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        面对全球粮食安全和环境退化的挑战，了解植物与土壤之间复杂的相互作用对于未来的可持续农业至关重要。本综述通过对土壤特性和管理方法的全面评估，讨论了土壤健康与作物生产力之间的重要联系。通过研究土壤的物理、化学和生物特性，它揭示了土壤环境对作物生长造成的关键限制。综述强调了土壤质地、养分供应和湿度如何直接影响根系生长、水分吸收和养分利用效率，同时还探讨了多样化的耕作制度如何增强土壤生态和生物多样性。通过利用最先进的生物信息学，我们深入探讨了根圈微生物群落，强调了溶磷菌和固氮菌在促进重要养分循环方面的功能。使用微生物肥料提高作物抗病性和抗逆性的潜力是未来农业可持续发展的重要前提。在这方面，本综述强调了作物种植对土壤微生物多样性的长期影响，揭示了作物及其微生物伙伴在形成作物-土壤-微生物相互作用过程中错综复杂的选择过程。在土壤管理方面，根据土壤测试提出了实用的养分管理策略，强调了有机耕作和保护性耕作对土壤健康的益处。我们鼓励完善现代精准农业工具和遥感技术，以实现有效的养分管理。在政策层面，我们评估了旨在促进农业可持续发展的国际指导方针，提出了作物-土壤动力学的新研究途径，并提供了面对全球环境挑战制定土壤健康指标的方法。

         可持续农业对于应对日益严峻的粮食安全、环境退化和气候变化挑战至关重要。可持续发展的核心在于土壤与作物之间错综复杂的关系，这种动态的相互作用决定着作物产量、土壤健康和生态系统的恢复能力。了解并优化作物与土壤之间的协同作用对于提高农业产量和促进长期可持续性至关重要。土壤健康以其物理、化学和生物特性为特征，在决定作物产量方面起着基础性作用。土壤质地、含水量、pH 值和养分水平等生态因素都会直接影响作物的生长和发育（Hu 等人，2024 年）。沙质土壤保水性差，特别容易受到干旱的影响，而酸性土壤则会限制某些作物的生长（Naorem 等人，2023 年）。作物根系在增强土壤结构、促进土壤团聚体的形成、改善土壤通气性和持水能力方面发挥着重要作用（Lu 等人，2020 年）。此外，这些根系还能吸收有益微生物，帮助维持土壤生态系统的平衡（Han 等人，2021 年）。同样重要的是土壤生物多样性的作用，尤其是根圈微生物群落，它们在固氮和磷酸盐溶解等养分循环过程中至关重要（Saeed 等人，2021 年）。土壤细菌、真菌和放线菌与作物根系建立共生关系，促进养分吸收，增强抗病能力，并帮助分解有机物（Wei 等，2024 年）。这些微生物不仅能为作物提供营养，还能提高作物的抗逆性和抗病性，为抵御环境压力提供天然缓冲。作物-土壤-微生物之间的这种协同作用促进了养分循环，有助于整个土壤生态系统的稳定。

        除生物相互作用外，作物的种植方法、土壤耕作和施肥策略也直接影响土壤的 pH 值、有机质含量和微生物的特性。Khmelevtsova 等人，2022 年）。不同作物吸收和利用土壤养分的能力不同。选择合适的作物品种进行轮作和间作可以提高土壤肥力和健康水平（Glaze-Corcoran 等人，2020 年）。多样化的种植方法可以促进土壤微生物多样性，从而保持土壤生态系统的平衡和稳定（Gupta 等人，2022 年）。此外，土壤中的养分供应、水分保持和通气条件对作物的生长和产量也有重大影响（Zhang 等人，2022c）。作物根系的发育与土壤结构的疏松或紧实程度密切相关，而土壤微生物在根系生长中起着至关重要的调节作用（Sharma 等人，2021 年）。土壤微生物群落通过分解有机物、固氮和促进养分循环来促进作物的生长和发育（Yadav 等人，2021 年）。同时，作物根系分泌的根系渗出物可吸引土壤微生物，形成共生关系，提高微生物的多样性和丰度。深入了解作物与土壤微生物之间的互动关系对于优化土壤环境和提高作物产量至关重要。尽管这些相互作用至关重要，但目前的研究往往侧重于根系生长、养分吸收和抗逆性等孤立的方面。这种方法在将土壤-作物动力学纳入统一框架的综合评估方面留下了巨大的空白。与以往主要针对化学或生物方面的综述不同（Sela 等人，2024 年），本研究探讨了作物基因型、土壤特性和微生物群落之间的协同作用。通过这样做，它揭示了经常被忽视的相互选择机制。因此，本综述旨在探索作物与土壤之间多方面的相互作用，重点关注这些动态如何影响土壤健康和农业可持续性。通过综合微生物相互作用、土壤管理实践和先进的精准农业技术等方面的知识，我们为优化土壤-作物-微生物的协同作用提供了真知灼见。我们的最终目标是创造有弹性的农业实践，提高生产力，保护土壤资源，为全球可持续发展做出贡献。

