《Agronomy》：Effects of Combined Application of Nitrogen Fertilizer and Multiple Soil Amendments on Soil Properties and Bacterial Community Structure in Arid-Zone Jujube Orchards
Yuxuan Wei,
Yunqi Ma,
Jinwei Sun,
Haoyang Liu,
Shuangquan Jing,
Cuiyun Wu and
Yuyang Zhang
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针对干旱区枣园土壤碱性强、有机质低、保水性差等问题，本研究探讨了尿素与生物炭、膨润土、石墨烯、微生物菌剂等土壤改良剂联用对土壤-植物-微生物互作的影响。通过三年田间试验发现，生物炭与膨润土联用(NBP)策略改善土壤物理结构、提升有机质与有效磷含量、增强脲酶活性效果最佳，并显著提高枣树单产，为干旱农业生态系统可持续土壤管理提供了协同增效的改良剂组合方案。
在中国西北广袤的干旱区，枣树（Ziziphus jujuba Mill.）种植不仅是重要的经济支柱，还具有防风固沙、在边际土地上固碳的生态功能。然而，支撑这些果园的土壤——主要是荒漠棕壤——面临着严峻的挑战：强烈的碱性、极低的有机质含量、糟糕的保水能力、盐分易累积以及贫瘠的养分库。这些固有的理化限制严重制约了枣的产量和果园的可持续性。传统的管理实践过度依赖合成氮肥，不仅难以全面克服这些多方面的土壤限制，过量的尿素施用还可能通过酸化、盐渍化和破坏土著微生物群落加剧土壤退化。因此，开发能够同步改善土壤物理结构、化学平衡和生物肥力的综合土壤管理策略，对于干旱区农业系统来说迫在眉睫。
土壤改良剂，如生物炭、膨润土、石墨烯和微生物菌剂，各自具有改善退化土壤的潜力，但它们联合施用的效果，尤其是在碱性荒漠土壤中能否产生协同效应，此前仍不明确。此外，改良剂如何通过调控土壤微生物群落和酶活性这一“黑箱”来最终影响作物产量，其内在机制也有待阐明。为了填补这些知识空白，一项为期三年的田间试验在新疆南部的一个荒漠枣园展开，研究成果发表在国际学术期刊《Agronomy》上。
为了探究不同改良剂组合的效果，研究团队设计了一个包含六种氮肥管理策略的试验：单施尿素（CK，对照）、尿素+生物炭（NB）、尿素+膨润土（NP）、尿素+石墨烯（NS）、尿素+生物炭+膨润土（NBP）以及尿素+微生物菌剂（NW）。研究整合了土壤理化分析、细菌群落高通量测序、土壤酶活性测定以及结构方程模型（Structural Equation Modeling, SEM）等多种技术手段，旨在阐明“改良剂-微生物-产量”之间的因果链条。试验在新疆昆玉市的枣园进行，该地区属于典型的暖温带极端大陆性荒漠气候，年均降水仅33.4毫米，蒸发量却高达2824毫米，土壤为棕色荒漠土（Calcisol）。研究对土壤的物理性质（容重、孔隙度、含水量）、化学性质（pH、电导率EC、有机质SOM、全量及有效养分）、酶活性（脲酶、转化酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶）以及枣树产量进行了系统测定，并分析了细菌群落的组成与功能。
3.1. 氮肥与土壤改良剂联用对土壤理化性质的影响
3.1.1. 土壤物理性质的响应
改良剂显著改变了土壤物理结构。其中，NBP处理在改善土壤物理结构方面最为有效，与对照相比，土壤容重降低了8.2%，孔隙度增加了8.2%，达到54.21%。更重要的是，NBP处理的土壤含水量提升了惊人的283%，达到4.25%，而对照仅为1.11%。这表明生物炭与膨润土的联用通过互补机制（生物炭提供大孔隙促进入渗，膨润土通过微孔隙增强持水）极大地优化了土壤的水分状况。
3.1.2. 土壤pH和EC的变化
所有改良剂处理均显著降低了强碱性土壤的pH值。其中，NS（石墨烯）处理使pH降低最多（降低0.71个单位），而NBP处理仅将pH从8.57适度降至8.21。在降低土壤盐分（电导率EC）方面，NB（生物炭）处理效果最突出，使EC降低了67.3%。值得注意的是，单独使用膨润土（NP）未能降低EC。
