作物轮作阶段对土壤生物群落的影响大于轮作多样性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Crop rotation phase has a greater impact on soil biology than crop rotation diversity

本研究针对植物多样性对地下土壤食物网影响机制不清的问题，通过比较不同多样性水平（2种、4种和10种作物）轮作系统，发现轮作多样性并未显著改变土壤微生物群落结构，反而降低了土壤总碳和微生物生物量；轮作阶段（特别是单一轮作中的小麦/油菜轮换）对弹尾目和螨类丰度、以及多样化轮作中对蚯蚓生物量影响更为显著。结果表明，相较于轮作多样性本身，轮作阶段和具体作物种类对土壤生物的影响更为关键，这对优化农业管理措施具有重要指导意义。

　　

在追求全球粮食安全和生态系统可持续发展的背景下，农业生态系统的生物多样性保护与功能强化已成为21世纪的重要课题。众所周知，农业集约化会导致相关生物多样性的下降，而生态集约化和农业系统生物多样化则被提议为增加生态系统服务供给、提高粮食生产系统韧性的有效途径。土壤作为地球59%物种的栖息地，其生物群落对人类农业活动等干扰的响应机制却仍未被充分认知。特别是地上植物多样性与地下土壤生物多样性之间的关系并不总是一致，这为农业管理策略的优化带来了挑战。在这种背景下，厘清作物轮作这一常见的农业多样化措施如何影响地下土壤食物网，显得尤为重要。以往研究多表明，作物轮作相比连续单作能增加土壤总碳含量、微生物生物量碳等，但其内在机制，尤其是轮作多样性（种植作物种类的多少）与轮作阶段（特定年份种植的具体作物）的相对重要性，尚不明确。为了深入探究这一问题，由Marijke Struijk等研究人员组成的团队在《Agriculture, Ecosystems and Environment》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员在英国雷丁大学作物研究单元建立了一个田间试验，设计了三种不同多样性的轮作系统：简单轮作（2种植物物种）、中度轮作（4种植物物种）和多样化轮作（10种植物物种）。试验采用裂区随机完全区组设计，每个轮作处理包含四个代表不同轮作阶段的子区。研究的关键技术方法包括：田间试验设计与空间换时间替代法，以同时评估轮作多样性和阶段效应；土壤理化性质分析，如测定土壤总碳、总氮和pH值；磷脂脂肪酸（PLFA）分析，用于评估土壤微生物群落结构和生物量；以及全面的土壤动物区系调查，涉及线虫（微小型动物）、弹尾目和螨类（中型动物）以及蚯蚓（大型动物）的采集、鉴定与丰度/生物量统计。所有样本均在特定年份（2016年或2017年6月）采集，并运用方差分析（ANOVA）、非度量多维标度（NMDS）排序和置换多元方差分析（PERMANOVA）等统计方法进行数据分析。

3.1. 作物轮作多样性对作物产量、土壤生物学和土壤化学的影响

研究结果显示，作物轮作多样性主要影响了土壤的化学特性。简单轮作下的土壤总碳（C）含量显著高于多样化轮作，土壤总氮（N）也呈现类似趋势但不显著。与此相反，小麦产量在多样化轮作中最高，简单轮作中最低，但差异未达显著水平。在土壤生物方面，轮作多样性并未显著影响土壤微生物群落结构、总PLFA生物量、真菌细菌比（F:B ratio）以及线虫、螨类、弹尾目或蚯蚓的丰度。然而，螨类和弹尾目的平均丰度呈现出简单轮作 > 中度轮作 > 多样化轮作的趋势。土壤总碳含量与PLFA生物量、真菌生物量、细菌生物量等呈显著正相关。

3.2. 作物轮作阶段对作物产量、土壤生物学和土壤化学的影响

与轮作多样性相比，轮作阶段对土壤动物丰度产生了更显著的影响。在简单轮作内，第一个小麦轮作阶段的弹尾目和螨类丰度显著高于油菜（OSR）阶段。在多样化轮作内，轮作阶段显著影响了蚯蚓的丰度和生物量，第二个小麦阶段的蚯蚓生物量显著高于春季豆类阶段。土壤总碳、总氮和小麦产量在不同轮作阶段间无显著差异。

4. 讨论

研究人员对四个初始假设进行了深入探讨。首先，尽管假设轮作多样性会改变土壤微生物群落结构，但PLFA分析并未发现显著差异，这可能与微生物群落主要由广谱物种组成、PLFA技术分辨率限制或根系际而非整体土壤更能反映变化有关。其次，与假设相反，土壤微生物生物量、土壤碳和氮含量并未随轮作多样性增加而增加，反而在简单轮作中最高，这可能归因于多样化轮作中更频繁的土壤扰动（如额外的耕作）促进了土壤有机质矿化。第三，假设中预期的更大多样性会通过资源基础扩大增加土壤动物丰度并未出现，螨类和弹尾目丰度甚至在简单轮作中更高，可能与多样化轮作中更高的物理扰动或表层土壤微生境变化有关。第四，尽管假设轮作阶段的影响在多样化轮作中最明显，但实际在简单轮作中观察到了更显著的阶段效应，表明特定作物种类（身份）及其带来的生境异质性可能比单纯的物种数量更为关键。

本研究存在一定的局限性，如土壤生物群落调查仅在夏季一个时间点进行，未能捕捉时间动态；轮作多样性与伴随的土壤扰动效应难以完全剥离；以及分类学分辨率相对较粗可能掩盖了物种水平的变化。

5. 结论

本研究的核心结论是，作物轮作多样性本身并未对土壤化学性质和生物群落产生显著的积极影响。相反，轮作阶段（即特定年份种植的具体作物）以及与之相关的土壤管理措施（如耕作扰动）对土壤生物学指标，特别是中小型土壤动物的影响更为显著。例如，简单轮作中小麦-油菜轮换带来的生境变化显著影响了弹尾目和螨类，而多样化轮作中覆盖作物管理和豆类种植阶段的额外耕作则显著影响了蚯蚓生物量。因此，在设计和评估可持续农业实践时，除了考虑轮作系统中作物的种类数量，更应关注轮作序列中特定作物的选择及其相应的管理措施，因为后者可能对维持和增强土壤健康及生物多样性具有更直接和重要的作用。这项研究为理解农业管理措施对地下生态过程的影响提供了新的视角，强调了具体操作实践在塑造土壤生物群落中的重要性。