Nature Food | 苏黎世大学研究揭示增加土壤微生物多样性是提高作物产量的关键！

集约耕作、施肥和使用农药等集约农业实践的环境成本，除了扩大种植面积外，还需要采取更可持续的实践方法以增加现有耕地的农作物产量，同时保持其提供各种功能和服务的能力。这种可持续的耕作系统可以优化作物产量和土壤多功能性（SMF），即土壤同时提供多种生态系统功能和服务的能力。同时实现这些目标的一种有前途的方法是促进地上和地下生物多样性。地球生物多样性的很大一部分都在地下，其中很大一部分由土壤微生物群落组成（生活在地下的细菌能否有助于应对气候变化？）。土壤微生物多样性在土壤过程中起着不可或缺的作用，例如养分循环、碳储存和土壤结构的发展（微生物和碳循环；微生物和氮循环；“少肥多产”不是梦；Nature Communications | 微生物多样性驱动土壤碳利用）。来自自然生态系统的最新证据表明，土壤微生物多样性促进了生态系统的功能和SMF。在农业系统中，微生物多样性可以提高作物的产量和质量（Trends in Microbiology | 微生物接种剂：银色子弹还是微生物侏罗纪公园？Current Biology | 新观点：根际微生物通过关键代谢物塑造群落的时空发展与农业生产力！eLife | 植物与微生物的相互作用：揭秘天然的抗生素—吩嗪！eLife | 吩嗪合成和降解分析揭示了农业土壤和作物微生物组中物种特有的定殖模式）。但是，尚不清楚增加的微生物多样性是否可以通过对土壤功能的积极影响来提高产量。

促进微生物多样性的潜在方法是改变相关的植物群落（eLife | 加拿大蒙特利尔大学研究揭示微生物相互作用影响群落多样性的机制！New Phytologist | 明尼苏达大学研究揭示植物和土壤微生物群落之间的适应性机制！）。例如，已经表明增加生物分类和功能植物的多样性可以增加自然生态系统和耕作系统中土壤微生物的多样性。这主要是由于植物组织的生化成分不同，因此是通过根和叶凋落物进入根际的，它们支持特定微生物群落的能力各不相同。此外，除了对微生物群落产生积极影响外，研究表明增加农业系统中的分类学和功能多样性可以促进植物产量，尽管其中大多数将覆盖作物与裸露土壤进行比较，或将不同的经济作物轮作与单一作物进行比较（图1）。此外，耕作和施肥等农业管理措施可能对土壤微生物群落结构、多样性和整体生态系统功能产生重大影响。但是，大多数研究土壤生物多样性对作物系统影响的研究都没有明确考虑作物多样性、管理实践与环境因素（例如气候条件和土壤特性）之间的相互联系。缺乏系统级的分析限制了我们对生物多样性、气候与农业管理之间联系的理解，因此阻碍了我们通过有针对性的管理实践来提高产量和土壤功能的能力。

图1：温带作物系统中作物覆盖率和多样性类型

近日，国际顶级期刊Nature Food发表了瑞士苏黎世大学Marcel G. A. van der Heijden团队和德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授团队合作的研究论文，题为Crop cover is more important than rotational diversity for soil multifunctionality and cereal yields in European cropping systems。

在自然生态系统中，已广泛观察到植物多样性对生态系统功能的积极影响，但在种植系统中是否如此尚不清楚。本研究评估了欧洲北部-南部3,000 km 梯度下155个农田中作物多样化对土壤微生物多样性、土壤多功能性（SMF）和作物产量的影响。总体而言，作物多样性对土壤微生物多样性、SMF和产量的影响相对较小。相反，在过去十年的轮作期间，农作物覆盖时间（包括经济作物，农作物或草料作物）的时间比例影响更大。这表明增加农作物的覆盖面积可以提高产量和土壤功能，同时还可以为土壤微生物提供栖息地。结果发现SMF对作物产量没有积极贡献，这表明必须注意平衡食品供应与对环境有益的功能和服务，因为它们并不总是齐头并进。

图2：按国家和作物类型划分的作物物种丰富度

图3：十年轮作中每个国家的作物覆盖率分布

图4：整个采样网络中作物多样性与作物覆盖率之间的关系

图5：农业管理实践对细菌多样性、作物产量和SMF的影响

图6：结构方程模型显示环境和人为管理因素对土壤微生物多样性、SMF和农作物产量的影响

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