3.1.3. 土壤碳氮库的变化
改良剂提升了土壤全碳（TC）和全氮（TN）储量。NBP处理在显著提升全碳（22.9%）和全氮（18.1%）的同时，维持了与对照相近的碳氮比（C/N ratio）（6.60），避免了单一施用生物炭可能导致的氮固持风险。而NB处理虽然也提升了碳氮含量，但碳氮比升高至7.14。
3.1.4. 有效养分和有机质的动态
在提升养分有效性方面，NBP处理表现最为全面和突出。它使土壤有效磷（Avail-P）增加了119%，达到55.7 mg kg-1；有效钾（Avail-K）增加了49%。同时，NBP是唯一显著提升土壤有机质（SOM）的处理，增幅达30%。
3.1.6. 土壤酶活性的响应
土壤酶活性对改良剂的响应各异。NBP处理显著提升了转化酶（增幅178%）和脲酶（增幅44%）的活性。值得注意的是，只有NBP和NP处理显著增强了脲酶活性，而NB、NS和NW处理则无显著效果。碱性磷酸酶活性在NP处理下提升最为显著（增幅81%）。
3.2. 改良剂施用对产量的响应
改良剂处理显著提高了枣果产量。其中，NBP处理的产量最高，达到7.138 kg/株，比对照显著提高。NP处理的产量次之。NS（石墨烯）处理的增产效果在所有改良剂中最小。
3.3. 氮肥与土壤改良剂联用对土壤微生物群落结构的影响
3.3.1. 细菌Alpha多样性模式
改良剂处理改变了细菌群落的多样性。NBP处理的香农指数（Shannon index）最高，表明其细菌群落的丰富度和均匀度最佳。相反，NS处理显示出最低的多样性，提示石墨烯可能对荒漠土壤细菌多样性有抑制作用。
3.3.4. 基于FAPROTAX预测的功能基因丰度
通过FAPROTAX对细菌群落功能潜力进行预测发现，NBP处理预测的尿素水解（ureolysis）功能基因丰度最高，是对照的2.7倍，这与实测的脲酶活性升高趋势一致。此外，与碳循环相关的发酵（fermentation）功能基因也在NBP处理中最为丰富。
3.4. 氮肥与土壤改良剂联用对土壤-微生物-产量关系的影响
3.4.3. 基于SEM的改良剂影响作物产量的路径分析
为了厘清各因素间的因果关系，研究采用了结构方程模型。最终模型对产量方差的解释度高达88%。模型揭示，土壤有机质（SOM）对作物产量的影响并非直接作用，而是主要通过显著提升脲酶活性（UA）这一关键路径来实现。脲酶活性对产量具有极强的直接正向效应。而细菌群落的香农多样性本身对产量没有显著直接影响。这一发现表明，在干旱枣园系统中，脲酶介导的氮矿化是连接土壤有机质提升与作物增产的核心机制，其重要性超过了单纯的微生物多样性增加或无机氮库的大小。
结论与讨论
本研究综合表明，氮肥与生物炭和膨润土联合施用（NBP）是改善荒漠枣园土壤质量和提高产量的最有效策略。该组合产生了协同效应：在物理层面，共同优化了土壤结构和保水性；在化学层面，同步提升了碳氮储量及磷钾有效性，同时避免了严重氮固持；在生物层面，显著增强了与碳氮循环关键酶（尤其是脲酶）的活性。
微生物群落分析为此提供了机制解释。NBP处理并未盲目提高所有微生物的多样性，而是“智能”地富集了具有特定功能的菌门，例如擅长分解顽固有机物的放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota），以及与氮循环密切相关的变形菌门（Proteobacteria）。功能预测也显示，NBP处理下负责尿素水解和发酵的基因丰度最高。这些定向的群落功能重组，而非总体多样性的简单增加，是驱动土壤功能提升的关键。
最重要的是，结构方程模型定量地证实，脲酶活性是土壤有机质改善最终转化为枣树增产的“核心枢纽”和主要机制路径。这凸显了在贫瘠的荒漠土壤中，通过管理手段激活土壤自身的氮矿化潜能，比单纯补充无机氮肥更为根本和高效。
这项研究的结论具有重要的实践意义。它为干旱区果园的可持续土壤管理提供了一个经过验证的、协同增效的改良剂组合方案。未来的管理策略应注重通过生物炭等提供稳定碳源以增加有机质，利用膨润土等高阳离子交换量矿物保持养分，并通过创造合适生境来促进功能微生物（如产脲酶菌群）的繁衍。这项研究不仅为新疆乃至类似干旱农区的枣农提供了具体的技术参考，也深化了我们对“改良剂-土壤微生物-生态系统功能”内在联系的理解，强调了在农业管理中关注土壤生物过程的重要性。
