英文題目：Crop rotational diversity enhances belowground communities and functions in an agroecosystem
中文題目：作物輪作多樣性增強農田生態(tài)系統地下部群落和功能
期刊名稱(chēng)：Ecology Letters（影響因子：10.56）
發(fā)表年份：2015年
通訊作者：Tiemann, LK
作者單位：Department of Natural Resources and the Environment, University of New Hampshire
Highlights
1. 在農業(yè)生態(tài)系統中，生物多樣性與生態(tài)系統功能之間的正向關(guān)系是由輪作多樣性和微生物多樣性之間的相互作用驅動(dòng)的。
2. 通過(guò)增加殘留物的數量，質(zhì)量和化學(xué)多樣性，高多樣性的輪作體系可以維持土壤生物群落，對土壤有機質(zhì)和土壤肥力產(chǎn)生積極影響。
研究背景
行作農業(yè)對土壤生態(tài)系統的破壞威脅到長(cháng)期糧食安全，增加大氣中的微量氣體排放，加速了土壤侵蝕并降低水質(zhì)。當前對于減輕耕作農業(yè)生態(tài)系統負面環(huán)境影響的工作主要從兩方面入手，即對土壤結構的頻繁干擾和過(guò)多的養分輸入，但成效有限。而通過(guò)將生物多樣性和生態(tài)系統功能相結合的生態(tài)理論，改善耕作農業(yè)中植物多樣性較低的問(wèn)題，可能會(huì )具有更大的前景。研究表明，較高的生物多樣性可以提高生產(chǎn)力、資源利用效率和養分利用率，并促進(jìn)生態(tài)系統穩定性。但這些結果主要基于草地生態(tài)系統，目前尚不清楚農業(yè)生態(tài)系統土壤是否對地上生物多樣性表現出相似的反應。
當通過(guò)輪作增加作物多樣性后，植物對于養分競爭和向土壤中輸入的化學(xué)成分和質(zhì)量在時(shí)間上的變化大于空間上的變化。并且，輪作多樣性還可以增加地下部效益，例如增加了土壤有機質(zhì)（SOM）儲量。植物多樣性的地下部效益主要與微生物群落的變化相關(guān)，微生物群落多樣性的增加可能會(huì )提高體系功能適應力或抗干擾能力。在農業(yè)生態(tài)系統中，真菌為主的群落與土壤SOM在質(zhì)量和數量上的增加有關(guān)。因此，微生物群落的變化，包括土壤微生物生物量和功能的增強，很可能與輪作影響土壤SOM儲量變化有關(guān)。但微生物群落結構的變化如何影響SOM對作物多樣性的反應仍存在不確定性。
土壤團聚過(guò)程是SOM動(dòng)態(tài)和土壤肥力的重要調節劑，與微生物群落的變化密切相關(guān)。微生物產(chǎn)生的菌絲和胞外聚合物質(zhì)會(huì )影響團聚體的形成和穩定過(guò)程，與SOM穩定性直接相關(guān)。此外，微生物群落的一些功能，例如產(chǎn)生胞外酶、團聚體結合劑的分解和生成與土壤團聚體的形成和SOM的積累有關(guān)。這些微生物的功能由群落的結構決定，因此，要確定功能的轉變是否可能是長(cháng)期的，還必須評估群落結構是否以及如何發(fā)生變化。
本研究在美國密歇根的凱洛格生物研究站進(jìn)行，試驗包括玉米單作(Cm)、玉米和大豆輪作(SC)、玉米和夏末/冬末豆科植物紅三葉草覆蓋種植（C1）、玉米、大豆、小麥不覆蓋輪作(SWC)、玉米、大豆、小麥覆蓋紅三葉草輪作(SWC1)以及玉米、大豆、小麥覆蓋紅三葉草和黑麥輪作(SWC2)，共設4次重復。
