英文题目：Crop rotational diversity enhances belowground communities and functions in an agroecosystem
中文题目：作物轮作多样性增强农田生态系统地下部群落和功能
期刊名称：Ecology Letters（影响因子：10.56）
发表年份：2015年
通讯作者：Tiemann, LK
作者单位：Department of Natural Resources and the Environment, University of New Hampshire
Highlights
1. 在农业生态系统中，生物多样性与生态系统功能之间的正向关系是由轮作多样性和微生物多样性之间的相互作用驱动的。
2. 通过增加残留物的数量，质量和化学多样性，高多样性的轮作体系可以维持土壤生物群落，对土壤有机质和土壤肥力产生积极影响。
研究背景
行作农业对土壤生态系统的破坏威胁到长期粮食安全，增加大气中的微量气体排放，加速了土壤侵蚀并降低水质。当前对于减轻耕作农业生态系统负面环境影响的工作主要从两方面入手，即对土壤结构的频繁干扰和过多的养分输入，但成效有限。而通过将生物多样性和生态系统功能相结合的生态理论，改善耕作农业中植物多样性较低的问题，可能会具有更大的前景。研究表明，较高的生物多样性可以提高生产力、资源利用效率和养分利用率，并促进生态系统稳定性。但这些结果主要基于草地生态系统，目前尚不清楚农业生态系统土壤是否对地上生物多样性表现出相似的反应。
当通过轮作增加作物多样性后，植物对于养分竞争和向土壤中输入的化学成分和质量在时间上的变化大于空间上的变化。并且，轮作多样性还可以增加地下部效益，例如增加了土壤有机质（SOM）储量。植物多样性的地下部效益主要与微生物群落的变化相关，微生物群落多样性的增加可能会提高体系功能适应力或抗干扰能力。在农业生态系统中，真菌为主的群落与土壤SOM在质量和数量上的增加有关。因此，微生物群落的变化，包括土壤微生物生物量和功能的增强，很可能与轮作影响土壤SOM储量变化有关。但微生物群落结构的变化如何影响SOM对作物多样性的反应仍存在不确定性。
土壤团聚过程是SOM动态和土壤肥力的重要调节剂，与微生物群落的变化密切相关。微生物产生的菌丝和胞外聚合物质会影响团聚体的形成和稳定过程，与SOM稳定性直接相关。此外，微生物群落的一些功能，例如产生胞外酶、团聚体结合剂的分解和生成与土壤团聚体的形成和SOM的积累有关。这些微生物的功能由群落的结构决定，因此，要确定功能的转变是否可能是长期的，还必须评估群落结构是否以及如何发生变化。
本研究在美国密歇根的凯洛格生物研究站进行，试验包括玉米单作(Cm)、玉米和大豆轮作(SC)、玉米和夏末/冬末豆科植物红三叶草覆盖种植（C1）、玉米、大豆、小麦不覆盖轮作(SWC)、玉米、大豆、小麦覆盖红三叶草轮作(SWC1)以及玉米、大豆、小麦覆盖红三叶草和黑麦轮作(SWC2)，共设4次重复。
团聚体粒径分布随轮作的变化而变化，高多样性轮作处理下的水稳性大团聚体（> 2 mm）较多（图1a）。我们发现，由于轮作，田间湿团聚体的比例没有显著差异。与C1、SC和Cm处理相比，SWC1的水稳性大团聚体（> 2 mm）稳定性最大，并且大团聚体（> 2 mm）稳定性与作物多样性指数（CDI）、有机碳（SOC）、总氮（TN）和真菌丰度呈显著的相关性。
轮作处理中土壤有机碳含量高于相应的单作处理（图1b）。在使用砂粒含量校正后，轮作处理后土壤大团聚体（> 2 mm）中SOC和TN浓度没有区别，但随着轮作多样性的增加，0.25 -2 mm和0.053-0.25 mm粒径团聚体中SOC和TN浓度也增加（图1c）。土壤有机碳和全氮含量的增加均与各团聚粒级作物多样性的增加有关。综合56天的呼吸速率表明，更高多样性轮作对大团聚体（> 2 mm）的呼吸更多，而对0.25 -2 mm粒径团聚体的呼吸略多（图1d）。
由于较高的变异，土壤中胞外酶（EEA）的活性并未观察到显著差异，但研究发现在>2 mm团聚体和0.25-2 mm团聚体中，较高的轮作多样性增加了氮获取相关胞外酶活性，降低了惰性碳获取相关胞外酶活性（图2a）。CDI与不稳定碳、氮、磷的胞外酶活性呈显著正相关，在> 2 mm团聚体中，CDI与惰性碳相关的EEA呈负相关关系。在所有作物多样性水平上，活性碳、氮和磷相关的EEA活性在微团聚体中最大，而惰性碳相关的EEA活性在大团聚体中最大。
团聚体内的微生物PLFA生物量因轮作而不同，但这些差异与作物多样性的增加无关（表1）。在轮作体系中，微生物PLFA总生物量在微团聚体（0.053-0.25 mm）中最大。在微团聚体中，细菌生物量在轮作多样性高时大于多样性较低时，与CDI呈正相关关系。微团聚体中真菌与细菌生物量的比例随轮作而变化(表1)，当轮作多样性越高，其比例越低，且与多样性指数呈显著负相关。当将PLFA标记物的相对丰度划分为微生物类群时，研究发现了几种取决于团聚体大小的显著作物轮作效应（表1；图2）。
在> 2 mm团聚体中，SWC2处理下微生物功能多样性（H’ EEA）最高，而在微团聚体（0.053-0.25 mm）中SWC2 和SWC1处理下微生物功能多样性较高（表1）。与C1、SC和Cm相比，SWC2和SWC1处理下微团聚体（0.053-0.25 mm）中的PLFA多样性（H’ PLFA）更大(表2)。在所有团聚体大小类别中，H’ EEA和H’ PLFA均与CDI呈正相关。
表1 作物多样性对酶活性比值、PLFA测定的微生物组的相对丰度和通过团聚体测定的微生物多样性影响的单因素方差分析
随着作物轮作多样性的增加，土壤中微生物群落结构的改变显著提高了土壤有机碳和全氮浓度。有机碳和全氮的最大浓度和最显著的增加发生在微团聚体（0.053-0.25 mm）中，表明这些增加是长期的，因为微团聚体中的有机质往往相对更稳定。在氮素改良特别有限的低投入农业系统中，对全氮积累和储存的积极影响尤为重要。由此可见，在土壤可持续性和粮食安全的背景下，增加作物轮作多样性应被视为一项重要的管理战略。
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