        2.1. 土壤质地、根系发育和养分吸收土壤质地、根系发育和养分吸收 土壤的颗粒组成、质地和渗透性是决定土壤通气性、持水性和肥力的关键因素（Wei 等，2023 年）。质地过于疏松和渗透性过强的土壤可能会阻碍植物建立强大的根系，使植物容易受到环境压力的影响，最终导致植物生长不理想。这种情况会加剧养分沥滤和保水性降低等问题，给植物生长带来巨大挑战。相反，压实度高和渗透性差的土壤会导致积水和缺氧，严重限制根系的生长和功能，最终损害植物的健康和生产力（Manik 等人，2019 年）。此外，质地更软、更疏松的土壤通常更有利于微生物的定殖。这种微生物的存在对根瘤菌圈内的养分循环起着至关重要的作用，可促进养分的释放和转化，从而提高植物对养分的吸收（Vetterlein 等人，2020 年）。这些土壤支持一个动态的微生物生态系统，有助于分解有机物和产生促进植物生长的物质。与此形成鲜明对比的是，过度紧实的土壤为微生物增殖创造了不利条件。这种土壤中有限的孔隙空间和减少的氧气供应抑制了微生物的活动，导致养分矿化和供应下降。这对植物根系吸收和利用养分的效率产生了不利影响，从而降低了植物的生长和产量（Li 等人，2022 年）。土壤质地、微生物活动和根系发育之间的相互作用凸显了土壤与植物相互作用的复杂性，并强调了平衡土壤管理方法的必要性，以优化植物健康和农业生产力。粘质土壤的特点是颗粒小、表面积大，具有很强的吸水和保水能力，能显著提高作物的吸水能力，支持作物茁壮成长（图 1）。这种高保水能力尤其有利于在降雨量有限的地区保持土壤湿度。然而，粘土的低渗透性会使其易受水涝条件的影响，从而导致缺氧并增加根腐病的风险（Leotta 等人，2023 年）。粘性土壤积水造成的厌氧环境会影响根系呼吸和养分吸收，严重制约作物的生长和发育（Lian 等人，2023 年）。相比之下，沙质土壤由较粗的颗粒组成，颗粒间的空隙较大，有利于良好的排水和高通气性。尽管有这些优点，但沙质土壤的持水能力有限，水分流动性大，导致水分流失快，养分保留率低。这给作物根系获取充足的水分和必需的养分带来了巨大挑战，从而对植物的生长和发育产生负面影响（Adhikari 等人，2022 年）。沙质土壤的快速排水还可能需要更频繁的灌溉和施肥，从而增加资源使用和管理成本。壤土的特点是砂土、粉土和粘土（40-40-20%）的均衡混合，具有最佳的渗透系数（K = 8.67 × 10 5 至 3.22 × 10 5 厘米/秒）。这种平衡促进了充分的保水性（按体积计算高达 22%），同时确保了高效的排水，使壤土特别适合用于稳定稻田水位和类似用途（Khanh 等人，2024 年）。这些土壤通气性好，能保持良好的水分和氧气水平，这对健康的根系功能和植物的整体生长至关重要（Wang 等人，2024a）。壤土的结构支持动态和多样化的微生物生态系统，进一步加强了养分循环和可用性。壤质土壤均衡的物理特性使其成为农业生产的理想土壤，因为它们能缓解纯粘土或沙质土壤中出现的极端情况（Shahane 和 Shivay，2021 年）。对土壤质地的细致了解突出了定制化土壤管理措施的重要性，这些措施旨在优化水分和养分的供应，促进根系健康发展，提高作物产量。未来的研究和土壤保护战略应进一步研究土壤质地、微生物活动和植物健康之间的相互作用，以开发可持续的农业实践。在粘土中，由于这些土壤的阳离子交换容量（CEC）较高，作物经常会遇到与养分吸收有关的难题。虽然这种特性能使粘土有效地吸附和保留养分，但也会使植物根系较难获得这些养分。粘土的致密结构会阻碍根系的穿透，从而限制了对深层土壤养分的吸收（Grzebisz 等人，2022 年）。这种限制要求采取特定的管理措施，以提高养分的生物利用率并促进根系增殖。相反，以低 CEC 值和高渗透性为特征的沙质土壤通常会出现养分沥滤现象。沙质土壤颗粒大、孔隙率高，有利于快速排水，在植物根系吸收之前就会冲走必需的养分（Sale 等人，2021 年）。这种养分流失会导致植物生长发育不理想，因此需要经常施肥并进行细致的水分管理，以维持根系区域内充足的养分水平（Rosemarin 等人，2020 年）。淤泥具有中等粒径和较高的持水量，会带来与养分滞留有关的挑战。淤泥中的细颗粒可以保留水分和养分，但这也会减缓这些养分向植物根部的释放和移动（Bai 等人，2022 年）。这种停滞会导致一段时间内养分不可用，对植物生长和产量产生不利影响（Priya 等人，2024 年）。有效的土壤管理策略对于平衡淤泥中的水分保持和养分释放至关重要。为了应对这些挑战，可以实施特定的土壤管理措施。在黏性土壤中，施用有机肥和有策略地翻耕可以增强土壤结构，改善通气性，减少养分的过度吸附。