PNAS：植物多樣性改善土壤肥力
土壤肥力是土壤為植物生長供應和協調水、肥、氣、熱等營養條件的能力，是土壤物理、化學、生物等性質的綜合反映。土壤要肥沃，就必須能提供植物生長所必不可少的營養元素，如氮 (N)、磷 (P)、鉀 (K)、鈣 (Ca) 和鎂 (Mg)，並有足夠的有機物來保持水分和養分。其中一種或多種元素含量降低，就會不利於植物的生長。
自古以來，人們試圖創造肥沃的土壤，或者讓貧瘠的土地重新恢復生機，但是人們對自然界土壤肥沃的生態機制缺乏瞭解，特別是對其中植物多樣性的作用知之甚少。
對此，明尼蘇達大學的George N. Furey和David Tilman自1994年起，就在一個廢棄的農田裡建立起了一個植物多樣性實驗。實驗之前，6 - 8 釐米的表土被清除，並多次翻耕整地，以消除雜草種子。隨後，他們對多年生草地植物物種的組成和多樣性進行了控制。研究人員選擇了18種草本植物進行實驗，分屬為3個功能群大類，包括禾本科草本（grasses）、豆科草本（legumes）或雜草（forbs）。他們從中隨機選擇 1、2、4、8或16個物種， 分別播種栽種在154 個 9 × 9 m的地塊。23年後（2017年），研究人員對土壤、植物進行了取樣，分析其理化性質。
物種多樣性提高土壤肥力
經過23年的種植，各個樣地的土壤理化指標基本上得到了提升。但其中，只包含1個物種的樣地的提升幅度最小，而含有16個物種的樣地提升幅度最高，其土壤中的氮、鉀、鈣、鎂、陽離子交換能力和碳的增加量要比單種樣地的高出30～90%。
Figure 1 | 物種多樣性促進土壤肥力增長
物種多樣性促進植物養分
而且，相比單種樣地，栽種16個物種樣地的植物生產力更高，其氮、鉀、鈣和鎂的養分含量要高出150～370%。
Figure 2 | 物種多樣性提高植物地上和地下部分的養分含量
功能群多樣性促進生態系統養分
此外，相比種植單一功能群草本的樣地，具有高植物功能多樣性（禾本+豆科+雜草）的地塊的總養分庫（植物+土壤）中積累的N、K、Ca和Mg明顯更高。這些功能組中的植物物種在其組織N含量、組織K含量和根系質量之間存在權衡，這表明為什麼所有三個功能組中的物種對土壤肥力的再生至關重要。
Figure 3 | 不同功能群組成的生態系統總營養庫的變化。G=禾本科草本；F=雜草；L=豆科草本；FL=雜草+豆科草本；GL=禾本科草本+豆科草本；GF=禾本科草本+雜草；GFL=禾本科草本+豆科草本+雜草。
Figure 4 | 實驗草本植物性狀之間的權衡
研究結果表明，利用植物多樣性可以增加棄耕土壤中的C儲存和土壤肥力。增加植物功能的多樣性有助於恢復其土壤肥力，這對於退化農業生態系統的恢復實踐有指導作用。將該研究所得結果應用於牧場、覆土作物和間作系統，可以透過土壤碳儲存提供溫室氣體效益，並減少單位作物產量所需的肥料量。
論文作者：George N. Furey & David Tilman【University of Minnesota】，2021-12-7發表於PNAS。
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