间作可能通过增加功能性基因的丰度来提高土壤的多功能性：一项长期田间实验提供的证据

《Agronomy for Sustainable Development》：Intercropping increases soil multifunctionality potentially by increasing the abundance of functional genes: evidence from a long-term field experiment

土壤多功能性提升与微生物组功能关联研究。通过2009年建立的长期定位试验，比较了间作系统（鹰嘴豆/玉米、菜豆/玉米等）与单作系统在三种磷肥施用量下的作物产量和土壤功能。结果表明间作显著提高产量27.3%和土壤多功能性34.6%，同时增强C/N/P循环相关基因丰度（15.2%/10.8%/26.3%），揭示物理结构稳定性与C/N循环协同，而与P循环存在权衡，微生物功能变化是提升土壤多功能性的关键机制。

　　

摘要

集约管理的单一作物种植系统已经降低了生态系统的功能以及人类福祉所需的基本服务。间作可能是一种在不降低生产力的前提下维持和增加农业土壤多功能性的方法。然而，间作所维持或增强的土壤多功能性是否与间作所驱动的土壤微生物组潜在功能变化有关，目前尚不明确，这限制了这些系统在可持续集约化方面的优化。因此，我们在2009年开展的一项长期田间实验中研究了作物产量和土壤多功能性。该实验评估了在三种磷肥施用量（0、40和80公斤/公顷）下，间作系统（鹰嘴豆/玉米、蚕豆/玉米、油菜/玉米和大豆/玉米）及单一作物种植模式下土壤物理结构稳定性、碳（C）、氮（N）和磷（P）循环、非生物胁迫调节及相关功能基因的表现。无论磷肥施用量如何，间作均显著提高了作物籽粒产量和土壤多功能性，分别比单一作物种植模式的加权平均值高出27.3%和34.6%。间作还显著增加了与碳、氮和磷循环相关的基因相对丰度，分别提高了15.2%、10.8%和26.3%；这些基因的相对丰度与土壤团聚体的平均直径、土壤压实度、总氮含量、土壤微生物生物量碳、土壤呼吸作用、土壤硝酸盐还原酶、β-纤维二糖水解酶和亮氨酸氨基肽酶等指标相关。土壤碳和氮循环之间存在协同作用，物理结构稳定性与碳或氮循环之间也存在协同作用，而物理结构稳定性与磷循环之间则存在权衡关系。间作对土壤多功能性的积极影响与酶活性的增强以及其他土壤性质的改善有关，进而提高了作物产量。研究结果强调了间作在维持土壤功能方面的重要作用，并阐明了其相关机制，为减少农业生态系统对不可再生磷资源的依赖提供了新的见解。