联合国报告预测,2050年全世界人口数量将接近98亿。人口的急剧增长对粮食安全产生巨大压力。在传统农业生产中,提高粮食产量往往需要施用大量化肥、农药。然而,过量施用化肥、农药会对环境产生巨大负面影响。随着纳米技术的迅速发展,越来越多的纳米材料应用到农业生产中,一些纳米材料（纳米二氧化硅、纳米二氧化钛）在提高营养元素生物有效性、调控植物生长发育、提高籽粒产量品质、增强植物抗性等方面有良好表现。蚯蚓是“土壤生态系统工程师”,通过挖穴、分泌粘液及排泄蚯蚓粪等行为显著调节土壤肥力,进而影响作物生长与健康。然而,在蚯蚓活动下,土壤施用纳米材料后作物的响应机制会发生何种变化尚未有明确研究。因此,为了更好地指导纳米材料在农田安全、可持续应用,本研究选用威廉腔环蚓（Metaphire guillelmi）作为实验土壤动物,选用玉米（Zea may L.）作为实验植物,选用草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）作为植食性昆虫,从蚯蚓际与根际土壤过程、植物表型性状与营养代谢变化、植物物理与化学防御等不同维度进行探究,旨在阐明蚯蚓介导下纳米材料调控土壤养分有效性、作物生长及抗虫性的内在机制。主要研究结果如下:（1）与硅酸钠相比,土壤施用同剂量(10 mg kg-1)纳米二氧化硅显著提高了根际和蚯蚓际硅酸盐溶解细菌丰度,进而提高了根际和蚯蚓际土壤中硅酸含量。单独施用10mg kg-1纳米二氧化硅对玉米生长没有显著影响,然而10 mg kg-1纳米二氧化硅与蚯蚓联合施用显著提高了玉米根、叶中的硅含量,进而增加了玉米生物量。此外,玉米根系代谢组学结果表明,单独施用10 mg kg-1纳米二氧化硅显著改变了玉米根系碳氮代谢,在纳米二氧化硅与蚯蚓联合施用下,一些糖类（麦芽糖和果糖）、氨基酸类（苯丙氨酸和谷氨酸）、小分子有机酸类（咖啡酸和富马酸）代谢物含量进一步上调。（2）研究在接种蚯蚓土壤中,施用不同浓度(10、50、100 mg kg-1)纳米二氧化硅对玉米生长的影响,通过评估生物量等指标,证实50 mg kg-1纳米二氧化硅与蚯蚓联合施用取得最好的促生效果。蚯蚓与50 mg kg-1纳米二氧化硅联合施用显著激活了生长素介导的玉米生长和发育过程,并且增强了玉米叶片中的光合作用,进而提高了玉米叶片中总糖和蔗糖含量,促进光合产物从源到库的转移,提高了玉米产量。借助代谢组学技术进一步分析了玉米籽粒中代谢物变化,蚯蚓与50 mg kg-1纳米二氧化硅联合施用显著上调了玉米籽粒中1-磷酸葡萄糖、6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、葡萄糖和果糖等代谢物含量。（3）与较低浓度(10 mg kg-1)相比,施用50 mg kg-1纳米二氧化钛显著降低了蚯蚓际中反硝化功能基因丰度,抑制了温室气体氧化亚氮的排放。同时,施用50 mg kg-1纳米二氧化钛提高了玉米根际固氮和硝化功能基因丰度,提高了根际硝态氮浓度。通过评估玉米生物量、净光合速率等指标,证实蚯蚓与50 mg kg-1纳米二氧化钛联合施用取得了最好的促生效果。选用最优培养体系进一步研究了玉米叶片代谢响应和籽粒产量及品质变化。在蚯蚓与50 mg kg-1纳米二氧化钛联合施用下,玉米叶片中多种酚酸类（香草酸、阿魏酸和芦丁）、氨基酸类（亮氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸和苏氨酸）、糖类（葡萄糖、果糖和海藻糖）代谢物的含量显著上调,玉米籽粒产量显著增加,玉米籽粒中必需氨基酸和总氨基酸含量显著增加。（4）在草地贪夜蛾胁迫下,通过测定幼虫体重增加量,证实蚯蚓和纳米二氧化硅联合施用下玉米抗虫效果最好。进一步研究发现,单独添加纳米二氧化硅增加了玉米叶片木质素、茉莉酸、绿原酸和丁布含量,提高了叶片物理防御和化学防御。单独添加蚯蚓增加了玉米叶片茉莉酸、绿原酸和丁布含量,提高了玉米叶片化学防御。纳米二氧化硅和蚯蚓联合施用进一步提高了玉米叶片中的物理防御和化学防御物质含量。随机森林分析模型预测对草地贪夜蛾幼虫抗性相对贡献最多的五种玉米叶片成分依次是丁布、硅、茉莉酸、绿原酸和木质素。