半干旱条件下矿物氮与根瘤菌管理对Shisham（*Dalbergia sissoo*）-Jack Bean（*Canavalia ensiformis*）农林复合系统树木-作物表现、氮吸收及土壤氮状况的影响

《Nitrogen》：Mineral N and Rhizobium Management in Shisham (Dalbergia sissoo)–Jack Bean (Canavalia ensiformis) Agroforestry Under Semi-Arid Conditions: Effects on Tree–Crop Performance, N Uptake and Soil N Status

　　

氮素管理是豆科植物基农林复合系统的重要组成部分，尤其是在矿物氮输入与生物固氮相互作用的情况下。本研究在印度Bundelkhand半干旱条件下，评估了shisham（*Dalbergia sissoo* Roxb.）–jack bean（*Canavalia ensiformis* (L.) DC.）农林复合系统中对比矿物氮与根瘤菌（*Rhizobium*）管理处理的效果。试验于2022–2023和2023–2024年在印度Jhansi的Rani Lakshmi Bai中央农业大学（RLBCAU）林业研究农场进行，采用随机完全区组设计，设6个处理，4次重复。本研究评估了在半干旱农林复合系统下，对比矿物氮水平和根瘤菌接种对jack bean生长、产量、结瘤及氮吸收的影响，以及对shisham生长和土壤氮状况的影响。处理包括：单独jack bean施0%和100%推荐氮量，shisham–jack bean施0%、50%和100%推荐氮量，以及不施矿物氮但接种根瘤菌的shisham–jack bean。氮管理对jack bean的生长、产量、结瘤和氮浓度产生了显著影响。施用100%推荐氮量的单独jack bean（T2）表现出最高的株高（108.75 cm）、单株荚数（11.63）、每荚粒数（7.70）和籽粒产量（899 kg ha?1），而施用100%推荐氮量的shisham–jack bean系统（T5）获得了相似的籽粒产量（876 kg ha?1）。不施矿物氮但接种根瘤菌的shisham–jack bean（T6）表现出最显著的结瘤（每株37.35个根瘤）、根瘤干重（303.25 mg plant?1）、籽粒氮浓度（2.98%）、土壤NH??-N（10.15 mg kg?1）和NO??-N（6.68 mg kg?1）。植株总氮吸收量在T5处理下显著最高（53.63 kg N ha?1），且与T2和T6在统计上相当。shisham的生长和生物量积累同样在T5处理下达到最大，其树高为5.31 m，胸径为8.99 cm，总生物量为9.60 Mg ha?1。研究结果表明，适宜的矿物氮补充提高了shisham–jack bean系统的生产力，而在零矿物氮条件下，根瘤菌接种增强了结瘤，并与较高的植株氮浓度和土壤矿物氮相关。

**研究背景与问题**

农林复合系统通过在同一土地上组合木本多年生植物与农作物，为提高土地利用效率和可持续性提供了重要途径。这类系统通过凋落物沉积、根系周转、养分循环及植物-土壤微生物互作影响土壤肥力，在养分缺乏的环境中尤为重要。氮（N）是调控植物生长和生产力的关键养分，促进生物源氮的利用被广泛认可为可持续养分管理的重要组成。以豆科植物为基础的农林复合系统可通过生物固氮和富氮生物量循环贡献于氮周转，但其效益大小取决于物种、土壤条件和管理措施。*Dalbergia sissoo* Roxb.（shisham）是一种多用途固氮树种，广泛用于印度次大陆的农林复合系统，其庞大根系和共生能力使其在树木-作物生产系统中占据重要地位。虽然shisham具有共生固氮能力，但存在固氮树种并不意味着可以忽视伴生一年生作物的氮管理。农林复合系统中的氮有效性受生物固氮、植物吸收、凋落物分解、矿化、固定化及养分损失等多个相互作用的過程调控。jack bean（*Canavalia ensiformis* (L.) DC.）是一种具有较强生物量和固氮潜力的一年生豆科作物，能在相对不利的土壤和气候条件下生长，其结瘤和固氮能力受土壤肥力及根瘤菌共生体变异的影响。当树木和一年生豆科作物均具备共生固氮能力时，二者之间的交互作用及其对系统氮经济的影响，是农林复合系统中相对未被充分探索的方面。过量施用矿物氮可能抑制结瘤，而氮供应不足则可能限制作物生长和氮积累。此外，植物氮浓度反映的是土壤氮吸收、肥料氮、生物固氮及其他来源的综合效应，不能直接作为生物固氮量的定量指标。在半干旱条件下，关于shisham与jack bean组合对对比矿物氮和根瘤菌管理的响应的信息仍然有限，尤其是对jack bean生长、产量、结瘤、植株氮浓度与吸收，以及shisham生长和生物量积累的联合影响，以及土壤氮库变化的关注不足。

