农业生态系统的大部分生物多样性都存在于土壤中。土壤生物群发挥的功能对作物生长和质量、土壤和残留物传播的害虫、疾病发生率、营养循环和水传输的质量，以及因此对作物管理系统的可持续性有着重大的直接和间接影响。农民有意识或无意地利用耕作来管理土壤生物多样性。鉴于土壤生物群的重要性，耕作研究的一个关键挑战是理解和预测耕作对土壤生态的影响，不仅是为了评估耕作对土壤生物和功能的影响，也是为了设计耕作系统，以最大限度地利用土壤生物多样性，特别是用于作物保护。在这篇论文中，我们首先讨论了土壤生态系统的复杂性，从生物的大小、食物网的结构和功能的角度来看，不同研究对土壤生态系统进行的描述各不相同。然后，我们研究了耕作对不同土壤生物群的影响，通过实例概述了耕作对种群动态和物种多样性的关键影响。最后，我们解决了耕作系统的设计问题，以加强耕地的生物控制。确定最佳耕作制度需要对土壤管理进行全球考虑，而不是只关注耕作，同时考虑土壤生态。有机残留物管理、防止压实、作物轮作和种植时间必须综合考虑，考虑到它们对害虫种群以及害虫和生态系统工程师的天敌的影响。与传统的传统和减少耕作系统的比较相比，这种方法需要更详细的研究和仔细的实验设计。我们建议发展耕地中的种群建模，因为现有的生态模型很少包括与土壤管理系统相关的参数。
1.简介
土壤是地球上最多样、最重要的生态系统。土壤中持续活跃的大量生物过程对于维护大陆生物圈中的其他生态系统至关重要。农业生态系统的大部分生物多样性都存在于土壤中(Young和Crawford，2004)，土壤生物群的功能对作物生长和质量、土壤和残留物传播的害虫、疾病发生率、养分循环和水分转移的质量以及土壤生产力的可持续性有着巨大、直接和间接的影响。它们还决定了农业生态系统对非生物干扰和压力的抵抗力和恢复力(Brussaard等人，2007年)。
可持续作物管理系统的基本原理是基于多标准目标的实现：作物产量只是评估作物管理系统功能时需要考虑的众多因素之一。因此，土壤不再被视为纯粹的植物生长介质，而是许多生物的栖息地。这种方法变化的一个根本后果是，现在需要生态学概念和理论来设计新的耕作系统，以及土壤科学、农学、生态生理学和土壤力学的知识。
农民有意识或无意地利用耕作来管理土壤生物多样性。然而，一些文献综述(例如House和Parmelee，1985a，House和Parmelee，1985b，Stinner和House，1990，Kladivko，2001，Lakshman等人，2006，Miura等人，2008)强调了在试图确定耕作对土壤生物群影响的趋势时所涉及的困难。因此，确定关键因素以帮助我们理解和预测耕作制度与土壤生态之间的关系仍然是耕作研究中的一个重要挑战。在应对这一挑战时，必须解决两个关键点。
1.首先，需要改进对耕作对土壤生物和功能影响的评估。与地上生物多样性不同，土壤生物多样性大多只能通过耕作和其他种植做法(轮作、有机和矿物施肥)进行间接管理，这使新的作物管理系统的设计变得复杂。
2.第二，我们需要确定哪些耕作系统能最大限度地利用土壤生物多样性。考虑到土壤生物群的大量功能，我们需要生物多样性来提供许多服务，耕作的设计必须使这些服务得到优化，即使在许多情况下，土壤生物多样性的内在价值很难评估(Brussaardetal.，2007)。
在简要介绍了土壤生物区系研究的概念框架后，本文将重点讨论这两点。在这里，我们不会处理通过耕作控制杂草的问题，只关注土壤微生物区系和动物群以及作物害虫的生物控制
2.土壤生态系统
2.1土壤生物多样性
土壤生物群的复杂性可以通过几种方式来表征，最常用的方法是基于生物大小。除植物根系外，土壤生物区系由土壤微生物区系(细菌、真菌、绿藻等)和土壤动物群组成。土壤动物群通常也被分为三组，根据平均生物大小和对充水孔隙或充气孔隙中生活的适应程度(Cochranetal.，1994，Lavelle，2000)。土壤微型动物的生物体通常不到0.2毫米长。这一群体主要由原生动物和线虫组成，主要生活在充满水的孔隙中。中型动物群由0.2–2毫米长的生物组成，生活在充满空气的土壤孔隙空间和垃圾中。中生动物群包括小脚足类(如螨类、弹尾类)和内生蠕虫(小型寡毛目)。大型动物群由长度超过2毫米的个体组成，包括白蚁、蚯蚓和大型节肢动物。
