土壤肥力是土壤为植物生长供应和协调水、肥、气、热等营养条件的能力，是土壤物理、化学、生物等性质的综合反映。土壤要肥沃，就必须能提供植物生长所必不可少的营养元素，如氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)和镁(Mg)，并有足够的有机物来保持水分和养分。其中一种或多种元素含量降低，就会不利于植物的生长。
自古以来，人们试图创造肥沃的土壤，或者让贫瘠的土地重新恢复生机，但是人们对自然界土壤肥沃的生态机制缺乏了解，特别是对其中植物多样性的作用知之甚少。
对此，明尼苏达大学的GeorgeN.Furey和DavidTilman自1994年起，就在一个废弃的农田里建立起了一个植物多样性实验。实验之前，6-8厘米的表土被清除，并多次翻耕整地，以消除杂草种子。随后，他们对多年生草地植物物种的组成和多样性进行了控制。研究人员选择了18种草本植物进行实验，分属为3个功能群大类，包括禾本科草本(grasses)、豆科草本(legumes)或杂草(forbs)。他们从中随机选择1、2、4、8或16个物种，分别播种栽种在154个9×9m的地块。23年后(2017年)，研究人员对土壤、植物进行了采样，分析其理化性质。
物种多样性提高土壤肥力
经过23年的种植，各个样地的土壤理化指标基本上得到了提升。但其中，只包含1个物种的样地的提升幅度最小，而含有16个物种的样地提升幅度最高，其土壤中的氮、钾、钙、镁、阳离子交换能力和碳的增加量要比单种样地的高出30～90%。
Figure1|物种多样性促进土壤肥力增长
物种多样性促进植物养分
而且，相比单种样地，栽种16个物种样地的植物生产力更高，其氮、钾、钙和镁的养分含量要高出150～370%。
Figure2|物种多样性提高植物地上和地下部分的养分含量
功能群多样性促进生态系统养分
此外，相比种植单一功能群草本的样地，具有高植物功能多样性(禾本+豆科+杂草)的地块的总养分库(植物+土壤)中积累的N、K、Ca和Mg明显更高。这些功能组中的植物物种在其组织N含量、组织K含量和根系质量之间存在权衡，这表明为什么所有三个功能组中的物种对土壤肥力的再生至关重要。
Figure3|不同功能群组成的生态系统总营养库的变化。G=禾本科草本;F=杂草;L=豆科草本;FL=杂草+豆科草本;GL=禾本科草本+豆科草本;GF=禾本科草本+杂草;GFL=禾本科草本+豆科草本+杂草。
Figure4|实验草本植物性状之间的权衡
研究结果表明，利用植物多样性可以增加弃耕土壤中的C储存和土壤肥力。增加植物功能的多样性有助于恢复其土壤肥力，这对于退化农业生态系统的恢复实践有指导作用。将该研究所得结果应用于牧场、覆土作物和间作系统，可以通过土壤碳储存提供温室气体效益，并减少单位作物产量所需的肥料量。