**研究目标与意义**

因此，本研究旨在评估印度Bundelkhand半干旱条件下shisham–jack bean农林复合系统中，对比矿物氮水平和根瘤菌接种对jack bean和shisham表现及土壤氮状况的影响。研究比较了单独jack bean和shisham–jack bean系统内的处理响应，并未独立量化固氮量或树木与作物间的氮转移。具体评估了：（i）jack bean的生长、产量、结瘤、植株氮浓度、氮吸收和氮收获指数；（ii）shisham的生长、生物量和碳属性；（iii）对比矿物氮和根瘤菌管理处理下的有效氮、NH??-N、NO??-N和土壤有机碳。

**主要关键技术方法**

试验于2022–2023和2023–2024年在印度Jhansi的RLBCAU林业研究农场（Bhojla）进行，该地区属半干旱至半湿润气候。采用随机完全区组设计（RCBD），设6个处理、4次重复。处理包括：T1（单独jack bean，不施矿物氮、不接种根瘤菌）、T2（单独jack bean，施100%推荐氮量，即40 kg N ha?1）、T3（shisham+jack bean，不施矿物氮、不接种）、T4（shisham+jack bean，施50%推荐氮量，即20 kg N ha?1）、T5（shisham+jack bean，施100%推荐氮量，即40 kg N ha?1）、T6（shisham+jack bean，接种根瘤菌，不施矿物氮）。氮肥以尿素形式按推荐方法施用；T6的jack bean种子以10 g kg?1种子的商品根瘤菌接种剂进行拌种。shisham树间距固定为4 m×4 m，试验开始时树龄约2年。jack bean生长和产量性状在收获期测定；结瘤参数在开花期（播后70–90天）测定；种子和秸秆氮浓度采用Kjeldahl消化-蒸馏法测定；氮吸收和氮收获指数按标准公式计算。shisham树高用Ravi测高仪测定，胸径（DBH）在1.37 m处用树卡尺测定，地上生物量（AGB）采用物种特异性异速方程估算，地下生物量（BGB）按根冠比0.26计算，碳储量按生物量×0.47估算，碳封存潜力按碳储量×3.67计算。土壤样本在试验前和收获后于0–15 cm深度采集，测定了土壤有机碳（SOC）、有效氮、NH??-N和NO??-N。统计分析采用适合RCBD的方差分析（ANOVA），处理均值在p≤0.05水平用临界差（CD）比较，相关分析使用R软件corrplot和fmsb包。

**研究结果**

*3.1 Jack Bean的生长和产量性状*

不同处理显著影响jack bean的生长和产量性状。T2（单独jack bean+100%推荐氮）的株高最高（108.75 cm），与T5（105.00 cm）统计相当；T3（shisham+jack bean，不施氮）最低（82.50 cm）。单株荚数、每荚粒数、籽粒产量和秸秆产量均以T2最高（分别为11.63、7.70、899 kg ha?1和1829 kg ha?1），且与T5（11.45、7.38、876 kg ha?1和1771 kg ha?1）相当，T3最低（544 kg ha?1和1344 kg ha?1）。这表明在shisham基系统中补充全量推荐氮可维持与单作相当的jack bean生产力。