團聚體粒徑分布隨輪作的變化而變化，高多樣性輪作處理下的水穩性大團聚體（> 2 mm）較多（圖1a）。我們發(fā)現，由于輪作，田間濕團聚體的比例沒(méi)有顯著(zhù)差異。與C1、SC和Cm處理相比，SWC1的水穩性大團聚體（> 2 mm）穩定性最大，并且大團聚體（> 2 mm）穩定性與作物多樣性指數（CDI）、有機碳（SOC）、總氮（TN）和真菌豐度呈顯著(zhù)的相關(guān)性。
輪作處理中土壤有機碳含量高于相應的單作處理（圖1b）。在使用砂粒含量校正后，輪作處理后土壤大團聚體（> 2 mm）中SOC和TN濃度沒(méi)有區別，但隨著(zhù)輪作多樣性的增加，0.25 -2 mm和0.053-0.25 mm粒徑團聚體中SOC和TN濃度也增加（圖1c）。土壤有機碳和全氮含量的增加均與各團聚粒級作物多樣性的增加有關(guān)。綜合56天的呼吸速率表明，更高多樣性輪作對大團聚體（> 2 mm）的呼吸更多，而對0.25 -2 mm粒徑團聚體的呼吸略多（圖1d）。
由于較高的變異，土壤中胞外酶（EEA）的活性并未觀(guān)察到顯著(zhù)差異，但研究發(fā)現在>2 mm團聚體和0.25-2 mm團聚體中，較高的輪作多樣性增加了氮獲取相關(guān)胞外酶活性，降低了惰性碳獲取相關(guān)胞外酶活性（圖2a）。CDI與不穩定碳、氮、磷的胞外酶活性呈顯著(zhù)正相關(guān)，在> 2 mm團聚體中，CDI與惰性碳相關(guān)的EEA呈負相關(guān)關(guān)系。在所有作物多樣性水平上，活性碳、氮和磷相關(guān)的EEA活性在微團聚體中最大，而惰性碳相關(guān)的EEA活性在大團聚體中最大。
團聚體內的微生物PLFA生物量因輪作而不同，但這些差異與作物多樣性的增加無(wú)關(guān)（表1）。在輪作體系中，微生物PLFA總生物量在微團聚體（0.053-0.25 mm）中最大。在微團聚體中，細菌生物量在輪作多樣性高時(shí)大于多樣性較低時(shí)，與CDI呈正相關(guān)關(guān)系。微團聚體中真菌與細菌生物量的比例隨輪作而變化(表1)，當輪作多樣性越高，其比例越低，且與多樣性指數呈顯著(zhù)負相關(guān)。當將PLFA標記物的相對豐度劃分為微生物類(lèi)群時(shí)，研究發(fā)現了幾種取決于團聚體大小的顯著(zhù)作物輪作效應（表1；圖2）。
在> 2 mm團聚體中，SWC2處理下微生物功能多樣性（H’ EEA）最高，而在微團聚體（0.053-0.25 mm）中SWC2 和SWC1處理下微生物功能多樣性較高（表1）。與C1、SC和Cm相比，SWC2和SWC1處理下微團聚體（0.053-0.25 mm）中的PLFA多樣性（H’ PLFA）更大(表2)。在所有團聚體大小類(lèi)別中，H’ EEA和H’ PLFA均與CDI呈正相關(guān)。
表1 作物多樣性對酶活性比值、PLFA測定的微生物組的相對豐度和通過(guò)團聚體測定的微生物多樣性影響的單因素方差分析
隨著(zhù)作物輪作多樣性的增加，土壤中微生物群落結構的改變顯著(zhù)提高了土壤有機碳和全氮濃度。有機碳和全氮的最大濃度和最顯著(zhù)的增加發(fā)生在微團聚體（0.053-0.25 mm）中，表明這些增加是長(cháng)期的，因為微團聚體中的有機質(zhì)往往相對更穩定。在氮素改良特別有限的低投入農業(yè)系統中，對全氮積累和儲存的積極影響尤為重要。由此可見(jiàn)，在土壤可持續性和糧食安全的背景下，增加作物輪作多樣性應被視為一項重要的管理戰略。
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