在欧洲农业系统里，作物覆盖时间比轮作多样性对土壤多功能性和谷物产量更为重要

导    读

提高土壤多功能性和增加作物产量是可持续农业发展的重要目标，虽然在我们的研究里这二者没有协同作用，但是可持续农业的发展必须要在粮食供应和有益于环境的功能和服务之间取得平衡。

编译：伍倩仪

来源：再生农业 Regenerative Ag公号（2021年3月23日）

原文地址：Garland, G., A. Edlinger, S. Banerjee, F. Degrune, P. García-Palacios, D.S. Pescador, C. Herzog, S. Romdhane, A. Saghai, A. Spor, C. Wagg, S. Hallin, F.T. Maestre, L. Philippot, M.C. Rillig, and M.G.A. van der Heijden. 2021. Crop cover is more important than rotational diversity for soil multifunctionality and cereal yields in European cropping systems. Nat. Food 2(1): 28–37Available at http://dx.doi.org/10.1038/s43016-020-00210-8.

概括

在自然生态系统中，植物多样性对生态系统功能的积极影响已被广泛研究，但在种植系统中仍不清楚是否如此。所以，我们评估了作物多样化对欧洲由南到北三千公里范围内五个国家的155个谷田的土壤微生物多样性、土壤多功能性和作物产量的影响。总体而言，作物多样性对土壤微生物多样性、土壤多功能性和作物产量的影响相对较小，但作物覆盖的时间比例却对以上三者的影响更大，其中覆盖的作物包括经济作物、覆盖作物或牧草。这表明，增加作物覆盖可以提高作物产量和土壤功能，同时也为土壤微生物提供栖息地。此外，我们还发现土壤多功能性对作物产量并没有积极的促进作用。虽然土壤多功能性和作物产量并不是齐头并进，但是可持续农业发展必须要在粮食供应和有益于环境的功能和服务之间取得平衡。

作物覆盖时间和种类影响着作物多样性

在五个国家中，瑞士整体作物多样性和作物覆盖的时间比例都是是最高的，而西班牙则是最低的 （图4）。与其他国家相比，瑞士的土壤裸露时间是最少的，所以降低土壤裸露是瑞士拥有最高作物多样性的重要因素。而且，各国种植经济作物的时间比例是差不多的，但瑞士的作物覆盖时间是最长的，包括种植覆盖作物和牧草，所以这额外的作物覆盖提高了瑞士整体作物的多样性。此外，环境、经济和社会因素也会影响各国的作物多样性。瑞士政府利用资金激励来鼓励农民种植覆盖作物和牧草，所以瑞士的作物多样性也有赖于政策的支持。

图4. 数据中作物多样性与作物覆盖率的关系 a-c, 作物多样性的平均值（使用Shannon diversity index）(a)， 每个国家的作物覆盖时间（b），作物多样性和作物覆盖时间的Pearson相关性 （***, p<0.0001）(c). 取样数量n，西班牙， n=22; 法国，n=29；瑞士， n=38；德国，n=35；瑞典， n=31。a和b 中的箱线图分别代表了每个国家的作物多样性和作物覆盖时间的中值和范围。 

土壤微生物多样性取决于环境因素

在考虑环境变量和管理方法后，各国间空间属性的差异才是土壤微生物多样化的根本原因，作物多样性对微生物多样性的影响基本可以忽略 （图6）。因此，多样化种植对提高微生物多样性的效果显然取决于环境因素。虽然作物多样性对微生物多样性的影响较弱，但这很可能是由于我们比较的是十年间多样化轮作的遗留效应，而实际取样时，田间只有单一作物，所以作物多样性和土壤微生物多样性的之间的强度并不比草原中那样明显，因为草原上同时存在着多种植物。这表明了，在空间上实现作物系统的多样化，如间作，可能比顺序轮作的作物多样化更加有利于促进土壤生物多样性和功能。相对于多样性轮作, 覆盖作物能提供持续的碳和养分，从而支持更多样化的生物群落，因此延长作物覆盖时间对土壤微生物有着积极影响 （图5）。

