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文献分享|化肥减量配施有机肥，如何既养地又提质？以黄芩为例的研究给出答案
2026-09-20
一、作物施肥管理与化肥减量研究背景

施肥是调控作物生长、保障产出的核心农艺措施。化学肥料因速效便捷被大规模应用，但长期盲目过量施用现象普遍[1]，引发土壤酸化板结、养分失衡、酶活性下降、理化性状退化，肥料利用率降低，多余养分流失导致水体富营养化等环境风险；同时根际微生态受扰、土传病害风险上升。对经济作物而言，过量化肥常造成产量与品质权衡，营养生长过旺抑制次生代谢，出现"高产低质"[2]。

有机无机配施是我国农业绿色发展的重要路径。有机肥养分全面、含中微量元素与活性物质、肥效缓长；配施既满足前期速效养分需求，又实现长效供给、改良土壤结构、提升保水保肥能力，可在稳产甚至增产基础上降低化肥依赖[3]。但不同作物、土壤条件下适配的有机肥种类与配比并不统一，需针对具体作物系统研究。

根际是根-土-微生物物质交换与信号互作的关键界面，其微生物群参与养分矿化、有机质周转、病害防控与生长调控。有益菌可分泌有机酸及水解酶活化难溶性磷钾、合成植物激素并诱导防御，进而影响作物生长与次生代谢[4]。施肥改变土壤碳氮、养分与pH，直接重塑根际群落；越来越多证据表明，施肥对产量品质的调控很大程度经根际微生物间接实现，根际微生态已成为解析施肥机理不可或缺的研究维度。


二、化肥-土壤-根际微生物互作领域现存研究缺口

现有研究多集中于施肥对产量、品质及土壤理化的表型差异，仍存在未解问题。一是不同类型有机肥选择性富集根际细菌与真菌，二者响应模式不同，但多数研究仅描述多样性变化，缺乏对细菌、真菌分别的功能解析[5]；二是作物生长品质由土壤养分、酶活性与根际微生物多因子共同驱动，因子间交互复杂，单一指标分析难以厘清贡献度。

应用上，多数研究停留在测序相关性层面，仅获物种-性状关联，缺少关键功能菌的分离与回接验证，无法区分"微生物改变性状"还是"性状筛选微生物"。完成从群落到菌株的功能验证，方能挖掘可落地微生物资源。加之不同作物根系特性与代谢特征各异，针对特定作物筛选适配施肥模式与关键功能菌仍需大量针对性试验。如何通过施肥调控根际微生态，实现增产、提质与土壤保育协同，是绿色农业亟待解决的重要命题[6]。


三、作物施肥管理的核心生物学功能与研究意义

理论上，将作物生长、品质、土壤理化、酶活与根际微生物系统整合，可厘清多因子贡献、区分细菌与真菌的差异化响应，揭示施肥经根际微生物调控产量品质的机制，完善养分-微生物互作理论体系；关键菌的分离筛选与回接验证，也可为同类作物微生态研究提供范式[7]。

实践上，在化肥减量背景下探究适配特定作物的配施方案，可为农艺管理提供依据，减少不合理投入、缓解土壤退化；挖掘的功能菌株可为生物有机肥、菌剂开发提供菌种资源，推动农业投入品升级；通过优化施肥与微生物调控兼顾产出、商品价值与土壤健康，对农业绿色可持续发展具现实意义。


四、作物栽培与农艺管理研究专题相关文献分享
化肥减量配施有机肥驱动下关键微生物协同提升黄芩品质和土壤环境研究

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期刊名称：Industrial Crops & Products

影响因子:6.2

DOI:10.1016/j.indcrop.2025.121044

检测指标：黄芪植株生长性状、黄芪活性成分、土壤理化指标、土壤酶活、微生物多样性（16S+ITS）


1.研究内容

本研究以黄芩为研究对象，围绕化肥减量配施不同有机肥模式，开展田间试验结合盆栽验证试验，系统探究施肥措施对作物产量、品质、土壤环境及根际微生物的协同影响，并完成关键功能微生物的筛选与功能验证。

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文章研究思路


2.样本处理

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表1.试验材料与设计


3.研究结果

（1）不同施肥处理对黄芩生长、品质及土壤理化环境的影响

不同施肥处理对黄芩的生长性状、活性成分含量、土壤理化性质及土壤酶活性产生显著的差异化影响（图1A-M）。土壤酶活性在不同施肥处理间差异明显（图1F-I）。总体上，单施化肥（PCF）处理下土壤各类水解酶活性高于化肥减量配施有机肥的处理。土壤养分检测结果表明（图1J-L），化肥减量配施有机肥处理显著提高了土壤速效钾含量，MOF、SOF、COF处理速效钾分别提升2.0 %、12.6 %、16.9 %。土壤有机质结果（图1M）表明，与不施肥组FBK相比，单施化肥PCF处理有机质显著升高6.8%；而化肥配施有机肥的处理有机质均出现下降。 