土壤生物群也可以通过土壤食物网的结构来描述(Moore，1994)。例如，考虑到碎屑微食物网，微生物区系和微动物会分解有机物。原生动物、线虫和微丝足类以真菌和细菌为食，并有自己的捕食者，而这些捕食者反过来又是更高层次生物的食物来源。这种研究土壤生物群的方法突出了耕地对生物多样性保护的重要性：生活在农业土壤中的生物是更大食物网的一部分，是食物网中更高阶动物的食物库。例如，在以有机水稻为基础的种植系统中，最近的研究表明，蜘蛛在休耕期以碎屑为食(Sidsgaard，2000)。有人认为，鉴于害虫种类的猎物质量较低，替代猎物是蜘蛛和其他有益生物的重要食物补充。因此，作物管理实践的变化，如直接钻探、机械化或用化学品取代人工除草，可能会对蜘蛛和其他有益生物产生重大影响。
还可以根据土壤生物的功能对其进行分类。例如，考虑到土壤动物在农业生态系统营养循环中的作用，Lavelle(1997)建议根据无脊椎动物与微生物区系的关系性质及其创造各种结构的能力，将其分为三个功能组。定义的第一个官能团由上述微食物网的生物体组成，对应于将微生物与其捕食者联系起来的一般土壤食物网的部分。该类群主要对应于捕食细菌和真菌的微型动物及其捕食者。这些生物不会产生任何结构。第二个功能群由中型动物和大型节肢动物组成，Lavelle将其描述为垃圾转换器。这些生物摄入纯有机物质，物理破碎垃圾并释放粪便颗粒，在微生物活动中发挥重要作用(“外部瘤胃消化”，Aira等人，2003年)。这些消化过程释放出营养物质，这些营养物质随后可能被分解者重新吸收。粪便颗粒也参与土壤结构和聚集的稳定(Balesdent等人，2000年)。最后一个功能组由生态系统工程师组成，他们中的大多数是大型动物群的成员：蚯蚓(内生和内生物种)、白蚁和蚂蚁。这些生物创造了不同的有机矿物结构，并通过瘤胃内消化与微生物相互作用。它们改变了土壤中的物理和化学条件，改变了水和养分的流动，从而间接影响了其他生物的生长和发育，尤其是作物。生态系统工程师不仅通过释放粪便颗粒和排泄物来促进土壤聚集，还通过筑巢或挖洞来对土壤结构做出重大贡献，从而影响空气、水和养分的转移以及根系的发育和功能。
这些不同的生态群在土壤中发挥多种功能，从而控制多种生态系统服务的效率(例如土壤降解农药的能力(Holtze等人，2008年)、对多种病原体的生物控制(Bailey和Duczek，1996年)和养分循环(Sooksa-nugan等人，2009年))。
2.2.土壤生境的复杂性
土壤生物群生活在一个复杂的结构中，其矿物和有机成分决定了栖息地条件和食物资源的可用性。作为一种物理栖息地，无论使用何种测量尺度，土壤都具有空间和时间异质性(Young和Ritz，2000)。孔隙空间的几何特征(尺寸分布、连通性)对于控制土壤中生命的生物化学过程至关重要。孔隙率以及孔隙饱和和连通的程度取决于并影响非生物和生物条件。土壤的结构异质性是土壤生物群多样性的一个关键因素。事实上，它在生态位划分、资源和栖息地专门化方面具有非凡的潜力。这一关键的土壤特征使几个官能团有可能在土壤中共存。因此，土壤为永久或暂时居住在土壤中的大量大小生物提供了栖息地。
正如Young和Crawford(2004)所强调的那样，耕地中孔隙系统的结构不仅由物质的化学性质和气候作用决定，还由生命本身(根、动物群和耕作)决定。除了风化作用外，土壤生物的活动还导致土壤剖面中有机和无机物质的运动，从而有助于土壤结构的形成和稳定。
此外，尽管轮作和有机肥料的施用决定了每年向土壤生物群提供的新鲜有机物的性质和数量，但这种有机物在土壤剖面中的分布取决于耕作制度。因此，耕作不仅影响可作为土壤生物群营养资源的有机物的数量，还影响其作为众多土壤生物、病原体或害虫天敌庇护所的安排和效用。
3.耕作对土壤生态的影响
耕作在短时间内引起不同强度的显著生物物理和生物化学变化。除了扰乱土壤栖息地外，它还对生物本身产生直接影响，杀死或伤害它们，或使它们面临被捕食的风险(图1)。耕作还改变了土壤生态系统中土壤生物之间的关系，耕作制度的变化影响了物种优势、相对种群规模和群落多样性(Altieri，1999)。这可能会产生有害影响(例如，随着捕食者数量的减少，植食性物种的数量迅速扩大)。然而，在新的耕作制度有利于捕食者种群的情况下，这也可能是非常有益的。我们将在下面通过耕作对蛞蝓种群影响的例子来说明这一点(见第4.2节)
许多关于耕作对土壤生物群影响的研究表明，不同的群落对耕作制度的反应不同。然而，尽管作物管理系统的其他要素(有机肥料施用、作物顺序、农药喷洒等)很重要，但仍有可能确定耕作特有的一些影响。一般来说，土壤群落的丰度和多样性都随着耕作强度的降低而增加(ElTiti，2003a)。然而，无论考虑哪种生物，对耕作制度的反应都是高度可变的(Kladivko，2001)。耕作制度变化的另一个影响是，当放弃耕作时，观察到的生物垂直分布发生了重大变化。在许多研究中，单位土壤体积的总种群规模在犁过的和未犁过的处理中是相似的(例如，对于蚯蚓，Pelosi等人，2009年)。
