间作通过重构微生物群落和生物地球化学循环来增强土壤的多功能性

《Science of The Total Environment》：Intercropping enhances soil multifunctionality by restructuring microbial community and biogeochemical cycles

可持续农业中，间作系统在不同氮梯度下土壤微生物群落（真菌多样性及关键物种Sordariomycetes、Planctomycetes、Actinobacteria）通过调控生物地球化学循环显著提升土壤生态系统多功能性（SEMF），低氮下增幅达69.6%。

　　这项研究探讨了间作系统中土壤生态系统多功能性（SEMF）的驱动因素，特别是在不同氮素梯度下的表现。土壤生态系统多功能性指的是土壤在提供多种生态服务和功能方面的能力，包括土壤肥力、作物产量、碳储存、养分循环以及气体排放的调控等。在现代农业中，虽然高投入的农业模式能够提高作物产量，但它往往以牺牲土壤健康和生态系统服务为代价，从而影响农业的可持续发展。因此，探索可持续的农业实践，如间作，对于提升土壤生态系统多功能性具有重要意义。

间作是一种将两种或多种作物在同一地块中同时种植的农业方式，被认为是一种具有可持续性的传统耕作方法。它能够改善多种土壤生态功能，例如土壤团聚体稳定性、土壤碳固存和土壤酶活性。然而，大多数研究仅关注单一的土壤功能，而忽略了微生物多样性和群落结构在调控土壤生态系统多功能性中的关键作用。此外，氮素的施用对土壤生态系统多功能性的影响也因生态系统类型的不同而存在显著差异，这使得预测在不同环境压力下微生物驱动的土壤生态系统多功能性变得复杂。

土壤微生物是陆地生态系统中最丰富、最多样化的生物组成部分，它们在维持土壤生态系统多功能性方面发挥着核心作用。通过调控基本的生物过程，如养分循环、有机质分解和植物生产力的维持，土壤微生物对土壤生态系统多功能性产生深远影响。然而，这些微生物的调控作用具有显著的生态系统特异性：在高海拔生态系统中，如青藏高原，细菌是主要的调控者；而在北方中国的森林、干旱地区和轮作系统中，真菌则起着主导作用。此外，微生物的关键种群（keystone taxa）在维持微生物群落结构和功能稳定性方面发挥着重要作用。这些关键种群具有广泛的生态位占用、高效的资源利用能力和在微生物相互作用网络中的特定拓扑位置，它们对土壤生态系统多功能性的维持具有根本性影响。

在本研究中，我们通过高通量测序技术（16S rRNA和ITS2）和定量微生物元素循环（QMEC）分析了间作与单作系统中的土壤细菌和真菌多样性、群落结构以及碳、氮、磷和硫循环功能基因的丰度。我们还整合了21项受微生物影响的农业生态系统功能，以评估土壤生态系统多功能性。我们提出了三个假设：（1）间作能够提高土壤生态系统多功能性；（2）真菌和微生物关键种群是土壤生态系统多功能性的主要驱动因素；（3）间作对土壤生态系统多功能性的影响具有氮素依赖性。研究结果表明，在无氮和低氮条件下，间作系统能够显著提升土壤生态系统多功能性，而在高氮条件下则没有明显改善。这表明，土壤微生物的多样性在维持土壤生态系统多功能性方面起着至关重要的作用，而间作则能够在低氮条件下最大化土壤生态系统多功能性，从而为优化氮肥施用提供理论依据。

此外，研究发现间作系统通过正向调控关键微生物种群（如Sordariomycetes、Planctomycetes和Actinobacteria）来改善土壤生态系统多功能性。这些关键种群的调控作用体现在它们对微生物网络的重构、真菌多样性的提升以及生物地球化学循环的加速。具体来说，间作系统能够提高土壤碳储量、作物生产力、微生物群落的多样性以及养分供应和周转能力，同时降低气体排放。这些发现表明，土壤微生物的多样性损失会削弱土壤生态系统多功能性，而间作则能够在低氮条件下增强其功能，为农业生态系统中的氮肥管理提供新的视角。

研究还强调了微生物关键种群在维持土壤生态系统多功能性中的作用。在自然生态系统中，植物多样性通过加快周转率，从而提高养分可用性和土壤功能。然而，是否这种正向关系能够延伸到间作农业系统中仍存在疑问。通过本研究的实验证据，我们发现间作与土壤生态系统多功能性之间在低氮条件下仍然存在正向关系，这支持了我们的第一个假设。同时，研究还揭示了在不同氮素梯度下，土壤生态系统多功能性的变化趋势。在无氮条件下，间作系统提高了土壤生态系统多功能性约20.3%，而在低氮条件下则提高了约69.6%。而在高氮条件下，间作系统对土壤生态系统多功能性没有显著影响。这表明，氮素的施用对土壤生态系统多功能性的影响具有生态系统的依赖性，而在低氮条件下，间作系统能够显著提升土壤生态系统多功能性。

在实验设计方面，研究在云南农业大学昆明校区的综合研究站进行，该地区具有典型的亚热带季风气候，年均温为14.7°C，年均降水量为1040毫米。实验从2014年4月开始，采用两因素随机区组设计，以评估间作与单作系统在不同氮素梯度下的土壤生态系统功能差异。研究选取了36个表层土壤样本，这些样本来自间作和单作系统，并覆盖了不同氮素梯度（无氮、低氮和高氮）。低氮条件下的氮素施用分别为125千克/公顷玉米和62.5千克/公顷马铃薯，而高氮条件下的氮素施用则分别为375千克/公顷玉米和187.5千克/公顷马铃薯。通过这些样本的分析，研究揭示了间作系统在不同氮素条件下的土壤生态系统功能变化。

研究结果还表明，间作系统能够显著提高土壤碳储量、作物生产力、微生物群落的多样性以及养分供应和周转能力，同时降低气体排放。这些发现为农业生态系统中的土壤管理提供了新的思路，特别是在低氮条件下，间作系统能够更有效地利用土壤资源，提高土壤生态系统功能。此外，研究还发现，微生物关键种群在维持土壤生态系统多功能性方面具有重要作用。通过调控微生物网络，这些关键种群能够提升土壤生态系统的稳定性，并增强其多功能性。

综上所述，本研究通过系统分析间作与单作系统在不同氮素条件下的土壤生态系统功能，揭示了微生物多样性、群落结构以及关键种群在调控土壤生态系统多功能性中的关键作用。研究结果表明，间作系统在低氮条件下能够显著提升土壤生态系统多功能性，而在高氮条件下则没有明显改善。这些发现不仅为农业可持续发展提供了理论支持，还为优化氮肥施用策略提供了实践依据。此外，研究还强调了微生物关键种群在维持土壤生态系统功能中的作用，为农业生态系统中的微生物管理提供了新的研究方向。