综上，不同化肥减量配施有机肥处理表现出功能分化：MOF处理侧重于提升黄芩生物量，实现增产；COF处理更有利于黄芩药效活性成分的合成与积累，实现提质。各类施肥措施同时改变了土壤酶活性、土壤速效养分以及有机质水平，造成土壤环境的差异化响应。

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图1.不同施肥处理下黄芩的生长指标、活性成分含量以及土壤理化指标。株高（A）；根鲜重（B）；根冠比（C）；地上部与根系干重（D）；黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素、汉黄芩素、木蝴蝶素A以及总黄酮的含量（E）；土壤脲酶活性（F）；蔗糖酶活性（G）；酸性磷酸酶活性（H）；碱性磷酸酶活性（I）；速效氮含量（J）；速效磷含量（K）；速效钾含量（L）；有机质含量（M）。FBK：不施肥处理；PCF：100%化肥处理；COF：66%化肥配施400 kg/亩鸡粪有机肥；SOF：66%化肥配施400 kg/亩羊粪有机肥；MOF：66%化肥配施200 kg/亩生物有机肥。1Y：栽培1年；2Y：栽培2年；3Y：栽培3年。不同字母代表在P＜0.05水平下处理间存在显著性差异。


（2）土壤理化性质、根际微生物与黄芩生长及活性成分的相关性分析

基于黄芩产量与品质指标的测定结果，本研究分别针对MOF处理下黄芩生长指标、COF处理下活性成分指标开展环境因子的相关性分析（图2）。方差分解分析（VPA）结果显示，在MOF处理条件下，根际微生物丰富度、土壤酶活性、土壤养分这三类因子对黄芩生长指标变化的总解释度为45.6%（图2A）

针对COF处理中黄芩活性成分变化开展方差分解分析（图2B），根际微生物、土壤酶活性、土壤养分三类环境因子总共可以解释99.3%的活性成分变异。上述结果说明，根际微生物作为土壤微环境的重要组成部分，会和土壤酶活性、土壤养分相互作用，协同调控黄芩植株生长发育以及活性成分的积累过程。

相关性热图进一步揭示了土壤环境因子、根际微生物丰度与黄芩表型之间的关联关系（图2C、图2D）。部分土壤养分、土壤酶指标与黄芩生长、药效物质含量存在显著的正相关或者负相关，同时根际微生物的丰度变化也和植株性状密切相关。

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图2.土壤理化性质、根际微生物与黄芩生长及活性成分参数的相关性分析。MOF处理下根际土壤微生物、土壤酶活性和土壤养分对黄芩生长指标的方差分解分析（VPA）（A）；COF处理下根际土壤微生物、土壤酶活性和土壤养分对黄芩活性成分含量的方差分解分析（VPA）（B）；MOF处理下土壤因子、根际微生物丰度与黄芩生长指标的相关性热图（C）；COF处理下土壤因子、根际微生物丰度与黄芩活性成分含量的相关性热图（D）。


（3）不同施肥处理下黄芩根际土壤微生物多样性与群落组成

对不施肥处理（FBK）、鸡粪有机肥配施66%化肥处理（COF）、生物有机肥配施66%化肥处理（MOF）的黄芩根际土壤微生物群落进行分析，评估不同施肥模式对根际细菌、真菌α多样性及群落组成的影响（图3）。基于ASV的花瓣图展示了根际细菌与真菌的物种共有及特有情况（图3C、图3D）说明施肥处理显著改变了根际真菌的特有物种组成。在门水平上对根际细菌群落组成进行统计（图3E），施肥处理并未改变根际土壤优势细菌门、真菌门的种类，但各优势门类的相对丰度在不同施肥条件下发生明显变化。

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图3.不同施肥处理下黄芩根际土壤的微生物多样性与群落组成。根际土壤细菌的Shannon指数（A）；根际土壤真菌的Shannon指数（B）；根际土壤细菌ASV组成花瓣图（C）；根际土壤真菌ASV组成花瓣图（D）；根际土壤细菌在门水平上的物种相对丰度柱状图（E）；根际土壤真菌在门水平上的物种相对丰度柱状图（F）。FBK：不施肥处理；COF：66 kg/亩化肥配施400 kg/亩鸡粪有机肥；MOF：66 kg/亩化肥配施200 kg/亩生物有机肥。

（4）不同施肥条件下微生物共发生网络模式

通过构建根际土壤细菌-真菌群落的共发生网络，解析FBK、COF、MOF三种施肥处理下微生物属水平物种之间的互作关系（图4）。不同施肥处理显著改变了根际微生物网络的拓扑结构，细菌群落和真菌群落在不同施肥模式下表现出差异化的响应特征。

结果表明，MOF处理更有利于强化根际细菌群落内部的生态关联，而COF处理优先优化真菌群落的种间正向互作。不同施肥处理塑造出结构不同的微生物生态网络，形成功能趋向更加集中的微生物亚群，这些微生物类群的互作变化可能进一步影响黄芩植株代谢，进而推动植株生物量积累与次生代谢物质合成。

