多样化作物种植可降低土壤病原体的有效性并提高产量

堪萨斯大学的一项研究表明，多样化作物种植可通过降低土壤病原体的有效性来提高产量，这对传统的单一种植做法提出了挑战，并提供了适用于家庭园艺的见解。发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一项研究以堪萨斯大学的田间和温室实验为基础，展示了种植多样化作物而非单一植物物种如何提高农业产量： 对植物有害的土壤病原体更难茁壮成长。

堪萨斯生物调查与生态研究中心的资深科学家、堪萨斯大学生态学与进化生物学基金会杰出教授詹姆斯-贝弗（James Bever）说："人们普遍观察到，随着时间的推移，多样化的植物群落会更具生产力和稳定性。物种繁多的牧场会显示出更高的生产力。但其中的原因一直是个谜"。

合著者佩吉-舒尔茨（Peggy Schultz）与本科生一起在地块上收集数据。图片来源：昆士兰大学市场部

植物多样性益处背后的机制

长期以来，轮作以及其他耕作和园艺实践都反映了植物混合的益处，而新的研究则为观察到的一个重要机制提供了确凿的数据：土壤中食用植物的微生物数量。

贝弗说："多样化的农业群落有可能抑制病原体，从而提高产量。我们的研究表明，一个主要的驱动因素是病原体的专业化，特别是那些针对不同植物物种的病原体。这些病原体抑制了低多样性群落的产量。牧场多样性的一个重要优势是病原体消耗的生物量较少，从而有更多的生物量可用于其他用途，如养牛。同样的过程对农业生产也至关重要。"

詹姆斯-贝弗，堪萨斯州生物调查与生态研究中心高级科学家，堪萨斯大学生态学与进化生物学基金会特聘教授。图片来源：堪萨斯大学市场部

方法与合作努力

新数据是堪萨斯大学通过在堪萨斯大学野外站（KU Field Station）进行的野外实验、温室试验和使用计算机进行的反馈建模开发出来的。该项目得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）和美国农业部（U.S. Department of Agriculture）对堪萨斯大学的大额合作资助。

贝弗说："我们进行了一项实验，操纵地块中植物的数量和不同的降水量--我们在一个地块中种植了从一种到六种植物。然后，我们评估了土壤病原微生物群的组成。我们发现，单一栽培中病原体组成的变化可以显著预测组合栽培的产量。当存在不同的病原体群落时，混合种植会导致更多的病原体从邻居那里释放出来。最糟糕的情况是，相邻作物具有相同的病原体。在这种情况下，作物将经历双重密度的挑战，作物病原体和来自邻居作物的病原体"。

在昆士兰大学田间站进行的这些田间试验，以及温室试验和利用计算机进行的反馈建模，使研究人员发现植物物种的多样性会提高农业产量。资料来源：昆士兰大学市场营销部

在昆士兰大学，贝弗的合作者包括副专家佩吉-舒尔茨（Peggy Schultz）以及海莉-伯里尔（Haley Burrill）和劳拉-波兹科夫斯基（Laura Podzikowski），她们都在昆士兰大学获得了博士学位，现在分别在俄勒冈大学和昆士兰大学从事博士后研究。第一作者王广舟曾在昆士兰大学从事博士后研究，现在隶属于北京的中国农业大学，他与共同作者张福锁和张峻岭一起参与了这项调查。瑞士苏黎世大学的 Maarten Eppinga 也加入了他们的行列。

对单一栽培实践的批判

根据贝弗的说法，这项研究反对在许多英亩土地上种植单一粮食作物的工业农业做法，这种做法通常被称为"单一种植"。

他说："关于单一栽培做法，促进植物多样性的理念似乎与流行的做法背道而驰。单一栽培--在大片土地上种植单一作物的做法是由技术原因而非生物原因驱动的。种植和收获的实用性促使人们采用这种方法。传统的美洲原住民农业和热带地区的做法是多物种多栽培。在中国，出现了机械化多栽培生产运动，对美国占主导地位的单一栽培模式提出了挑战。必须将单一栽培视为一种增加投入的成本效益模式，并探索轮作等替代方法来长期管理病原体。"

贝弗说，在不同地块混合种植植物对家庭园艺师和其他种植植物的人都有好处。

他说："当从事园艺时，并不依赖机械种植和机械收获。将作物混合种植--在地块中异质混合种植--肯定对更有利，我们可以交替种植不同的作物。这样做比你把许多行相同的作物挨在一起更能有效地控制病原体。如果你的后院有四块不相连的地，不应当把所有西红柿都种在一块地里，把所有南瓜都种在另一块地里，第三块地里种的是香草--把它们混在一起可以减少病原体。这是我们的数据所显示的。

生物多样性对病原体的影响

最后，贝弗说，他的团队的研究结果表明，生物多样性会抑制病原体的生长，但在植物王国之外，这种情况并不明显。事实上，这一观点在动物系统中还存在争议。

他说："我们在植物界的明确结果与动物界这一文献的复杂性形成了鲜明对比。在最近对病原体的关注（如 COVID）背景下，生态学中对病原体的研究一直存在争议。多样性对病原体影响的影响，是增加还是减少，一直存在争议。"

"我们对植物的研究结果表明，人们更关心的是多样性增加后病原体传播的减少，而不是增加。在我们的研究中，对病原体，包括生活在土壤中的病原体进行了研究。在叶面病原体中也观察到了类似的模式，这在即将发表的一篇论文中有详细说明。争议源于病原体对动物界和植物界影响的不同"。