肥料中的有机物可增加微生物活动，提高土壤孔隙度，从而促进根系生长和养分吸收（Zhang 等人，2022d）。对于沙质土壤，施用有机肥和覆盖物可显著提高有机质含量，改善土壤结构和保水能力。这些做法通过提高土壤保持水分和养分的能力来减少养分流失，从而为根系生长和养分吸收提供更稳定的环境（Du 等人，2022 年）。在淤泥质土壤中，采用适当的土壤疏松技术和改善排水系统可以提高通气性，促进养分的及时释放。这些做法有助于防止涝害，确保植物根系获得更稳定的养分供应，促进植物更健康地生长和发育。了解不同土壤类型的独特性质和相关挑战，对于制定有效的土壤管理策略至关重要。根据土壤质地采取有针对性的措施，可以优化养分供应，改善土壤健康，提高作物产量。

        2.2.土壤养分供应与作物产量 氮（N）、磷（P）和钾（K）是关键的常量养分，在支持作物生长和发育方面发挥着不可或缺的作用。然而，这些养分的管理需要慎重考虑，以避免对土壤健康和作物产量造成不利影响。手稿简要提到了过量施用氮肥造成的土壤酸化，但没有探讨其对微生物多样性、养分释放和更广泛的生态系统动态的长期影响。土壤酸化会改变微生物群落的结构，减少有益微生物的数量，破坏养分循环过程（Naz 等人，2022 年）。此外，这种酸化还会调动铝等有毒金属，从而抑制根系的生长和功能（Baloch 等人，2024 年）。因此，过量氮造成的失衡会对整个土壤生态系统产生连带效应，最终影响作物的健康和产量。钾是细胞核酸、三磷酸腺苷和磷脂的重要组成部分，所有这些物质对植物的能量传递、遗传信息存储和膜完整性都至关重要。缺磷会严重限制这些基本过程，导致生长迟缓和根系发育不良（Bhat 等人，2024 年）。由于钾在土壤中的流动性有限，通常需要对土壤进行战略性施肥和管理，以确保作物根系对钾的利用。此外，磷的过量施用会导致水体富营养化等环境问题，这就突出了平衡施肥的必要性。钾对于维持渗透压、激活酶和平衡作物细胞内的离子至关重要。它在光合作用、蛋白质合成和抗逆性方面发挥着重要作用。缺钾可能表现为萎黄病（叶片变黄）、叶片边缘坏死和整体生长迟缓，这会严重影响作物的产量和质量（Patel 等人，2022 年）。此外，钾能提高水分利用效率，增强对病虫害的抵抗力，因此充足的钾供应对作物的可持续生产至关重要。为优化这些基本养分的利用，应采用综合养分管理方法。这包括定期进行土壤检测，以监测养分含量，并采用精准农业技术，在适当的时间施用适当的养分。通过堆肥或覆盖作物掺入有机物可以提高养分保持率，减少对合成肥料的依赖。此外，使用缓释肥料和养分抑制剂有助于减少沥滤和径流，确保作物在较长时间内仍能获得养分。通过了解这些大量营养元素与土壤-植物系统之间复杂的相互作用，农民和农学家可以制定出更有效的养分管理策略。这些策略不仅能提高作物产量，还能促进长期的土壤健康和环境可持续性。过量的氮能促进作物的旺盛生长，从而导致密度增加、茎秆强度降低，最终导致产量和质量下降（Liu 等人，2022b）。同样，过量的磷会阻碍根系发育，对水分和养分的吸收产生不利影响，从而导致水分胁迫和养分缺乏（Bechtaoui 等人，2021 年）。此外，过量的氮会使土壤酸化，破坏土壤结构和微生物群落的平衡，从而影响土壤生态系统的整体健康。过量的磷可能会在土壤中积累，影响微生物的生长和活动，降低土壤呼吸作用，阻碍有机物的分解（Wang 等人，2024b）。此外，氮和磷等养分过量会改变土壤微生物的种类组成和数量，抑制有益微生物的生长，同时促进有害微生物的繁殖（Zeeshan Ul Haq 等人，2023 年）。这种失衡会损害土壤生态系统的保护和调节功能。总之，养分失衡是影响土壤健康和作物生长的关键因素。为了缓解与养分失衡有关的问题，必须采用科学的施肥方法，合理使用有机肥和化肥，保持土壤养分平衡。

2.3.土壤水分、排水和作物表现 在干旱胁迫下，作物会减少气孔开度，以减少水分蒸腾，增加根系表面积，从而提高吸水能力（Seleiman 等人，2021 年）。此外，作物会积累抗氧化剂以减轻干旱造成的氧化应激，从而保护细胞免受损害（Kerchev 和 Van Breuse gem，2022 年）。某些抗旱菌株可促进水分吸收，促进根系生长，并产生促进植物生长的物质，从而增强作物的抗旱能力。同时，共生菌株与植物建立互惠关系，提供氮和磷等必需营养物质，帮助作物更好地应对干旱条件。采用地膜覆盖技术可有效减少土壤水分蒸发，提高水分利用效率（表 1）。适当施肥可增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土壤保持水分和养分的能力（Tian 等人，2022 年）。选择抗旱品种和实施有效的灌溉系统也是提高作物抗旱能力的关键措施。