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图4.不同施肥处理条件下黄芩根际土壤细菌与真菌的共发生网络分析。

（5）物种水平根际微生物与黄芩生长、活性成分的相关性分析

为进一步明确哪些根际微生物与黄芩生长及药效品质存在关联，选取相对丰度排名前50的细菌、真菌物种，开展物种丰度与黄芩生长、活性成分指标的相关性分析（图5A、图5B）。生长指标包含根系干重、地上部干重、株高、根冠比；品质指标涵盖黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素、汉黄芩素、木蝴蝶素A以及总黄酮。

在细菌物种层面（图5A），MOF处理富集的Dietzia cinnamea（肉桂迪茨氏菌）的相对丰度与黄芩根系干重呈显著正相关，真菌物种的相关性结果显示（图5B），多个真菌物种与黄芩生长、活性成分指标存在显著相关性。例如Podospora pyriformis丰度和根冠比显著正相关；而Paraphoma ledniceana、Fusarium solani的相对丰度与黄芩苷、总黄酮含量呈显著负相关。上述相关性结果筛选出一批和黄芩产量、品质显著关联的候选微生物，为后续开展菌株回接验证试验提供参考依据。

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图5.物种水平（相对丰度前50）根际微生物与黄芩生长、活性成分参数的相关性分析。细菌（A）；真菌（B）。RDW：根系干重；ADW：地上部干重；PH：株高；R/S：根冠比；TF：总黄酮。颜色代表相对丰度，绿色代表负相关，红色代表正相关。


（6）关键微生物菌株回接至黄芩幼苗的验证试验

为验证候选关键微生物对黄芩生长以及活性成分积累的实际作用，开展盆栽回接验证试验（图6）。试验设置空白对照（CK）、单独接种肉桂迪茨氏菌（D）、单独接种S.nitritireducens（S）、MOF施肥处理、COF施肥处理、MOF配施肉桂迪茨氏菌（MOF+D）、COF配施S.nitritireducens（COF+S）共7个处理，测定黄芩根系干重、根系形态以及根部各类活性成分含量。

在根系生物量方面，多个处理均可显著提升黄芩单株根系干重。其中，单独接种D菌株处理的根系干重增幅最大。植株表型观察可以发现，D、MOF+D、COF+S处理下黄芩主根在整个根系系统中的占比更高，说明上述处理能够促进根系干物质积累，提高黄芩根部生物量（图6C、图6D）。

活性成分检测结果表明，相较于CK，各处理均显著改变了黄芩体内活性物质的积累模式：黄芩苷、汉黄芩苷、总黄酮含量得到提升，而黄芩素、汉黄芩素、木蝴蝶素A的含量出现下降。总黄酮含量上，COF处理与MOF+D处理提升效果最突出，黄芩苷含量变化趋势与总黄酮保持一致。对于汉黄芩苷，MOF+D处理提升效果最优， COF+S、COF次之，其余处理增幅为12.4%-18.8%。黄芩素含量在所有处理下均出现下降。

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图6.盆栽试验中植株性状、生物量及活性成分含量差异。盆栽试验实景图（A）；菌落形态（B）；收获后的黄芩植株图像，比例尺：5 cm（C）；单株根系干重（D）；黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素、汉黄芩素、木蝴蝶素A及总黄酮的含量（E）。


4.结论

本研究以黄芩为研究对象，针对长期单施化肥引发土壤退化、药材产量与品质下降的生产问题，设置化肥减量配施不同有机肥的田间试验，结合盆栽回接验证，探究施肥-土壤-根际微生物对黄芩产量、品质的协同调控机制。研究结果表明，生物有机肥配施66%化肥（MOF处理）显著提升黄芩根系产量，强化根际细菌群落互作关系；鸡粪有机肥配施66%化肥（COF处理）可提高黄芩苷与总黄酮含量，主要优化根际真菌的种间正向关联；土壤养分、土壤酶与根际微生物的交互作用是驱动黄芩生长及活性成分积累的主导因素。本研究筛选得到关键促生菌株Dietzia cinnamea，盆栽证实该菌株单独接种可显著促进黄芩根系生长，与生物有机肥配施则能够同时实现增产与提质。该研究阐明了化肥减量配施有机肥模式下根际关键微生物的功能作用，为黄芩专用肥料与微生物菌剂的开发、黄芩绿色规范化栽培提供了理论依据与试验支撑。




参考文献： 

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[3]Mi W, Wang S, Zhang J, Zhao G, Dang Y, Wang L, Zhou G, Zhou X, Hu J, Fan T, Li S. Combined application of manure and straw with chemical fertilizers enhances soil quality and maize yield by regulating bacterial community composition and diversity: a long-term field study. Front Plant Sci. 2026 Jul 23;17:1881326.

[4]Asghar W, Craven KD, Swenson JR, Kataoka R, Mahmood A, Farias JG. Enhancing the Resilience of Agroecosystems Through Improved Rhizosphere Processes: A Strategic Review. Int J Mol Sci. 2024 Dec 26;26(1):109.

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