中国农业大学张福锁院士团队发表《Science》

7月25日，国际顶级学术刊物《科学》（Science）在线发表了中国农大养分资源高效利用全国重点实验室、资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院王光州副教授、张俊伶教授、张福锁院士等在农业绿色发展领域取得的最新成果：《调控植物-土壤反馈，推动农业可持续发展》（Steering plant-soil feedback for sustainable agriculture）。该文章源于团队长期驻扎科技小院生产一线的实践积累，观察和剖析了农业绿色发展所面临的各种限制因素，基于在根际生态与调控领域40多年的研究积累，结合团队近年来在根际生命共同体理论研究方面的进展，系统阐述了植物-土壤反馈的原理、机制与调控过程，及其对推动农业绿色转型的实践意义，为农业可持续发展提供了全新的解决思路和方案。

论文将生态学研究中的“植物-土壤反馈”思想引入农田生态系统，创新性地提出了作物高产与土壤健康协同的系统化研究新范式。论述了当前以追求高产为目标的集约化农业过度依赖高产品种和外源投入，植物-土壤互作关系被削弱，造成系统负反馈作用加大，而正反馈作用减少，土壤退化严重，土壤健康现状恶化。由于长期忽视了土壤健康，在面对农业生产实际问题时多采用“快餐式”，且“头疼医头，脚疼医脚”的片面解决方式，导致土壤生态系统失衡，土壤多功能性难以发挥，严重威胁耕地质量和农业绿色发展。论文指出，未来农业科学研究需要改变研究范式，融合源自自然生态系统的解决方案，深入解析土壤生态系统各组分间的耦合作用、以及植物-土壤-微生物之间的互作机制，发展基于植物-土壤正向反馈为目标的土壤健康管理技术，强化土壤多功能性的发挥对耕地产能的贡献，减少外部依赖，推动绿色增产增效。在农业生产实践中，做到有益生物利用与有害生物防治兼顾，短期生产和长期健康统筹，用地和养地结合，推动作物生产和土壤生态系统服务的协同，实现“地越种越好”。

图1 基于植物-土壤反馈理念的土壤健康管理技术

“植物-土壤反馈”实践最早起源于农业生产轮作制度对作物病害的防控，之后生态学家将其应用到自然生态系统中，目前已发展成为生态学领域的研究热点和科学前沿。该理论将植物-土壤-微生物作为一个整体来研究，通过解析系统各要素之间的复杂互作关系，目前被广泛用于解释植物群落构建、生物入侵和生态系统演替等生态学领域的基础科学问题。论文指出，可持续农业亟需发展基于植物-土壤反馈的系统化创新思路和技术解决方案，将地上作物管理和地下土壤过程紧密结合，发展集当季作物生产与长期健康土壤培育为一体的综合管理模式。在个体水平上，需要深入揭示植物-土壤互馈机制，在关注病原菌危害的同时，还需充分揭示有益菌和腐生菌等与植物的互作机制，发挥生物网络的正向调控过程。借助现代分子育种与功能基因组学手段，定向改良植物的根系形态、分泌物组成和信号传导等，精准招募有益微生物、抑制病原菌，发挥级联放大效应，强化正反馈，减少负反馈，提高系统的内在效率，减少外部投入。在田块尺度上，通过作物-微生物协同育种、优化养分管理、保护性耕作和多样化种植等综合措施，促进作物-土壤之间的有益互作，实现产量提升与土壤健康的协同作用。

图2 植物-土壤反馈助推农业可持续发展

基于植物-土壤反馈的新理念，文章提出了未来农业科学研究的五大重点方向：（1）深入解析植物基因组和代谢组如何调控根际微生物群落结构和功能，指出作物育种亟需第一第二基因组的融合；（2）厘清根际微生物与土壤非生物属性之间的互作关系，培育健康土壤以支撑作物高质高产；（3）开发定殖效率高、环境适应性强的微生物接种剂及相关绿色技术和产品，减少化学品投入；（4）推广保护性耕作和作物多样化配置，强化种间互作和生物网络，增强地上-地下反馈协同；（5）构建作物高产与土壤健康协同提升的长效机制和管理策略，支撑农业系统的气候韧性。

张福锁院士团队长期致力于植物根际营养理论创新、农田和区域养分高效管理、农业绿色发展理论与实践等方面的研究，先后在Nature，Science，PNAS等顶刊发表36篇研究论文。张俊伶/王光州课题组前期在Nature Communications，Ecology Letters, Global Change Biology等期刊发表了多篇基于植物-土壤反馈理论的研究论文。此次发表在《科学》上的研究成果，进一步深化了团队在农田生态系统复杂互作机制和调控过程研究方面的科学认知，为我国农业绿色转型提供了创新思路和系统化的解决方案。

中国农大资源与环境学院优秀人才王光州副教授为论文第一作者，张福锁院士和张俊伶教授为通讯作者，荷兰皇家科学院院士Wim van der Putten教授，加拿大皇家学会院士John Klironomos教授参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金（32471638，U23A2054，32201330），国家重点研发计划（2021YFD1900901，2022YFD1900102）等项目资助。