1.與施用無機肥相比，有機肥的施用提高了土壤的多功能性，多功能性與細菌和真菌的多樣性呈正相關。

2.隨機森林迴歸分析表明，稀有微生物類群(如藍藻和球囊菌門)而非優勢類群（如變形菌門和子囊菌門）是多功能性的主要驅動力。

研究背景

土壤微生物代表了地球上最豐富多樣的生物。據估計，1立方厘米土壤中含有4-20億原核微生物、數萬個分類群以及約200米的真菌菌絲，它們在同時維持生態系統多功能性方面（生物地球化學養分迴圈、初級生產、凋落物分解和氣候調節）發揮著關鍵作用。最近的研究證明，全球環境驅動因素如土地利用變化、氮沉降和氣候變化，可以透過改變地下土壤生物多樣性嚴重影響陸地生態系統的多功能性。常見的農業措施，如土地耕作、施肥、施用農藥和單作，會對土壤微生物多樣性及相互作用產生不利影響，對土壤多功能性的影響尚不可知。預計全球範圍內的農業強度將不斷增加以養活不斷增長的人口，瞭解農業措施對地下生物多樣性和多功能性的影響就顯得尤為重要。預計世界上約有23%的土壤面臨退化，退化土地的面積以每年500萬至1000萬公頃的速度增加。這將影響全球約15億人的糧食安全問題。施肥作為一種重要的農業措施，會加快土地退化的速度，長期施用無機肥可能會導致土壤酸化、地表水和地下水富營養化以及氮氧化物排放造成的全球變暖等。越來越多的證據表明，集約施肥還透過改變土壤微生物的多樣性間接影響生態系統功能。但我們對施肥將如何影響生態系統的多功能性知之甚少。據我們所知，很少有研究明確闡述施肥對生態系統多功能性的影響以及土壤生物多樣性和生態系統功能之間的關係，這對於制定管理框架以保護土壤生物多樣性多功能性和減少集約施肥對陸地生態系統的影響至關重要。

試驗方案

試驗設置於2006年，旨在研究土地施用汙泥、雞糞和無機肥料對氮磷投入產出平衡和土壤磷積累的影響。共設8個處理，3個重複，包括1個對照、2個無機尿素處理(N)、4個汙泥處理(S)和1個雞糞處理(即CK、0.5N、1N、0.5S、1S、2S、4S、1CM)。每年小麥播種前(10月中旬)，施用尿素、風乾汙泥和雞糞作為土壤的基本肥料。從每個地塊的五個隨機樣點收集了表層大塊土壤樣本(0–15釐米)。土壤樣品先進行16S和ITS擴增子測序，然後計算生態系統多功能性，用平均值、單閾值和多閾值法方法評估生物多樣性與多功能性之間的關係。最後用隨機森林分析確定多功能性的主要微生物預測因子。

研究結果

結果表明，無機和有機肥都改變了土壤生態系統的多功能性(圖1)。施用無機肥料(0.5 N和1.0 N處理)顯著降低了生態系統的多功能性，施用有機肥顯著增加了多功能性。總體而言，施用汙泥(4 S)後多功能指數最高，施用尿素(1 N)最低。隨著汙泥施用量的增加，土壤多功能性增加(圖1)。與施用汙泥相比，施用雞糞對土壤生態系統多功能性的影響較弱。建議在農業實踐中使用有機肥料，以保持或提高土壤多功能性。

圖1.平均多功能性指數對施肥的響應

本文利用平均值法評估生態系統的多功能性，使用18個變數的標準化平均值。普通最小二乘法(OLS)迴歸模型揭示了細菌(R2 =0.486，P< 0.0001)和真菌(R2 =0.373，P= 0.0009)的生態系統多功能性與土壤微生物多樣性之間的正相關性(圖2)。

圖2. 生態系統多功能性指數與細菌和真菌多樣性的關係

本文還觀察到土壤微生物多樣性和大多數單功能之間的正相關關係(圖3)。然而，一些個體功能如土壤呼吸和磷迴圈及硫迴圈相關的功能基因，與細菌或真菌多樣性無顯著相關性(P > 0.05)。 這一發現可歸因於生態系統功能(功能冗餘)對生物多樣性的不同依賴程度。

圖3.不同土壤功能與細菌多樣性的關係

考慮到每種方法各有優缺點，本文使用了三種方法計算生態系統多功能性，並研究了土壤微生物多樣性和生態系統多功能性之間的關係。當用單閾值方法分析時，在閾值為60%和80%時，發現細菌多樣性和生態系統多功能性之間存在顯著的關係。相比之下，多閾值方法不需要設定閾值，而是研究閾值的連續梯度(圖4)。細菌和真菌的最低閾值(Tmin)，即多樣性開始對多功能性產生積極影響的最低閾值，分別為45%和23%。多樣性的最大實現效應(Rmde)，即多樣性具有最強正效應的關係的強度，在69%的閾值下對於細菌是1.143，表明增加一個細菌物種可以增加1.143個功能。而真菌的Rmde在67%的閾值時為1.245，表明新增一種真菌可以增加1.245個功能。

圖4.一系列生態系統多功能閾值的多樣性效應

然後本文利用隨機森林的方法，確定在預測生態系統多功能性中最重要的微生物類群。在這個模型中總共包含了29個細菌和真菌門(圖5)。前三個最重要的微生物類群都是細菌門，包括藍藻Cyanobacteria (Spearman，P < 0.0001)，裝甲菌門Armatimonadetes (Spearman，P=0.0041)和纖維桿菌門Fibrobacteres (Spearman，P= 0.0136)。這些細菌門是相對罕見的細菌分類群，佔總數的不到3%。對於真菌而言，作為一個佔比很小的類群(小於1%)，球囊菌門 (Spearman，P= 0.0035)是塑造生態系統多功能性的最重要驅動力。結果表明，相對丰度較低的細菌和真菌分類群被確定為多功能性的主要驅動力。相比之下，一些優勢菌門，如變形菌門(Spearman，P= 0.7467)，在生態系統多功能性中作用不大。本文的結果表明，稀有微生物類群可能在土壤多功能性中起著超比例的作用，稀有微生物分類群可能是遺傳資源的儲藏地，在適當的條件下可以被啟用。未來有關生物多樣性和生態系統多功能性的研究應更多地關注稀有微生物類群。

圖5. 隨機森林迴歸模型顯示了生態系統多功能性的主要微生物驅動因素

主要結論

本文結果提供了長期施肥改變土壤微生物組成和相關生態系統多功能性的實驗證據。與無機肥相比，有機肥促進了多功能性。微生物多樣性和多功能性之間的呈顯著的正相關性，施肥激發的稀有微生物類群的改變是形成多功能性的主要驅動力。因此，關於稀有類群調查和保護的研究對於減緩人類對農業生態系統中微生物驅動的生態系統多功能性的影響至關重要。