滴灌能精确控制水流，比传统喷灌节水 33%，比沟灌节水 81.6%（Ismail 等，2024 年），同时还能增产约 30%（Geries 等，2021 年）。这种方法几乎消除了水的浪费，最大限度地减少了土壤蒸发损失，显著减少了水的浪费和蒸发，同时提高了作物产量和质量。在全球水资源日益匮乏的情况下，推广和应用这些高效灌溉技术对农业的可持续发展至关重要。玉米和小麦等根系较深的作物在干旱条件下能更有效地吸收土壤水分，从而增强抗旱能力。短周期作物对短期干旱环境的适应能力更强，而长周期作物则需要更强的抗旱能力才能完成其生长周期（Baccar 等人，2023 年）。此外，叶片小、茸毛密的作物可以最大限度地减少水分蒸发，从而减少干旱条件下的水分损失。因此，选择适合干旱环境的抗旱品种是实现农业可持续发展的关键一步。通过考虑根系结构、生长周期和叶片特征等因素，我们可以更有效地选择适应干旱条件的作物品种，提高作物的抗旱性，确保农业生产的持续能力。

        3.作物多样性与土壤健康 3.1.作物多样性的生态意义 作物多样性对土壤健康有重大影响，特别是通过其提供的基本生态系统服务（图 2）。不同植物物种在不同地理环境中表现出不同程度的适应性和兼容性。它们之间的相互作用可在生态系统中建立复杂的食物链和物质循环网络，从而提高稳定性和恢复力。此外，作物多样性还能提高土壤养分的利用效率，减少对化肥和农药的依赖，减轻农业对环境的不利影响（Rebouh 等人，2023 年）。通过种植多种作物，可以利用它们的协同效应提高农田的产量和质量，从而推进可持续农业发展目标的实现。此外，种植多种植被可提高土壤肥力和抗性，优化土壤微生物群落结构，增加土壤有机碳含量，促进土壤健康和生态系统良性循环（Toor 等人，2021 年）。在作物多样性中引入各种作物类型可提高适应性和抗性，从而减少病虫害的发生。作物之间的生态位差异有助于有效利用土壤养分，缓解土壤退化，维持土壤肥力和生产力（Sofo 等人，2022 年）。物种多样性水平越高，生产力就越高，因为不同物种在生态系统中发挥着不同的功能和作用，在共同的环境中形成互动网络（Chen 等人，2022 年）。不同类型的作物可以利用不同的土壤养分，从而缓解在同一块土地上长期种植同一种作物造成的养分耗竭问题（Das 等人，2022a）。不同作物之间的互补效应可以优化土壤资源利用，提高养分利用效率，促进作物的整体生长和发育。轮作和间作是促进作物多样性的基本管理方法。轮作不同作物或同时种植多种作物可显著提高土壤质量和生产力（Chahal 等人，2021 年）。轮作有助于减轻因连续种植单一作物而引起的土传病虫害的传播和积累（Yu 等人，2022 年）。此外，不同的种植方法可以改变土壤的微生物组成，有助于抑制害虫和病原体，从而减少对杀虫剂的依赖（Meena 等人，2020 年）。此外，轮作还能提高土壤中养分的利用效率。不同的种植方法表现出不同的养分需求，这可以最大限度地减少养分浪费，提高养分循环利用率。在间作方面，各种作物之间的协同作用可以增加土壤微生物的多样性（Stefan 等人，2021 年）。不同作物的根系渗出物可以增强土壤结构，提高有机质含量，促进土壤微生物的增殖和生长（Upadhyay 等人，2022 年）。此外，不同作物生长周期和特性的差异可以优化土壤资源的利用，改善土壤的整体质量（Qiao 等人，2022 年）。通过战略性地设计轮作和间作系统，可以提高土壤的微生物组成，减少土壤病虫害的发生，提高养分利用效率，从而促进农业的可持续发展。

        3.2.作物多样性使作物和微生物共同受益 作物多样性通常通过改变土壤生物多样性来促进土壤微生物群落的恢复。玉米、大豆和小麦等作物的种植会影响土壤微生物的多样性和丰度。各种植物根系释放的有机酸会对土壤微生物群落的结构和功能产生重大影响。此外，豆科植物根系释放的根瘤菌与根系建立了共生关系，从而提高了土壤中的氮含量，促进了氮循环（Abd-Alla et al.）此外，种植不同类型的作物会改变土壤寄生虫的生物多样性，进而影响土壤健康（Yang 等人，2020 年）。连续单一种植可能会导致某些病原寄生虫大量繁殖，导致土壤病原体增加，对作物健康构成威胁（Fones 等人，2020 年）。相反，种植多种作物可以减少寄生虫的发生，提高土壤健康水平。土壤养分循环是指各种养分在土壤中以不同形式进行转化和利用（图 3）。不同作物在生长过程中对营养的需求各不相同。有些作物可能会严重消耗特定的养分，导致其可用性降低，而有些作物则可能会有效利用替代养分，从而维持养分循环的平衡（Bai 等人，2024b）。各种作物多样化的根系结构和分泌物可促进土壤中有机物的积累，从而改善养分循环，增强土壤对干旱、极端温度和集约化农业耕作等冲击和干扰的抵御能力（Wei 等，2024 年）。