源自废弃物的栽培基质促进了根际微生物群中氮代谢微生物的占比，从而提高了氮利用效率

《Environmental Research》：Waste-Derived Cultivation Substrates Drive the Dominance of Nitrogen-Functional Microbes in the Rhizosphere Microbiome to Improve Nitrogen Use Efficiency

本研究通过五年连续番茄栽培实验，比较了土壤、草炭、椰糠和蔬菜废弃物基质对氮素损失与利用效率的影响，发现草炭和蔬菜废弃物基质通过重塑根际微生物群落结构，增强氮转化功能微生物的核心地位，从而显著提高氮利用效率和减少氮素损失，为设施农业可持续发展提供技术依据。

　　
设施农业中氮素流失与利用效率优化研究基于五年的番茄连续种植实验，系统评估了不同栽培基质对氮素循环的影响机制。研究聚焦于土壤、草炭生物炭（GB）、椰子纤维（CC）和蔬菜废料（VM）四种基质的长期效果，通过微生物组学解析发现GB和VM基质能显著提升氮素利用效率（NUE）并降低氮素流失。

设施农业特有的封闭环境加剧了氮素管理难题。传统土壤依赖化学肥料，长期施用导致土壤结构破坏、微生物群落失衡和氮素利用率低下。本研究通过对比实验揭示了有机基质在氮素管理中的独特优势：GB基质通过碳稳定化作用延缓氮素释放，VM基质则通过有机质快速矿化实现氮素缓释。两者均促进根际微生物群落中功能菌群占比提升，形成稳定的氮循环系统。

微生物群落重构是提升氮素利用的关键机制。GB基质中的高碳含量环境促进了放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）的协同作用，形成以固氮菌（如 Azotobacter）和硝化菌（如 Nitrosomonas）为核心的微生物网络。实验数据显示，GB处理下与氮转化相关的功能基因（如nirB、narI）丰度达到22.16%-109.22%，较常规施肥土壤提升40%-120%。这种微生物群落结构的优化，使得氮素在固持、硝化和反硝化等环节的转化效率显著提高。

椰子纤维（CC）基质展示了不同的调控路径。其高C/N比（>40）抑制了氮素快速矿化，导致硝态氮占比从土壤基质的65%降至32%。但通过引入功能菌群（如假单胞菌属Pseudomonas和芽孢杆菌属Bacillus），建立了以生物膜固氮和硝化反硝化联动的氮循环体系。实验表明，CC基质下氮素利用率（NUE）较传统土壤提升18.7%，同时将硝态氮淋失量降低至土壤基质的1/5。

蔬菜废料（VM）基质展现出独特的环境友好特性。其有机质含量达85%以上，且C/N比（12.3）接近理想范围（15-20）。这种特性促进了功能菌群（如梭菌属Clostridium和脱氮假单胞菌Pseudomonas denitrificans）的富集，形成以氮素固定（N2 fixation）和硝化-反硝化联动的循环系统。长期监测显示，VM基质下氮素年流失量仅为土壤基质的27%，同时作物产量保持稳定。

研究创新性地采用结构方程模型（SEM）解析多因素交互作用。结果表明，微生物群落结构改变对氮素利用效率的驱动作用占解释总变异的63.8%，显著高于施肥管理（22.4%）和物理环境因素（13.8%）。特别值得注意的是，GB和VM基质通过改变根际pH值（GB：6.8→7.2；VM：6.5→6.9）和氧化还原电位（ORP），重塑了功能菌群的生存环境。例如，GB基质使脱氮假单胞菌丰度提升2.3倍，而VM基质中固氮菌（Azotobacter）的相对丰度达到12.7%，形成独特的微生物互作网络。

在氮素形态转化方面，GB基质表现出"三低一高"特征：铵态氮（NH4+）流失率降低41%，硝态氮（NO3-）淋失量减少58%，反硝化产生的N2O排放量下降33%，而有机氮固持率提升至79%。这种形态转化优势源于生物炭的多孔结构（比表面积达500-800 m2/g）和腐殖酸形成作用，有效延缓了氮素释放速率。对比实验发现，传统土壤基质的氮素释放速率是VM基质的3.2倍，导致78%的氮素在播种后30天内流失。

研究特别关注了功能基因的丰度变化。通过16S rRNA测序发现，GB基质中参与硝化作用的氨氧化菌（AOB）丰度达1.2×10^8 copies/g，较土壤基质提升2.8倍。而VM基质中与氮素固定的固氮菌（Azotobacter）丰度达到1.5×10^7 copies/g，形成高效的生物氮肥替代系统。这些基因丰度的显著变化（P<0.001）与氮素利用效率提升直接相关，验证了微生物功能群落的调控作用。

在环境效益方面，GB基质使氨挥发量减少42%，硝态氮淋失量降低55%，而VM基质通过有机质富集使土壤pH缓冲能力提升2.1个单位。这种双重效应使设施农业氮素流失量降低至传统模式的31%，同时保持番茄产量稳定在5.8-6.2 t/亩。值得注意的是，两种基质在降低N2O排放方面表现突出，GB处理下N2O排放强度仅为土壤基质的18%，VM基质则通过有机酸分泌途径抑制反硝化作用，使N2O排放量减少67%。

该研究为设施农业氮素管理提供了新的技术路径：GB基质适用于高附加值作物（如草莓、番茄）的精准调控，其生物炭的碳封存能力（每吨固碳0.8-1.2吨）可抵消氮素流失的环境成本；VM基质则适合规模化有机种植，其有机质年补充量达1.2吨/亩，能维持土壤健康。两种基质的应用可使氮肥利用率从传统模式的35%提升至68%-72%，接近荷兰温室农业的75%水平。

理论层面，研究揭示了"基质特性-微生物群落-功能基因-氮素转化"的级联调控机制。当基质C/N比介于12-18时，能有效促进固氮菌和硝化菌的共生；而当C/N比超过20时，会抑制氨氧化菌活性。这种动态平衡机制为设计新型栽培基质提供了理论依据：应通过调节有机质组成（如添加秸秆炭）和孔隙结构（如椰糠添加量控制在30%-40%），构建既能缓慢释放氮素又保持微生物活性的人工基质。

未来研究方向可聚焦于基质改良技术：如将GB与VM按1:1混合可产生协同效应，使氮素利用率提升至78%；添加5%-8%的蛋壳粉可增强微生物的胞外酶活性，促进有机氮矿化。此外，研究显示冬季温度低于10℃时，基质类型对氮素转化效率的影响系数降低23%，提示需开发季节适应性的基质配方。

该成果已在中国农业科学院设施农业研究中心完成中试，在300亩智能温室应用中，氮肥用量减少40%的同时产量保持稳定。建议推广GB基质在草莓等高价值作物种植中的试点应用，而VM基质更适合规模化蔬菜基地的有机转型。研究提出的"基质类型-微生物群落-功能基因"三维调控模型，为精准农业中的氮素管理提供了新的理论框架。