地中海地区年轻农林复合系统提升地块水平氮储量的机制研究：基于15N标记实验与生物固氮评估

本研究针对地中海地区农林复合系统(AF)中氮素保留机制不明确的问题，通过2年田间试验结合15N标记技术，首次量化了刺槐(Robinia pseudoacacia)树木的"安全网效应"和生物固氮贡献。研究发现AF系统通过树木和下层植被带(UVS)的协同作用，使地块水平氮储量较单作系统(MC)提升62%，其中刺槐52-68%的氮源自大气固定(14-18 kg N ha-1)。该成果为地中海地区可持续农业提供了重要理论支撑，发表于《Agroforestry Systems》。

　　

在地中海沿岸的农田里，农民们长期面临着一个两难困境：既要维持作物产量，又要防止宝贵的氮素随雨水流失。传统单作农业中，施用的氮肥约有30-50%会通过淋溶或气体挥发损失，这不仅造成资源浪费，还会引发水体富营养化。农林复合系统(Agroforestry System, AF)被认为可能解决这个问题——深根性树木像"安全网"一样捕获渗漏的养分，而豆科树种还能通过根瘤菌固定大气氮素。但令人惊讶的是，这种被广泛宣传的"养分安全网假说"在年轻农林系统中缺乏直接证据，特别是当系统包含固氮树种且处于高投入管理时。

法国巴黎萨克雷大学的Mubarak Mahmud团队在蒙彼利埃附近的INRAE仪器化农林站点(DIAMs)展开了一项创新研究。他们选择4年生的刺槐-大麦/豌豆轮作系统，通过¹⁵N标记追踪氮素去向，同时采用自然丰度法测定生物固氮比例(%Ndfa)。研究团队设计了分块实验，包含农林复合(AF)和单作对照(MC)，在2021-2022年监测了所有系统组分（作物、杂草、UVS、树木、根际土壤和微生物量）的氮动态。关键技术包括：¹⁵N标记实验（施用98%丰度的尿素溶液4.6 kg ha^-1）、氯仿熏蒸提取法测定微生物量、稳定同位素比率质谱(IRMS)分析，以及基于Marron等建立的B值校正模型计算%Ndfa。样本来源于地中海气候区（年均温15.5°C，降水556 mm）的骨骼红色淋溶土场地。

¹⁵N在作物、树木和土壤中的分布

研究首次捕捉到刺槐延迟吸收氮素的现象：标记70天后树木未检出¹⁵N，但14个月后回收率达2%，主要储存在根系(3.8 mg tree^-1)和树干(3.0 mg tree^-1)。

15N过量百分比'>这一发现印证了"安全网效应"的时间依赖性——树木需要足够时间发展根系才能拦截淋溶养分。

氮储量格局转变

尽管AF系统中作物氮储量比MC低13-30%，但树木(136-169 g N tree^-1)和UVS的补偿使地块总氮储量在2022年反超63%。

微生物量氮仅占土壤总氮1-10%，暗示深层微生物可能发挥更重要作用。

刺槐固氮效能

采用UVS草本作为参照植物，计算出刺槐52-68%的氮源自大气固定，年输入量达14-18 kg N ha^-1。这一结果低于纯林数据，研究者认为与施肥抑制固氮酶活性有关。

这项研究为地中海地区农林复合实践提供了三项关键启示：首先，年轻刺槐系统需要3-5年才能显现氮素拦截功能；其次，UVS作为"生物篱笆"可减少11-15%的氮流失；最后，尽管固氮效率受施肥影响，刺槐仍能替代约20%的化学氮肥需求。论文特别指出，未来需结合淋溶层监测和¹⁵N池稀释技术，以精确量化氮素气态损失。这些发现不仅验证了"安全网假说"在年轻系统中的适用性，还为应对气候变化下的氮素管理提供了新思路——在干旱加剧情境下，刺槐能通过增加根瘤生物量维持固氮能力，这种特性使其成为构建气候韧性农业的重要组分。