此外，作物多样性还能影响土壤微生物的活动，进而影响土壤养分的循环。各种作物根系分泌的物质可吸引不同类型的微生物，其中一些可促进养分的矿化和转化，从而增加土壤中的养分供应（Das 等人，2022b）。在同一地区种植多种作物可能会导致类似病害的出现，这种单一种植的管理方式会促进此类病害的传播。相反，引进多种作物可以提高土壤中微生物的多样性，进而抑制病原体的生长和传播。不同作物不同的根部结构和分泌物也会促进有益微生物的生长和繁殖，从而改善土壤健康（Hartmann 和 Six，2023 年）。此外，不同作物对害虫的适应能力不同，轮作或间作等做法可减轻害虫的发生（Liu 等人，2022a）。有些作物含有抑制害虫的成分，相邻作物的种植可以促进互利，形成一个天然的害虫控制系统。

        .3.作物多样性提高土壤抗逆性 选择适当的作物种植结构，实行轮作和间作，可有效减少土壤中特定养分的消耗，同时最大限度地降低土传病虫害的发生率。合理施用化肥和有机肥有助于平衡土壤中的养分含量，确保作物获得最佳生长所需的养分（Bhunia 等人，2021 年）。除上述做法外，作物多样性还可通过各种基本机制增强土壤恢复力。多样化的种植系统引入了各种根系结构和深度，从而改善了土壤结构和质地，提高了土壤渗透性，并增强了持水能力。这些结构上的改善有助于提高水分渗透和保持能力，从而降低侵蚀风险，提高土壤抵御极端天气条件的能力。此外，不同根系渗出物的作物支持更多样化和功能性更强的土壤微生物群落（Zhou 等人，2023 年）。这种微生物多样性对养分循环至关重要，因为各种微生物专门分解不同的有机物成分，并调动养分供植物吸收。此外，多样化的微生物群落可以通过竞争排斥和产生抗菌化合物来抑制土壤病原体，从而降低土传疾病的发病率（Tian 等人，2022 年）。多种植物物种的存在也会扰乱害虫和病原体的生命周期，使其难以立足和繁殖。作物多样性还能提高养分利用效率，从而增强土壤生态系统的恢复能力。不同作物对养分的需求和吸收模式各不相同，这就避免了对特定养分的垄断，降低了养分耗竭的可能性。这种养分互补的使用方式确保了土壤中养分的均衡性和可持续性。此外，多样化的根系还能创造更多的土壤环境，从而支持更多的土壤生物，包括有益细菌、真菌和无脊椎动物。这些生物通过分解有机物、促进土壤团聚和改善土壤结构，在维护土壤健康方面发挥着重要作用。多种植物根系和土壤微生物之间的协同作用促进了稳定的土壤团聚体的形成，从而增强了土壤结构和抵御物理干扰的能力。这些团聚体改善了土壤的通气性和水分渗透，同时减少了压实，从而为根系生长和微生物活动创造了更有利的环境。具体来说，作物根系通过形成大孔隙来促进水和空气的流动，从而提高土壤的孔隙度，并通过根系渗出物和真菌菌丝结合土壤颗粒来增加团聚体的稳定性，从而使团聚体的平均重量直径增加 15-25%，根区的孔隙度增加 10-20%（C ́ arceles Rodríguez 等人，2022 年）。此外，多样化的植物残体可持续提供有机物供分解，确保养分的稳定释放，维持土壤有机质水平。不同植物物种根部渗出物和残留物成分的变化不仅为土壤微生物提供了额外的基质，还为各种微生物类群创造了龛位（Zha 等人，2022 年）。这种微生物多样性可确保多种功能群组应对环境条件的变化，从而提高土壤从干旱或虫害爆发等干扰中恢复的能力。因此，作物多样性会极大地影响土壤健康和农业生态系统的恢复能力。通过明智地采用多样化的种植方法，可以提高农田生产力和生态稳定性，从而实现农业的可持续发展。未来的农业生产应更加重视作物多样性在促进土壤健康和生态系统恢复力方面的作用，同时不断促进农业生态系统的健康发展。

4.利用作物-土壤-微生物的协同作用促进可持续农业 4.1.根圈微生物；概述 根圈微生物群落的结构与土壤中与植物根系接触的微生物种群的组成和组织有关（图 4）。这些微生物包括细菌、真菌、放线菌和古细菌以及其他各种微生物。根圈微生物群落的多样性与土壤的生物、生化和生态特征密切相关（Bian 等人，2020 年）。丰富多样的微生物群落可以提高养分循环效率，抑制土传病害，促进植物生长发育（Niu et al.）固氮菌能为植物提供氮营养，而拮抗真菌则能增强植物对土传病害的抵抗力（Ahmed 等人，2023 年）。此外，土壤微生物分解有机物，释放二氧化碳，还能促进土壤固碳，从而有助于减少温室气体排放（Raza 等人，2023 年）。通过调节根圈微生物群落的结构，可以改善土壤质量，预服务于农田生态系统，实现农业的可持续发展。固氮菌是存在于土壤中的微生物，能将植物无法利用的氮气和氮化合物转化为植物可以吸收的形式，从而丰富土壤中的氮资源（Harindintwali et al.）