科研进展 | 中荷项目(AGD)计划张福锁院士团队张俊伶教授课题组在《土壤生物学和生物化学》上发文探讨利用土壤生物指标评价土壤健康的可行性

2025年2月25日，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）张福锁院士团队张俊伶教授课题组与荷兰瓦赫宁根大学土壤生物组合作，在Soil Biology and Biochemistry期刊（IF=9.7）上在线发表了题为“Unlocking Soil Health: Are Microbial Functional Genes Effective Indicators?”的研究论文。文章第一作者为中荷项目博士生贾吉玉，该研究得到了瓦赫宁根大学Rachel Creamer教授以及Ron de Goede副教授的指导。王光洲副教授、张江周博士、李奕赞等参与了研究工作。

土壤健康是保障粮食安全和农业可持续发展的关键。健康的土壤能够促进水和空气质量、为生物多样性提供栖息地、促进养分的矿化和循环、减少病虫害、支持碳的储存并增加作物产量。土壤多功能性（SMF）是指土壤在提供这些多种功能方面的能力，近期SMF已被纳入土壤健康的前瞻性报告。然而，全球变化和人为活动对土壤多功能性构成了严重威胁，这也使得开发更加可靠、稳健且具备抗逆性的土壤生物指标更为迫切，特别是早期预警系统的建立，对防止土壤退化具有重要的作用。

土壤微生物群落是土壤生态系统的核心，参与碳循环、养分循环及初级生产等重要功能。微生物功能基因的丰度与许多土壤过程密切相关，支持多种土壤功能和健康土壤培育。然而，微生物功能基因是否可以作为土壤健康评估的有效指标，仍然有较大的争议和不确定性。为了解决这一问题，该研究在华北平原曲周的一个10年长期施肥实验，采集了有机肥和无机肥处理的土壤样本，定量分析了17种与碳、氮和磷循环相关的功能基因。同时，基于文献研究，选择了与功能基因对应的代理指标（表1）。

表1. 微生物功能基因、其参与的土壤生态过程以及土壤性质代理指标的关联性

结果表明，微生物功能基因在不同施肥处理间差异显著，并且对施肥的反应具有较高的敏感性。大部分功能基因尤其是GH31、cbbL、B-amoA、chiA、phoC和phoD基因的丰度与碳、氮、磷循环的相关性较强。此外，有机肥施用能够显著增强微生物功能基因的丰度，促进土壤碳和养分的循环，提高玉米产量（图1）。

图1. 偏最小二乘路径分析粪肥和秸秆碳输入对碳循环过程的影响（A）；有机和无机氮（B）和磷（C）输入对氮磷循环过程和作物产量的影响。*表示p < 0.05；**表示p < 0.01，***表示p < 0.001。实线和虚线分别表示显著和不显著的关系。R²表示解释方差的比

研究发现，微生物功能基因能反映养分供应的动态过程，比传统指标更敏感，能反映管理对土壤过程的影响，可为土壤健康评价提供重要信息。在未来的土壤健康评估和管理中，微生物功能基因有望成为一个重要的工具，在现有土壤检测指标的基础上，通过筛选重要的生物指标，可促进土壤可持续管理，推动农业绿色发展。

该研究结果是双方课题组在之前工作基础上关于土壤健康与土壤多功能性研究上的又一个突破。项目组分别在我国华北地区以及新疆地区等土壤生物多样性与多功能性关系的解析上发表了相关的研究成果。

1. 土地利用强度对土壤微生物群落与多功能性关系的影响

华北平原是我国主要的粮食生产区，然而，随着农业生产活动的加强，该地区土壤质量和生态系统服务功能面临日益严峻的挑战，严重影响了农业的可持续性。该研究在华北平原三种典型作物种植体系（棉花、小麦-玉米和蔬菜）采集了土壤样品，探究了土地利用强度的变化对土壤微生物多样性以及多功能性关系的影响，发现土壤微生物多样性与多功能性的关系受到土地利用强度的影响。土壤微生物多样性以及多功能性在较低土地利用强度的棉花和小麦-玉米轮作体系显著高于较高土地利用强度的蔬菜体系。此外，在小麦-玉米和棉花体系中，细菌多样性对土壤多功能性的促进效应较强，在蔬菜体系促进效果较弱。此外，提高土壤有机质的含量对土壤多功能性的提升起到重要的促进作用。该研究表明通过合理的投入和管理提高土壤有机质来维持土壤微生物多样性，对于提升农业生态系统中的土壤多功能性至关重要。

Jia, J., Zhang, J., Li, Y., Xie, M., Wang, G.*, Zhang, J., 2022. Land use intensity constrains the positive relationship between soil microbial diversity and multifunctionality. Plant and Soil, 503(1), 141-154.

