土壤肥力是土壤為植物生長供應(yīng)和協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱等營養(yǎng)條件的能力，是土壤物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)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(yǎng)元素，如氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)和鎂(Mg)，并有足夠的有機物來保持水分和養(yǎng)分。其中一種或多種元素含量降低，就會不利于植物的生長。

自古以來，人們試圖創(chuàng)造肥沃的土壤，或者讓貧瘠的土地重新恢復(fù)生機，但是人們對自然界土壤肥沃的生態(tài)機制缺乏了解，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(xué)的GeorgeN.Furey和DavidTilman自1994年起，就在一個廢棄的農(nóng)田里建立起了一個植物多樣性實驗。實驗之前，6-8厘米的表土被清除，并多次翻耕整地，以消除雜草種子。隨后，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9×9m的地塊。23年后(2017年)，研究人員對土壤、植物進行了采樣，分析其理化性質(zhì)。

物種多樣性提高土壤肥力

經(jīng)過23年的種植，各個樣地的土壤理化指標(biāo)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%。

Figure1|物種多樣性促進土壤肥力增長

物種多樣性促進植物養(yǎng)分

而且，相比單種樣地，栽種16個物種樣地的植物生產(chǎn)力更高，其氮、鉀、鈣和鎂的養(yǎng)分含量要高出150～370%。

Figure2|物種多樣性提高植物地上和地下部分的養(yǎng)分含量

功能群多樣性促進生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)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(yǎng)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(zhì)量之間存在權(quán)衡，這表明為什么所有三個功能組中的物種對土壤肥力的再生至關(guān)重要。

Figure3|不同功能群組成的生態(tài)系統(tǒng)總營養(yǎng)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。

Figure4|實驗草本植物性狀之間的權(quán)衡

研究結(jié)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于恢復(fù)其土壤肥力，這對于退化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)實踐有指導(dǎo)作用。將該研究所得結(jié)果應(yīng)用于牧場、覆土作物和間作系統(tǒng)，可以通過土壤碳儲存提供溫室氣體效益，并減少單位作物產(chǎn)量所需的肥料量。