硝化细菌将氨氮氧化为硝态氮，硝态氮是植物的重要氮源。反硝化细菌在缺氧环境中将硝态氮还原为氮气，释放到大气中，并调节土壤中的氮含量，以维持氮平衡（Li 和 Zhou，2020 年）。此外，根瘤固氮菌可与植物形成共生结核，将氮气转化为植物可吸收的氮化合物，从而为植物生长提供必要的养分（Fahde 等人，2023 年）。此外，根瘤微生物还能产生促进植物生长和发育的辅酶。微生物通过释放有机酸和酶来降解复杂的有机养分，从而使作物更容易获得这些养分（表 2），在分解有机物的过程中发挥着至关重要的作用。此外，这些微生物还能合成赤霉素和茉莉酸等生长激素，促进根系生长，扩大养分吸收面积（de Andrade 等人，2023 年）。它们通过与菌根真菌的共生作用，增强对土壤中磷、氮和其他必需元素的吸收，有效提高养分利用效率（Mitra 等人，2023 年）。在分子水平上，固氮细菌通过氮酶的酶促作用将大气中的氮转化为氨，这一过程对于将氮转化为植物可以利用的有机化合物至关重要（Xing 等人，2025 年）。磷溶解细菌释放有机酸和质子，溶解不溶性磷酸盐化合物，使磷可供植物吸收（Zhang 等人，2025 年）。此外，根瘤微生物还能将土壤中的氮转化为无机形式的氮，供有韧性的根系吸收，从而提高氮的利用效率。微生物还能分解不溶性磷酸盐，将其转化为植物易于吸收的形式。在微观结构方面，微生物活动通过产生胞外聚合物物质和促进土壤颗粒的结合，有助于土壤团聚体的形成和稳定。这些团聚体通过增加孔隙、提高通气性和保水能力来改善土壤结构，而这些都是根系渗透和养分运输的关键因素（Philippot 等人，2024 年）。根圈微生物通过各种机制促进作物对养分的吸收，并增强土壤的化学和物理特性，在土壤健康方面发挥着不可或缺的作用。通过实施科学的施肥方法和有效的轮作策略，我们可以促进土壤微生物的多样性和丰富性，从而为实现可持续农业发展目标做出贡献。

        4.2.微生物对作物生长的影响 土壤中的微生物活动可促进土壤团聚体的形成，从而改善土壤结构，提高通气性和保水能力，最终有利于作物生长。生物肥料由各种有益微生物组成，包括固氮细菌、溶磷真菌和溶钾细菌。这些微生物通过复杂的分子信号途径与植物根系产生共生或协同作用，从而促进植物对养分的吸收和利用（Harman 等人，2021 年）。例如，豆科植物与根瘤菌之间的类黄酮和 Nod 因子交换启动了根瘤和固氮作用（Wang 等人，2019 年）。此外，生物肥料在分解土壤中的有机物方面发挥着重要作用，从而释放出植物所需的养分。通过酶的分解作用，有机物被转化为更简单的分子，如硝酸盐、铵和可溶性磷酸盐，这些物质很容易被植物利用，从而确保作物获得充足的营养。此外，生态系统中微生物的存在不仅能提高土壤肥力，还能增强植物的抵抗力，从而减少病虫害的发生（Elnahal 等人，2022 年）。农业生产中越来越多地采用微生物诱导的抗病性，以减少对化学农药的依赖，减轻环境污染（图 5）。植物生长促进剂中的微生物可刺激根系分泌抑制病原体生长的特定化合物（Ravelo-Ortega 等人，2023 年）。此外，这些微生物还能产生直接杀死病原体的抗生素，从而在抑制病害方面发挥重要作用。它们还能通过上调病原相关蛋白的表达和提高活性氧的产生来激活植物防御系统，而活性氧参与了加强植物防御的信号通路（Koza 等人，2022 年）。此外，微生物还能调节植物体内的内源激素水平，如增加水杨酸和乙烯，从而提高植物的抗逆性，增强其对病原体的防御能力。微生物可以通过多种途径减轻作物的生物压力。它们产生的抗生素和挥发性有机化合物能有效对抗病原体或寄生虫的入侵，从而减轻作物病害的严重程度。某些土壤细菌会产生抗真菌物质，抑制真菌生长，从而保护作物免受真菌感染。此外，微生物还能促进作物免疫系统的发展和增强，提高对病原体的抵抗力（Tiwari 等人，2022 年）。通过与植物根圈共生，微生物可激活植物防御系统，从而增强对疾病的免疫力（Nishad 等人，2020 年）。此外，微生物还能诱导植物产生抗病蛋白，进一步增强抗病能力（Wu 等人，2021 年）。通过促进根圈活动，微生物可增强植物的养分吸收能力，提高生长速度，并最终增强作物对生物胁迫的抵御能力。