*3.2 Jack Bean的结瘤和根瘤干重*

结瘤参数受处理显著影响。T6（shisham+jack bean+根瘤菌接种+0%矿物氮）的根瘤数最高（每株37.35个），根瘤干重也最高（303.25 mg plant?1）；T1最低。矿物氮施用（T2）降低了结瘤，而根瘤菌接种在零矿物氮条件下显著增强了结瘤。

*3.3 Jack Bean的氮浓度、氮吸收和氮收获指数*

种子氮浓度在T6下最高（2.98%），T1最低（2.51%）；秸秆氮浓度T6最高（1.66%），与T5（1.61%）相当。种子、秸秆和总氮吸收量在T5最高（25.07、28.56和53.63 kg N ha?1），与T2（24.74、27.21和51.95 kg N ha?1）和T6（24.65、27.80和52.45 kg N ha?1）统计相当。氮收获指数以T2最高（47.62%），与T4、T5和T6相当。

*3.4 Shisham的生长、生物量和碳储量*

shisham生长参数在T5下最高：树高5.31 m，DBH 8.99 cm，总生物量9.60 Mg ha?1，均显著高于其他处理；T3最低（树高4.23 m，DBH 6.40 cm，总生物量等相应较低）。碳储量（CS）和碳封存潜力（CSP）同样以T5最高（4.51 Mg C ha?1和16.56 Mg ha?1），T3最低（CSP为6.19 Mg ha?1）。这表明充分氮供应促进了树木生长和碳积累。

*3.5 土壤有效氮、矿物氮和有机碳*

与初始有效氮（106.75 kg ha?1）相比，T5和T6收获后土壤有效氮分别增加24.36%和23.13%。T5有效氮最高（132.75 kg ha?1），与T6（131.5 kg ha?1）相当，T1最低（103.5 kg ha?1）。土壤NH??-N和NO??-N均以T6最高（10.15和6.68 mg kg?1），T1最低（7.88和4.00 mg kg?1）。土壤有机碳（OC）在T5和T6最高（0.40%），T1最低（0.34%）。表明shisham–jack bean系统配合根瘤菌接种改善了土壤氮素有效性。

*3.6 相关性分析*

Pearson相关分析显示，大多数农艺和土壤属性间呈正相关。株高与单株荚数（r=1.00）、籽粒产量（r=1.00）、籽粒产量（r=0.98）和秸秆产量（r=0.98）呈强正相关。种子氮吸收与秸秆氮吸收（r=0.99）和总氮吸收（r=1.00）高度相关。土壤氮与种子氮浓度（r=0.95）、秸秆氮浓度（r=0.98）、NH??-N（r=0.96）和NO??-N（r=0.96）呈强正相关。有机碳与NH??-N（r=0.96）、NO??-N（r=0.94）和有效氮（r=0.92）强相关。这些结果反映了土壤肥力、氮有效性、氮吸收和作物生产力之间的紧密联系。

**讨论与结论**

讨论指出，T2和T5的较高产量归因于充足的氮供应促进叶片发育和光合作用，而T3的低产可能反映外部氮缺乏及与shisham竞争土壤水分和养分的综合效应，不应仅归因于氮缺乏。T6的优良结瘤表现说明根瘤菌接种建立了有效的豆科植物-根瘤菌共生关系，而矿物氮对结瘤具有抑制作用。T6在无矿物氮条件下仍获得较高的氮吸收，提示接种可能改善了生物氮获取。T5下shisham生长和碳储量最高，表明氮供应促进碳同化和生物量积累。T6下较高的土壤矿物氮可能源于豆科组分的生物氮输入，但本研究未直接量化固氮量或种间氮转移。较高的SOC（T5、T6）可能与树木和作物根系周转及凋落物输入有关，但这些输入未被直接测定。研究结论表明，将适宜的矿物氮施用与有效的生物氮管理相结合，可提高shisham基农林复合系统的生产力和氮有效性。然而，观察到的结瘤、氮浓度和土壤矿物氮增加不应被视作生物固氮量或shisham与jack bean间氮转移的确证。后续研究建议采用1?N技术并延长土壤氮监测周期，以定量生物固氮和氮转移，并评估该系统的长期可持续性。