导土壤固氮的高度有效策略。图2 不同种植制度下，土壤微生物残体氮的绝对含量及其占总氮的比例在多样化种植带来的显著固氮效应中，真菌残体发挥了绝对的主导作用。数据显示，在多样化系统下真菌残体氮占到了总氮的26-51%，而细菌残体仅占5.2-10%。由于豆科作物的引入引发了根际轻微酸化以及底物碳氮比的改变，这为真菌提供了极佳的竞争微环境，显著提升了土壤活体和残体库中的“真菌/细菌”比值。得益于真菌更强的碳氮转化能力和富含几丁质的特殊细胞壁结构，这种向真菌主导型群落的转变，使得真菌来源的有机氮更容易在土壤中抵抗降解并被优先保留，成为了支撑生态系统持久肥力的核心生物学介导者。图3 不同种植制度对土壤真菌与细菌残体氮比值，以及微生物活体生物量氮与残体氮比值的调控作用 微生物残体之所以能长期存在于土壤中，离不开物理化学保护机制的保驾护航。相关性网络与冗余分析表明，在多样化系统中，交换性镁离子和钙离子通过内层配位作用，极大地促进了氨基糖与矿物表面的有机-无机复合物形成，这种强有力的矿物介导保护机制对作物多样化下42-61%的总氮保留做出了直接贡献。此外，垂直空间分层分析发现，在15-30 cm的深层土壤中，残体氮对总氮的贡献提升了27-42%，这主要得益于高降水带来的可溶性有机氮向下淋溶，以及深层矿物更强的固持位点结合作用，最终在剖面尺度上形成了“表层生物周转-深层地球化学固定”的双重固氮保护网络。图4 土壤生物和非生物变量对微生物残体氮和微生物生长的影响本研究利用43年长期定位试验，深入阐明了作物多样化通过同步调控“微生物生命-死亡动态”与“地球化学矿物保护机制”来强化土壤氮素持久性的核心机理。研究不仅证实了多物种轮作能通过提高微生物氮利用效率（NUE）和加速活体周转来成倍促进残体氮累积，更凸显了豆科/禾本科复杂轮作体系中真菌主导优势及钙镁离子配合作用在有机氮稳定中的关键地位。这些发现为应对全球气候变化、减少农业体系对化学氮肥的依赖，以及制定提升农业生态系统产能与长期韧性的气候智能型管理策略提供了具有重大指导意义的理论支撑。
