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在地中海灌溉系统中，密集玉米种植引发土壤退化和氮积累问题。研究人员开展 “土壤管理和前茬作物施氮对紫花苜蓿生产力影响” 的研究。结果表明免耕促进紫花苜蓿早期生长和固氮，过量残氮不利。该研究为农业可持续发展提供策略。
在风光旖旎的地中海地区，农业生产正面临着严峻的挑战。随着当地农业生产系统不断集约化，一系列环境问题接踵而至。在灌溉农业发达的区域，高度集约化的玉米（Zea mays L.）种植体系迅速扩张。从 2000 年到 2023 年，仅在埃布罗河谷地区，这类种植系统就增加了 9%。然而，这种发展模式带来了诸多弊端。一方面，频繁的高强度耕作使得土壤结构遭到破坏，土壤中的有机物质不断减少，加剧了水土流失风险。另一方面，大量使用氮肥虽然能在一定程度上提高玉米产量，但也导致土壤中氮素大量残留。这些残留的氮素不仅容易随着雨水冲刷污染地下水，还会产生温室气体，破坏生态系统的营养平衡，对当地生态环境造成了极大的压力。
在这样的背景下，寻找一种可持续的农业发展模式迫在眉睫。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作为一种多年生豆科植物，进入了科研人员的视野。它对生长环境要求不高，在种植后的 3 - 5 年内，只需进行简单的前期准备工作，后续维护成本较低。而且，紫花苜蓿具有独特的固氮能力，能与土壤中的根瘤菌共生，将空气中的氮气转化为植物可利用的氮素，减少对外部氮肥的依赖，有效缓解土壤中氮素过量的问题。同时，它还能改善土壤结构，抑制与玉米相关的病虫害和杂草生长，为农业生态系统的修复和可持续发展提供了新的可能。但在不同耕作方式下，紫花苜蓿的生长情况以及它在生物固氮方面的表现如何，不同残留氮水平又会对其产生怎样的影响，这些问题尚不清楚。
来自西班牙的研究人员为了深入探究这些问题，开展了一项为期三年（2019 - 2021）的田间实验。实验采用随机区组设计，设置了两个关键因素：耕作系统（传统耕作（CT）和免耕（NT））以及前茬玉米作物施肥导致的土壤残留氮水平（0、200 和 400 kg N ha?1） 。研究人员通过多种方式监测实验数据，用自然 1?N 丰度法测定生物固氮量，利用宏观团聚体稳定性分析评估土壤结构变化，同时定期测量紫花苜蓿生物量产量、土壤矿物质氮含量和土壤水分等指标。
在实验过程中，研究人员发现了许多有趣的现象。在土壤水分和矿物质氮含量方面，NT 处理在实验初期表现出明显优势。在紫花苜蓿种植前，NT 处理的土壤含水量比 CT 处理高，在 0 - 10 cm 深度的表层土壤中，NT 处理在第一年的含水量也更高，且这种差异与采样时间和耕作系统的交互作用密切相关。在矿物质氮含量上，实验开始时 CT 处理的土壤矿物质氮含量显著高于 NT 处理，且不同的残留氮施肥水平和采样时间也会对土壤矿物质氮含量产生显著影响。
生物固氮方面，NT 处理在第一年的生物固氮量明显高于 CT 处理，这得益于 NT 为根瘤菌创造了更适宜的生存环境，促进了结瘤和固氮。但随着时间推移，两种处理的生物固氮量逐渐趋于一致。这主要是因为土壤氮素的消耗以及紫花苜蓿根系对土壤性质的改善作用。
紫花苜蓿产量受耕作系统和收获时间的交互影响显著。在第一年的前四次收获中，NT 处理的产量明显高于 CT 处理，平均干生物量产量分别为 3190 kg ha?1 和 2415 kg ha?1 。而残留氮施肥水平与采样时间的交互作用也影响着产量，在实验初期，有残留施肥的地块产量较高，但随着时间推移，未施肥地块产量逐渐超过施肥地块。
在土壤结构方面，实验初期 NT 处理的大粒径无砂水稳性团聚体比例显著高于 CT 处理，但到实验结束时，两种处理之间的差异消失，这表明紫花苜蓿在生长过程中对 CT 处理的土壤结构起到了明显的修复作用。
综合这些实验结果，研究人员得出结论：免耕在紫花苜蓿种植初期具有显著优势，它能够提高土壤保水性和生物固氮能力，促进紫花苜蓿的生长和早期发育。然而，随着紫花苜蓿的生长，它对土壤性质的修复作用逐渐显现，使得不同耕作系统之间的差异逐渐缩小。前茬作物残留的过量氮会抑制紫花苜蓿的生物固氮过程，对其产量产生负面影响。
这项研究成果发表在《Field Crops Research》上，为地中海地区的农业可持续发展提供了重要的理论依据和实践指导。它明确了免耕紫花苜蓿在改善土壤健康、优化氮利用效率方面的重要作用，为当地农民调整种植模式提供了科学参考。同时，也为全球面临类似农业环境问题的地区提供了宝贵的经验借鉴，推动了可持续农业发展的研究进程。
在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：一是随机区组实验设计，通过设置不同的耕作系统和残留氮水平，构建多种实验处理组，保证实验结果的可靠性和科学性；二是利用自然 1?N 丰度法测定生物固氮量，精确量化紫花苜蓿从空气中固定的氮素比例；三是进行土壤和生物量采样分析，定期采集不同深度的土壤样本，测定土壤水分、矿物质氮含量等指标，同时采集紫花苜蓿生物量样本测定产量，全面获取实验数据。