        .3.作物对土壤微生物多样性的影响 不同的作物种植方式会显著改变土壤微生物群落的结构和丰富程度。传统的单一作物种植模式往往会导致某些微生物物种过度繁殖，而抑制其他微生物物种的生长，最终降低土壤微生物的整体多样性（Kunguang 等，2024 年）。相比之下，植物根部渗出物可促进土壤中有益微生物的生长，从而增加微生物的多样性（Agarwal 等人，2023 年）。此外，特定的作物种植模式可能会导致某些功能微生物的减少，从而削弱土壤的生态系统功能。相反，多样化的种植模式可以提高土壤微生物的多样性，促进土壤生态系统的稳定和健康。不同的作物种植会导致土壤微生物群落的多样性和结构发生变化，从而影响土壤生态系统的稳定性和功能（Hartmann 和 Six，2023 年）。值得注意的是，不同作物对土壤微生物的影响存在很大差异。例如，玉米、小麦和大豆等作物对土壤微生物多样性的影响更大，而水稻和棉花等作物的影响相对较小。不同作物的生长周期以及根部渗出物的类型和数量差异，对土壤微生物的生长、繁殖和新陈代谢活动产生了重大影响（Iannucci 等人，2021 年）。此外，作物对养分的高需求会加剧对土壤中特定养分的竞争，从而影响土壤微生物群落的结构和功能。作物根系释放的根外物质和根圈物质在影响土壤微生物的生长和新陈代谢方面起着至关重要的作用，从而影响土壤微生物的多样性。此外，不同作物不同的根系形态和结构会导致土壤中微生物的分布和丰度发生变化，最终影响土壤微生物群落的多样性（Zhou 等人，2022 年）。过量施用肥料会导致土壤中特定微生物种群过度生长，对其他微生物群落的生存和繁殖产生不利影响，最终导致微生物多样性减少（ˇ Simanský et al.）传统的耕作方法可能会破坏土壤结构，减少土壤微生物的数量和种类（Gupta 等人，2022 年）。相比之下，免耕或减少耕作的做法有助于保护土壤微生物的多样性。此外，实施覆盖作物和轮作可以在保持土壤养分平衡的同时提高土壤微生物的多样性。5.土壤管理和可持续农业 5.1.保持和提高土壤肥力 土壤肥力水平直接影响作物的生长和产量。要保持土壤肥力，必须了解土壤养分含量，并根据不同作物对养分的具体要求施肥。氮、磷和钾是作物生长的关键养分，任何一种元素的缺乏都会对作物生长产生不利影响。因此，定期进行土壤养分检测并根据检测结果有针对性地施肥对保持土壤肥力至关重要。此外，使用有机肥料也是保持土壤健康的一项重要策略。有机肥富含有机物和微生物，可以增强微生物活动，改善土壤结构，提高土壤整体肥力（Han 等人，2021 年）。通过施用适量的有机肥，可以提高土壤中的有机质含量，从而提高土壤保持水分和养分的能力，同时为作物提供均衡的营养。不同的土壤类型和作物需要不同的施肥方法。常见的施肥技术包括基肥、表施肥、灌溉施肥和叶面喷肥。采用科学的施肥方法可以最大限度地提高肥效，减少养分流失，并将土壤污染降到最低（Barł ́ og 等人，2022 年）。梯田可有效减缓雨水径流，从而减少土壤侵蚀和沉积物积累（Meng 等人，2024 年）。梯田的设计和排水系统的建造是最大限度减少土壤和水流失的关键因素。此外，土壤表面的植被覆盖可以有效抑制风蚀和水蚀，进一步减少土壤流失。这一点在干旱和多雨地区尤为重要，因为植被覆盖在保护土壤方面起着至关重要的作用。此外，合理的水土保持项目也是控制水土流失的有效措施。修建沟渠、绿化荒漠和恢复生态系统等技术可显著减少水土流失，从而保护土地的再生资源（Li 等人，2021 年）。适当灌溉可促进土壤养分的有效利用，从而提高作物产量和质量（Zhang 等人，2023 年）。相反，过度灌溉可能导致土壤中盐分积累，对作物生长产生不利影响。此外，排水不足会导致植物根部供氧不足，从而影响植物的正常生长。实施科学合理的灌排管理措施可以提高作物产量，保护土壤环境，促进农业可持续发展。因此，农民和农业管理者应优先考虑有效的灌排管理，同时不断寻求适合当地条件的最佳管理模式。5.2.可持续农业 保护性耕作通过利用覆盖作物保护土壤表层，将土壤暴露于外部环境的程度降至最低。这种做法降低了土壤侵蚀的风险（Bai 等人，2024a），减少了水和土壤流失，改善了土壤结构和质量，最终提高了农业产量和生产率（Zhang 等人，2021b）。通过减少耕作频率、谨慎控制灌溉量和合理施肥，可以最大限度地减少土壤板结和侵蚀，促进有益微生物的活动，提高土壤肥力和健康水平（Rehman 等人，2022 年）。此外，保护性耕作还能提高土壤的渗透性和保水性，促进土壤内部的气体交换，支持根系生长和养分吸收（Li 等人，2020 年）。在有机农业中，农民避免使用合成肥料和化学农药。相反，他们通过施用有机肥和生物农药来提高土壤肥力和维持生态平衡。有机耕作促进了土壤的生物多样性和微生物活动，改善了土壤结构和保水性，最终提高了作物产量和质量。这种方法提倡农业废弃物和生物质的循环利用，确保土壤和植物的健康生长，同时最大限度地提高资源利用率。有机农业不仅能改善土壤质量，还有助于保护地下水资源和维持生态系统平衡（Gamage et al.）通过最大限度地减少化学农药和化肥的使用，有机农业减少了对土壤和水的污染，从而减轻了对环境的负面影响。

