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来自中国的研究人员为探究绿肥养分需求及施肥影响，研究不同施肥策略，发现 NPF 提升 SQI 和 EMF，为农业可持续发展提供指导。
土壤是一个复杂的生态系统，生物和非生物元素之间存在多种相互作用。然而，传统农业管理方式的过度使用可能会对土壤结构、肥力和微生物组成产生负面影响。施肥常用于实现作物高产，但矿物肥料的过量施用可能会降低肥料利用效率，进而影响作物品质，导致土壤酸化、生物多样性丧失和养分淋失，限制土壤的过程和功能。
作物轮作结合绿肥施用是一种行之有效的土壤养分管理和增强生态系统功能的可持续策略。绿肥不仅能通过微生物固氮补充土壤氮（N），还能激活和供应植物根系分泌的有机酸可溶解的不溶性养分。将绿肥融入土壤系统可增加土壤碳（C）和氮的保留，通过加强植物与土壤微生物之间的联系减少养分流失。绿肥中的碳和氮通常首先进入土壤微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）库。部分 MBC 和 MBN 会经过微生物分解转化为植物可吸收利用的形式，其余则通过与土壤矿物质结合形成腐殖质和稳定复合物，以稳定的有机碳和氮的形式保留在土壤中。此外，大量证据表明，基于绿肥的作物轮作系统对改善土壤质量、微生物活性和生态功能特别有益。然而，考虑到绿肥自身的肥料需求以及减少玉米对矿物肥料依赖的目标，本研究基于年度养分平衡原则，探索了肥料投入从玉米阶段到绿肥阶段的重新分配。这种方法不仅解决了短期土壤肥力问题，还强调了土壤生态系统的长期稳定性和生产力，符合现代农业对可持续性和精准管理的追求。尽管许多研究已经考察了绿肥 - 谷物轮作系统，但对平衡施肥下绿肥引起的生态功能变化关注较少。
土壤生态系统多功能性（EMF）是土壤生态系统同时执行多种生态功能和服务的能力，这对提高作物生产力和保护生物多样性至关重要。与 EMF 相关的指标已被广泛用于评估土壤中复杂的化学和生物过程之间的相互作用。土壤养分是作物生长的主要物质和能量来源。同时，土壤微生物的胞外酶作为生物催化剂在碳、氮和磷循环中起着核心作用，参与了与土壤中有机物降解和养分转化相关的各种生化过程。此外，土壤酶活性的平衡和协调（即酶化学计量学）对于维持土壤质量和多功能性至关重要。更重要的是，微生物的代谢活动对土壤功能，如养分循环、有机物分解和生态系统的整体生产力有直接影响。因此，养分浓度、微生物特征和酶特性（酶活性和微生物代谢限制）是理解所采用的管理措施对 EMF 影响的基础。此外，土壤质量指数（SQI）作为 EMF 的关键驱动因素，主要通过对碳和氮循环、养分有效性和土壤生态功能有重要影响的化学和生物学特性来评估。然而，在绿肥 - 作物轮作系统下，SQI、微生物代谢限制和 EMF 之间的复杂关系仍知之甚少。因此，更深入地了解绿肥轮作结合优化施肥如何增强 EMF 至关重要。
基于绿肥的作物轮作系统通常用于缓解土壤肥力退化和提高作物产量，从而促进农业生产的可持续集约化。然而，基于平衡施肥原则的不同施肥策略下绿肥融入的影响尚未得到充分探索。因此，在一项为期两年的冬季绿肥 - 夏季玉米轮作实验结果的基础上，研究人员调查了将部分氮和 / 或磷肥从主要作物阶段重新分配到绿肥阶段（即优化施肥）对土壤质量和生态功能的影响。具体目标是评估：1）平衡施肥的绿肥是否能改善土壤质量；2）平衡施肥的绿肥对微生物代谢限制、土壤 EMF 以及与碳、氮和磷获取相关的酶活性的影响；3）土壤质量、微生物代谢限制和土壤 EMF 之间的关系，以及确定驱动土壤 EMF 变化的关键土壤因素。研究假设是平衡施肥的绿肥通过改善土壤质量和缓解微生物代谢限制来增强土壤 EMF，从而促进土壤生态系统的可持续发展。
本研究于 2017 年在中国云南省昆明市松明站的国家现代农业科技示范展示基地开展了夏季玉米 - 冬季绿肥（箭筈豌豆，Vicia villosa Roth var.）轮作实验。
研究发现，在不同年份，相同的施肥策略对箭筈豌豆 - 玉米轮作系统的土壤生化特性和 SQI 有不同影响（p < 0.001）。优化施肥（NF、PF 和 NPF）几乎影响了所有土壤生化特性，特别是 MBC、MBN、MR、qCO?、qMB、DOC 和 SOC。此外，与对照相比，优化施肥处理显著提高了箭筈豌豆 - 玉米轮作系统的 SQI。NPF 使箭筈豌豆 - 玉米轮作系统的 SQI 相比休闲（CF）提高了 64.7 - 86.9%，相比不施肥（CK）提高了 22.0 - 48.8%。施肥缓解了箭筈豌豆阶段的微生物氮限制，而绿肥的融入缓解了玉米阶段的微生物碳（C）限制。此外，与 CK 相比，NF、PF 和 NPF 分别使箭筈豌豆 - 玉米轮作系统的土壤 EMF 提高了 141.2 - 213.0%、124.0 - 226.7% 和 199.9 - 247.4%。值得注意的是，NFP 使玉米阶段土壤 EMF 的提高幅度是 PF 的 2.20 - 6.16 倍。随机森林分析表明，土壤有机碳、SQI 以及参与碳和磷获取的酶的活性是土壤 EMF 的主要驱动因素。此外，土壤生化特性通过增加与碳、氮和磷获取相关的酶的活性以及 SQI，间接促进了土壤 EMF。
为期两年的分析结果突出了优化施肥在增强箭筈豌豆 - 玉米轮作系统土壤质量和生态系统多功能性方面的变革性影响。将部分氮和 / 或磷肥从玉米阶段分配到绿肥阶段可以缓解土壤微生物群落的氮限制，但会加剧玉米阶段的微生物氮限制。此外，绿肥的融入缓解了玉米阶段的微生物碳限制。这些发现为将部分氮磷肥从玉米阶段重新分配到绿肥阶段以提高绿肥 - 作物轮作系统的土壤质量和生态系统多功能性的可持续实践提供了重要指导。