2. 盐分与有机质对土壤多功能性的影响 (Jia et al., 2023)

盐碱化是全球广泛存在的环境问题，已严重影响到土壤健康与粮食生产。增加土壤有机质被认为是缓解盐胁迫的有效途径，但土壤盐分与有机质对微生物多样性的影响却存在差异。该研究针对于华北平原小麦-玉米轮作体系土壤有机质含量低且土壤盐渍化严重的问题，采集了具体不同盐分和有机质含量的土壤样品进行研究。结果显示只有在有机质含量较高（>15 mg/kg）且盐分（EC）较低（<4 ds/m）的土壤中，土壤微生物多样性才能促进土壤多功能性，特别是敏感细菌的多样性和丰度。有机质通过直接或间接影响敏感微生物促进土壤多功能性，而盐分则通过影响敏感细菌的多样性降低了土壤功能。该研究表明通过增加有机质投入并减轻土壤盐渍化，可以有效提高土壤多功能性并改善土壤健康状况。土壤有机质在提高土壤多功能性方面具有重要作用，但在高盐度条件下，其效果可能受到限制。因此，如何平衡有机质的补充与盐渍化土壤的管理，将是未来土壤健康研究和农业可持续发展的关键问题之一。

Jia, J., Zhang, J., Li, Y., Koziol, L., Podzikowski, L., Delgado-Baquerizo, M., Wang, G.*, Zhang, J., 2023. Relationships between soil biodiversity and multifunctionality in croplands depend on salinity and organic matter. Geoderma, 429, 116273.

3. 植物病原微生物对土壤多功能性的影响(Jia et al., 2024)

长期连作种植会导致土壤病原体的积累，影响作物的产量和品质。提高土壤多功能性有利于缓解连作障碍。但是病原菌丰度如何影响土壤微生物多样性与多功能性的关系仍不清楚。该研究针对于新疆地区哈密瓜连作障碍问题，采集了不同连作年限的土壤样本，并对细菌和真菌群落进行了测序，同时定量了土壤的多功能性。研究结果显示，随着种植年限的增加，真菌病原微生物的相对丰度显著增加，并且这种变化显著影响了土壤微生物多样性与多功能性之间关系。在真菌病原微生物丰度较低（<0.01）的条件下，细菌和真菌多样性都能促进土壤多功能性；然而，在病原丰度较高（>0.01）时，只有细菌多样性才能促进土壤多功能性。此外，细菌和真菌群落的组装过程主要受到确定性过程的影响，但只有细菌群落组装过程与土壤多功能性相关，且在低真菌病原丰度条件下呈正相关，而在高病原丰度条件下呈负相关。这些结果表明，真菌病原丰度的变化可能会通过改变生物多样性以及微生物之间的合作竞争关系，进而影响土壤生态功能，为农业生态系统的可持续管理、土壤健康恢复及病原防控策略的制定提供了理论依据。

Jia, J., Hu, G., Ni, G., Xie, M., Li, R., Wang, G.*, Zhang, J., 2024. Bacteria drive soil multifunctionality while fungi are effective only at low pathogen abundance. Science of the Total Environment, 906, 167596.

这些研究表明，土壤微生物多样性与土壤多功能性之间的关系是复杂的，受到多种因素的调节，包括土地利用强度、土壤盐碱化以及植物病原微生物的压力。微生物群落的结构和组成在不同的环境条件下可能发挥不同的作用。这些研究为我们理解土壤生物多样性与多功能性之间的动态关系提供了新的视角，同时强调了管理土壤健康、减少人为干扰和提升农业生态系统功能的重要性。在未来的农业实践中，提高土壤有机质，保护土壤微生物多样性，减少病原压力和土壤盐碱化，优化土地利用，将是提升土壤多功能性、保障粮食安全的重要策略。

研究工作得到国家重点研发计划（2021YFD1900901; 2022YFD1901301），国家自然科学基金（No. 32201330; No. 32002133）和国家留学基金委项目（No. 201913043）的资助。

中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD 计划）是由国家留学基金委资助，面向可持续、绿色生态的国家粮食安全重大战略需求，以培养多学科交叉创新、高层次复合型人才为目标的博士生培养计划。该计划依托国际智力资源和先进培养体系，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学共建基于AGD 计划的博士生联合培养新模式。AGD计划总体目标是为中国农业可持续发展的转型做贡献，从高资源投入、高环境代价的生产模式转向高养分利用效率、低环境代价的可持续集约化生产模式。项目扎根中国大地，探索绿色高质农业发展道路，为全球农业可持续发展提供中国经验和中国样板。

 原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071725000616