        环境影响。有机农业是一种可持续的耕作方式，既能利用自然资源，又能保护生态环境。通过这些做法，可以提高土壤肥力和生产力，保护农田生态环境，促进农业可持续发展。推广和实施有机农业对实现农业可持续发展和保护环境资源具有重要意义。利用全球定位系统、卫星遥感和传感器技术，可以对土壤和作物生长情况进行精确监测和管理。根据这些监测结果，农民可以调整施肥、灌溉和病虫害防治措施，从而实现高效和可持续的农业生产。基因编辑技术还能培育出抗病虫害、适应气候变化的作物品种，从而极大地促进了可持续农业的发展（表 S1）。这种创新提高了作物产量和抗逆性，同时减少了对化学农药和化肥的依赖，进而降低了土壤污染。此外，基因编辑可以改善土壤微生物，促进有益微生物的生长和功能，提高土壤健康和作物质量（Ortiz 和 Sansinenea，2022 年）。无人机可以执行精确的农药施用、灌溉和作物保护操作，从而减少劳动力投入和化学农药的使用，进而降低生产成本，最大限度地减少对土壤和环境的负面影响（图 6）。此外，无人机还能快速收集农田数据，使农民能够及时应对虫害和气候变化等挑战。精准农业技术、基因编辑技术和无人机技术的融合可以显著提高农业生产效率，减少对土壤环境的破坏，提高作物产量，改善土壤健康状况。因此，必须积极推动现代技术在农业生产中的应用，促进农业可持续发展。5.3.土壤管理政策和框架 国际土壤管理政策包括土壤保护、土地利用规划、土壤改良和污染控制等几个主要方面（图 7）。首先，各国政府通过立法和政策措施加强土壤保护，限制土地的过度开发和使用，从而防止土地退化和荒漠化。其次，土地利用规划是保持土壤质量和生态平衡的重要工具。通过科学规划和合理利用土地资源，这些政策旨在保护环境和维持生态平衡。此外，土壤改良和污染控制也是国际土壤管理政策的重要组成部分。各国政府通过划拨资金和部署技术来恢复和管理受污染的土壤，从而提高土壤质量和生产力。可持续农业项目的资金来源主要包括政府拨款、国际组织资助和农业企业捐赠（DeLonge 等人，2016 年）。政府拨款通常用于支持农业技术研发，以及旨在提高生产水平和效率的农业生产设施建设。国际组织通过提供资金支持、技术援助和培训服务，在可持续农业项目中发挥着至关重要的作用，从而促进发展中国家和地区的可持续农业发展。农业企业的捐赠可以帮助生产者采用更环保的耕作方法，提高作物质量，从而促进实现可持续农业发展目标。间接补贴包括对农业研究机构、教育培训机构和农业技术服务机构的资助。

        6.结论与未来展望 本综述主要探讨了可持续农业背景下作物与土壤特性、作物多样性、根瘤菌过程与土壤健康、作物与土壤微生物相互作用以及土壤管理之间错综复杂的关系。我们的研究结果表明，作物栽培对土壤的物理、化学和生物特性有着深远的影响。各种作物不同的根系结构、生长模式和养分需求导致土壤中养分分布和循环的显著变化，进而影响土壤肥力和保水能力。土壤 pH 值、有机质含量和微生物群落结构等关键因素在影响作物的养分吸收和抗逆性方面起着举足轻重的作用。此外，作物多样性与土壤健康之间的关系也尤为突出。轮作和间作等做法不仅能促进土壤中微生物的多样性，还能增强其抑制病害的能力，降低因过度使用特定养分而导致土壤退化的风险。 农作物与土壤微生物之间的共生互动对维持土壤生态系统的微妙平衡至关重要。作物根系释放的有机物质为土壤微生物提供能量和养分，促进它们的生长和新陈代谢活动。作为回报，这些微生物通过固氮和溶磷等重要过程促进作物生长，这凸显了作物与土壤健康互动的重要性。随着气候变化的加剧和全球人口的不断增长，对土壤养分的需求将不可避免地增加。因此，当务之急是研究各种作物品种对不同土壤类型的适应性，并探索通过提高土壤肥力来提高作物产量的方法。作物与土壤微生物之间的协同作用是一个有价值的研究领域，因为这些微生物在土壤生态系统中发挥着至关重要的作用，可以影响作物生长和抗病等多个方面。未来的研究可以考察多种农业实践对土壤微生物群落结构的影响，并确定利用有益微生物促进作物生长的有效策略。此外，采用多样化的耕作制度可以改善土壤结构，保持土壤肥力，减轻病虫害的发生。因此，未来的研究应调查各种作物覆盖做法对土壤保护的影响，并评估多样化种植策略如何促进农业可持续发展。未来的研究应侧重于整合精准农业技术，以实时监测土壤健康状况，并调查特定微生物群落在增强作物抗逆性方面的作用。此外，探索具有气候复原力的种植系统和土壤有机碳固存方法可以减轻对环境的影响。让农民参与参与式研究并倡导支持性政策，对于推广兼顾生产力与生态健康的可持续农业实践也至关重要。总之，农业可持续发展的未来取决于对作物和土壤之间复杂相互关系的理解。