在耕地资源紧缺的形势下,通过施用化肥提高作物单产,是减缓粮食需求压力、保障粮食安全的重要途径。然而,农户为了达到作物高产目的而过量施用化肥,导致了当前高投入、低效率以及高环境代价的粮食生产现状。因此,探索优化施肥下作物稳产增效的潜力与土壤的微生物学特征,进而构建土壤-微生物-作物三位一体的养分优化管理模式,是实现农业高产高效可持续生产的迫切需求。本研究通过农户调研结合文献整合分析,同时进行三年的田间试验,探究当前粮食生产面临严峻挑战的形势下,养分的调控潜力及其对作物生产与土壤肥力的影响。同时通过采集水稻-小麦轮作以及玉米-小麦/玉米轮作系统不同施肥管理下的土壤样品,运用定量PCR、高通量测序等现代分子生态学技术,结合土壤酶学,研究优化施肥下的土壤微生物群落多样性、土壤酶学特性以及氮循环功能微生物特性。研究结果表明:1.农户调研数据表明,江苏省农户水稻平均产量比全国平均水平高17%,而氮肥用量超过全国平均水平67%,导致氮肥偏生产力偏低,仅为全国平均水平的68%。整合分析表明,在江苏地区,与传统/常规施氮相比,氮肥减量显著降低植株氮素吸收量（-5.8-14%）,在一定程度上抑制了穗数的产生（-2.1—5.5%）,同时通过增加穗粒数（4.0-6.8%）、结实率（2.0-3.9%）以及千粒重（0.9-2.1%）来提高水稻产量（2.8-5.7%）和氮肥偏生产力（52-77%）。此外,水稻季氮肥减量的效应还受到水稻品种、减量方式及比例以及土壤基础地力的影响。合理的养分运筹以及有机肥（秸秆）施用是氮肥减量的有效途径。江苏省水稻的氮肥推荐减量空间为31%,其中基、蘖肥是其主要的减量方向。2.与农户习惯施氮相比,优化施氮下稻麦产量以及氮肥利用率均显著增加。在优化施氮基础上进行有机肥替氮20%能够在维持产量水平的前提下,大幅提高氮肥利用率。有机肥施用有利于稻麦产量获得更高的可持续性与稳定性。与对照相比,施肥尤其是有机肥的施用,显著提高了土壤SOC与TN含量。土壤SOC、TN含量与作物产量显著相关。3.在水稻-小麦轮作系统中,与单施化肥土壤相比,有机肥处理土壤中碳氮循环相关酶的几何平均酶活性（GMea）显著增加。相比之下,微生物碳利用效率与微生物氮利用效率的比值（mCUE:mNUE）在单施化肥土壤中最高。细菌和真菌群落组成都受到施肥管理的显著影响,但是,微生物功能指标的变化仅与细菌群落组成的变化有关,而与真菌无关。短期施肥下,有机添加物的施用能够刺激土壤细菌功能类群Luteimonas和Gemmatimona属的生长。土壤有机碳是影响细菌群落组成的主要因素。4.在水稻-小麦轮作系统中,与对照相比,化肥施用显著增加了细菌amoA、narG、nosZ和nifH基因的丰度。与单施化肥的土壤相比,秸秆还田进一步提高了细菌amoA、narG、nosZ、nifH以及nirK等基因的丰度。与对照相比,除了古菌amoA、nirS、napA基因,有机肥与化肥配合施用显著提高了所有氮循环功能基因的丰度。在不同施肥管理下,细菌amoA基因丰度的变化对土壤整个氮循环功能基因丰度的变化影响最大。在所有施肥土壤中,AOB主导了土壤的硝化过程（82-85%）。AOB（而不是AOA）amoA基因拷贝数与硝化潜势显著相关。短期施肥下,土壤pH、SOC和NO3-是影响氮循环功能微生物丰度的主要因素。5.在玉米-小麦/玉米轮作系统中,不同的施肥管理导致土壤微生物群落以及碳氮循环相关酶活性发生显著改变。土壤酶活性的变化与细菌和真菌群落结构的变化密切相关。土壤pH是引起土壤微生物群落和土壤酶活性变化的主要非生物因素。与真菌群落的变异相比,细菌群落的变异是预测土壤酶活性变化的首要生物因素。6.在玉米-小麦/玉米轮作系统中,单施有机肥下土壤的硝化活性最高（45 mg N kg-1 soil d-1）,而单施化肥下土壤的硝化活性最低（2.8 mgN kg-1 soil d-1）。AOA主导（94%）不施肥处理下土壤的硝化过程,AOB则主导（85-89%）所有施用有机肥的土壤的硝化过程,而单施化肥下AOA（46%）与AOB（54%）对土壤硝化过程的贡献几乎等同。与不施肥处理相比,施用有机肥和少量化肥能够提高土壤中AOA丰度,但单施化肥会降低AOA的丰度,而AOB的丰度在所有施肥的土壤中均被显著地提高。回归分析表明,AOA的活性与其amoA基因丰度呈线性相关,而AOB的活性与其amoA基因丰度呈指数相关。在不施肥处理下的土壤中,AOA与AOB的优势菌群分别为group I.1b thaumarchaeota和Nitrospira 属 clusters 3a.1。相比之下,在单施化肥的土壤中,AOA 与 AOB 的优势菌群转变为 group I.1a-associated、Nitrosospira属 cluster 3a.2和8b;而在单施有机肥的土壤中,AOB的优势菌群转变为Nitrosospira属cluster 3b和8b。聚类推进树分析表明,土壤铵态氮的含量与土壤pH分别是影响AOA活性和多样性、AOA丰度和群落结构的主要影响因素。对于AOB而言,土壤铵态氮的含量、土壤pH和土壤电导率分别是影响其群落结构、活性与多样性、丰度的主要影响因素。综上所述,合理的氮肥运筹以及有机肥施用能够在保证作物产量的前提下,减少氮肥用量,提高作物的氮肥利用效率。此外,有机肥施用能够提高作物产量的可持续性与稳定性。有机肥的施用主要通过改善土壤理化性质,调控土壤微生物群落尤其是细菌群落的多样性,刺激土壤酶活性的表达,同时增强土壤氮循环相关微生物功能活性,最终影响土壤肥力。