作为世界上最大的发展中国家，中国一公顷耕地平均需要负担10人的食物来源，而发达国家一公顷耕地平均只需负担不到2人。改革开放30余年来，中国粮食总产增加了约73%，但同期化肥用量却增加了约467%，粮食增长很大程度上依赖于大量化肥的投入。中国以不到世界1/10的耕地，施用了世界1/3的化肥，单位面积化肥用量是世界平均水平的3倍。如何提高化肥利用率一直是农业领域和化肥行业的一个研究难点和热点。越来越多的证据表明，地下生物是地上生物多样性和生产力的重要驱动力。

地上-地下生态系统内各要素间存在紧密而复杂的互动关系，主要通过物质和信息的交换，实现各要素间的相互作用。系统各组成要素之间的对话机制主要依赖于植物和微生物所分泌的信号物质。随着分析技术的进步，微生物和植物相关的信号分子及其功能的挖掘已经成为目前研究的热点。

土壤微生物是土壤肥力形成和持续发展的核心动力。一方面，微生物分解有机质，释放养分；另一方面，微生物与植物争夺养分。土壤微生物几乎参与了土壤中氮素循环的所有过程，包括氮矿化、硝化、反硝化、生物固氮等。铵态氮和硝态氮是对植物有效的两种主要无机氮源，不同植物种类甚至同一种植物的不同品种对铵态氮和硝态氮具有不同偏好。通过调控土壤硝化微生物的活性，可以影响铵态氮和硝态氮比例，进而影响植物氮效率。