图5. 农业管理方法对细菌多样性、作物产量和土壤多功能性的影响。细菌多样性和作物多样性使用Shannon diversity index计算。作物覆盖率以过去 10 年轮作中种植经济作物、覆盖作物或饲料作物的时间比例计算。管理强度指数采用主成分分析方法计算，包括与施肥、耕作和病虫害控制措施的相关变量。样本的国家来源用颜色表示。根据线性混合效应模型，红色星号表示显著的空间(经纬度)和国家影响(*, p<0.05; **, p<0.01; ***, p<0.0001；见补充表1)。

延长作物覆盖的时间比例对土壤多功能性有积极影响

降雨量，土壤黏土含量，和作物覆盖时间比例都对土壤多功能性有正向影响，而作物多样性则对土壤多功能性没有影响 （图6）。土壤多功能性和细菌多样性呈负相关， 而且黏土含量和细菌多样性也是负相关。土壤矿物异质性有助于提高微生物群落中的细菌多样性，如沙质土壤中的异质性。此外，总微生物生物量和土壤多功能性之间有很强的正相关关系。所以作物覆盖和多样化对土壤功能的积极影响是通过增加微生物生物量实现的。

图6. 结构方程模型显示了环境和人为管理因素对土壤微生物多样性、土壤多功能性和作物产量的影响。图中相邻的数字为标准化路径系数，蓝色和红色箭头分别表示变量之间的正负关系。箭头宽度与关系的强度成正比。每个响应变量所解释的方差比例(R2)和整体模型拟合度的测量值显示在右上角。*，P＜0.05；**，P＜0.01；***，P＜0.0001。非显著路径未显示。完整的模型结果见补充表2。Chai ML，采用chi平方最大似然进行模型拟合度检验；CFI，比较拟合指数；SRMR，标准化均方根残差；RMSEA CI，均方根误差的置信区间。

管理强度、作物覆盖和细菌多样性影响着作物产量

作物产量主要受管理强度、作物覆盖和细菌多样性的影响 （图6）。管理强度的影响主要是来源于化肥用量，耕作方法和农药使用。而且长时间的作物覆盖有利于增产，所以提高粮食产量的关键在于作物覆盖时长而非作物多样性。此外，细菌多样性与产量呈正相关。在农田里，许多不同类型的根瘤菌都能促进作物生长，所以多样化的细菌群落能直接促进作物产量。同时，随着细菌多样性增加，活跃的微生物还能促进土壤氮循环和肥料利用率，从而提供更多的氮，因此产量也上升了。 

土壤多功能性与产量之间没有明确的联系

研究发现，土壤多功能性和产量没有明确关系 （图6）。土壤多功能性主要受环境和作物覆盖的影响，而环境可以通过影响细菌多样性、真菌多样性和土壤多功能性间接影响作物产量。总的来说，产量主要受人为因素和细菌多样性的影响。在我们的研究中，使用耕作和添加化肥是提高产量的关键因素，但不利于土壤结构和微生物活动，因此使得作物产量与土壤功能越来越分裂。虽然产量和土壤多功能性没有产生协同效应，但是农业系统必须保持好产量和土壤多功能性之间的平衡。

小结

农民在选择经济作物时，可能会受到环境、经济和社会的制约，因此增加经济作物的多样性可能并不适用于所有情况。相较于增加轮作作物，延长作物覆盖时间可以更加有效地提高作物产量。长时间的作物覆盖对细菌多样性、土壤多功能性和作物产量有着积极影响。所以我们建议除了努力提高多样性外，还可以考虑延长生长季节的做法，即种植覆盖作物或牧草。因为覆盖作物不用施肥或喷洒农药，所以这方法还可以在不增加管理强度的情况下增加整体作物多样性，而且把残茬留在田间，还可以增加土壤有机物。提高土壤多功能性和增加作物产量是可持续农业发展的重要目标，虽然在我们的研究里这二者没有协同作用，但是可持续农业的发展必须要在粮食供应和有益于环境的功能和服务之间取得平衡。

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