12月11日，《自然》杂志旗下期刊《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队田静副教授组和中科院地理所侯瑞星研究员合作研究论文《保护性农业在长期增温背景下通过强化植物-微生物互作提升作物氮获取》（Conservation agriculture raises crop nitrogen acquisition by amplifying plant-microbe synergy under climate warming）。研究依托华北平原持续十余年的长期增温田间试验平台，采用原位和室内¹⁵N示踪结合根际代谢组与微生物组多组学方法，研究了气候变暖与耕作管理互作对植物–土壤-微生物系统氮分配与根际碳氮互惠效率影响机制。研究表明保护性农业在未来气候变化背景下可通过增强植物-土壤-微生物互作进而促进根际土壤碳氮互惠过程和作物氮吸收，为应对气候变暖下植物养分利用效率和保障粮食安全提供了重要理论基础。

该成果是在田静副教授团队在Nature Communications 的研究（Microbially mediated mechanisms underlie soil carbon accrual by conservation agriculture under decade-long warming）和（Conservation agriculture improves soil health and sustains crop yields after long-term warming）基础上的进一步拓展。继阐明保护性耕作促进土壤碳持久性和土壤健康机制之后，进一步强调了保护性农业是应对全球变暖背景下提升根际土壤健康以及作物养分获取效率的有效自然解决方案。

全球变暖正深刻重塑农田生态系统的碳氮循环过程，威胁作物生产的稳定性。“根际生命共同体”理论指出，根际是连接植物根系、微生物组与土壤环境的关键界面，是影响作物养分活化与利用效率的核心枢纽。植物可通过根系分泌物调控根际共同体的结构与功能，进而驱动碳–氮互惠过程，可能实现“以碳换氮”的高效资源获取机制。然而，植物对氮的需求往往难与土壤氮矿化过程保持同步，这一矛盾在变暖条件下尤为突出。保护性农业已被广泛提议作为维持粮食生产、提升土壤功能与资源利用效率的可持续策略。目前全球12.5%的土地已采用保护性农业。然而，变暖背景下保护性农业能否通过重塑根际生命共同体介导的根际碳氮过程，从而提高作物氮吸收效率，仍有待证明。

本研究依托包含两种管理措施（保护性农业与传统农业）和两种不同增温水平（增温与自然温度）的长期定位试验，采用田间和室内¹⁵N示踪结合根际代谢组与微生物组多组学分析（图1），研究发现，增温普遍提高了小麦对硝态氮的吸收，保护性农业下增温效应是传统耕作的1.24倍（图2）。同时，增温背景下，保护性农业显著削弱了根际微生物对硝态氮的竞争，使微生物对氮的占用强度较传统耕作下降4.4倍。¹⁵N 同位素稀释结果显示，增温提升了根际总氮矿化与硝化速率，但保护性农业的增温效应更强。同时，传统耕作下增温显著增强微生物氮固持，而保护性农业下微生物固持反而下降 24%。这表明保护性农业在增温情境下更能强化土壤氮生产过程并减弱微生物对氮的占用，从而提高植物可利用氮供应。

图1 整体试验设计

进一步通过研究根系代谢组和宏基因组发现（图3），保护性农业在增温条件下显著增强了总氮矿化与硝化等提供无机氮的关键过程微生物基因相对丰度，同时降低了微生物固持、硝酸盐还原等消耗无机氮的过程微生物基因相对丰度，这与田间测定的土壤氮转化速率变化一致。 这些变化促进了根际微生物功能从“氮竞争者”向“氮供给者”转变，使更多无机氮能够及时释放并被作物吸收。 

图2 管理和增温对小麦与微生物之间氮分配以及土壤中氮转化的影响

根系代谢组结果进一步显示，增温诱导的小麦根系代谢变化具有显著的管理依赖性。在保护性农业中，增温提高根系分泌速率并改变代谢物组成，其中碳水化合物、氨基酸及部分次级代谢物对增温表现出更强的响应。代谢物-微生物二分网络分析显示，保护性农业下根系代谢物与微生物群落之间的正向关联增强129%，其中氨基酸、有机酸和萜类等代谢物与硝化相关功能菌群的联系显著加强。多组学整合结果进一步表明，根系代谢物组成可解释氮循环功能基因 71% 的变异，说明在增温背景下，根系代谢重塑是促进微生物功能优化、加速根际土壤氮循环的关键驱动力。

图3 小麦根系代谢物变化及与根际微生物群落与功能关系 

图4保护性农业根际碳氮互惠过程与作物–微生物系统氮分配的概念模型

资环学院博士生郝存抗、英国埃克塞特大学 Jennifer A. J. Dungait 教授、资环学院博士生尚文惠博士、中国科学院地理所侯瑞星研究员以及公华锐共同担任第一作者。中国农业大学田静副教授为通讯作者。张福锁院士全程参与并指导了该研究工作的具体设计。清华大学杨云峰教授、西澳大学 Hans Lambers 教授、德国波恩大学于鹏教授、西班牙塞维利亚自然资源与农业生物学研究所 Manuel Delgado-Baquerizo 教授、中国科学院地理所徐兴良研究员、阿联酋大学 Amit Kumar 教授、中国科学院生态环境研究中心邓晔研究员、中国农业大学崔振岭教授、哥廷根大学 Yakov Kuzyakov 教授和美国俄克拉荷马大学周集中教授参与指导了具体工作。该研究工作得到了国家自然科学基金（U23A20158、32071629）、国家重点研发计划（2023YFD1901500）、中国农业大学2115人才发展计划资助。