《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Alfalfa-mediated phytoremediation and soil restoration for sustainable cereal and fruit crop production: a review of roles, detoxification mechanisms, nitrogen enhancement, and agroecological integration
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摘要：由重金属、石油烃及过量农化投入导致的土壤污染，加之土壤肥力下降，对可持续的谷类和水果生产以及全球粮食安全构成了重大威胁。本综述综合了2000年至2026年间发表的同行评议研究证据，评估了紫花苜蓿作为生物土壤工程师在植物修复、土壤恢复和可持续农业集约化中的
摘要：由重金属、石油烃及过量农化投入导致的土壤污染，加之土壤肥力下降，对可持续的谷类和水果生产以及全球粮食安全构成了重大威胁。本综述综合了2000年至2026年间发表的同行评议研究证据，评估了紫花苜蓿作为生物土壤工程师在植物修复、土壤恢复和可持续农业集约化中的多功能作用。综述证据表明，紫花苜蓿可通过植物提取、植物稳定化和根际介导的有机污染物降解，促进污染土壤的修复，同时通过生物固氮改善土壤肥力。其深广的根系系统可增强土壤结构、团聚体形成、持水能力和土壤有机碳，同时促进有益微生物群落、养分循环以及对土传病原菌的抑制。在谷类作物系统中，这些过程可降低污染物生物有效性，减少对合成肥料的依赖，并提高后续作物的生产力和韧性。在水果作物系统（包括果园和多年生种植系统）中，紫花苜蓿可通过间作或覆盖作物提供额外效益，包括氮输入、改善土壤水分保持、增强土壤生物活性以及潜在的经济回报。然而，污染物在紫花苜蓿生物量中的积累仍是一个重要的饲料和食品安全问题，凸显了严格污染物监测和适当生物量管理的必要性。新兴方法，包括靶向微生物接种、生物炭改良、间作策略和基因编辑技术，可进一步提高修复效率和农业生态系统可持续性。总体而言，将紫花苜蓿整合到谷类和水果生产系统中，是一种有前景的基于自然的途径，可用于恢复退化土壤、提升土壤韧性、减少外部投入并支持可持续作物生产。未来研究应优先开展长期、多地点田间试验，以评估修复性能、污染物质量平衡、植物-微生物互作、生物量安全性以及谷类和水果生产系统的长期生产力。
2 综述方法论
2.1 文献检索策略与数据来源
于2025年10月在六个电子数据库（Web of Science、Scopus、Springer Nature、PubMed/PMC、ScienceDirect和MDPI）中进行系统性文献检索。检索聚焦于紫花苜蓿与植物修复、根际修复、土壤健康、病虫害管理、重金属、石油烃、农药、农用化学品以及谷类和水果生产系统（包括小麦、玉米、大麦、苹果、梨、柑橘、葡萄和草莓轮作或间作）的关系。检索使用了关键词和医学主题词表的布尔组合。此外，还对选定文章的参考文献列表和相关综述进行了人工筛查，以补充未通过数据库检索获得的研究。
2.2 纳入与排除标准
本综述纳入了涉及紫花苜蓿与污染物相互作用、修复过程、土壤改良剂、根际微生物学、固氮、土壤恢复、病虫害管理或后续谷类和水果作物表现的同行评议研究论文、综述文章以及田间或温室研究。考虑了呈现定性或定量发现的研究，特别关注紫花苜蓿在生物修复、土壤改良、气候适应以及可持续谷类和水果生产中的作用。非同行评议出版物、方法学信息不充分的研究以及与紫花苜蓿、植物修复、土壤恢复或气候适应性谷类和水果生产无关的文章被排除。记录经去重后，使用Rayyan分两阶段筛选：先按标题和摘要筛选，再根据预定的资格标准进行全文评估。研究选择过程，包括识别、筛选、纳入和排除的记录数量，已在PRISMA 2020流程图中展示。
2.3 涵盖的时间段与质量评估
本综述聚焦近期文献，其中75.5%的纳入研究发表于2020至2026年间，涵盖了温室气体减排、土壤健康、生物修复、土壤恢复和害虫管理方面的最新进展。其余24.5%的研究发表于2020年之前，提供了关于紫花苜蓿生理学、植物修复、固氮、微生物相互作用和作物轮作的基本背景和历史脉络。该方法允许在考虑最新进展的同时，保留理解该领域发展所必需的历史研究。采用结构化框架评估所选研究的方法学质量和相关性。评估考虑了方法的清晰度和可重复性、实验设计的适宜性、样本量以及研究是在受控条件还是田间条件下进行的。特别关注了污染物浓度、土壤性质、植物物种或品种、环境条件和实验持续时间的报告情况。还根据研究是否清晰区分了植物生理响应与实际污染物去除或降解来进行评估。当文章提供了足够的方**细节以及与紫花苜蓿介导的生物修复、土壤恢复、根际过程、氮素增强、病虫害管理或可持续谷类和水果生产相关的相关证据时，予以保留。此程序确保综述基于科学相关且方法学可信的证据。
2.4 紫花苜蓿的作用
2.4.1 紫花苜蓿的多功能农艺、生态和生物学作用
紫花苜蓿是一种多功能多年生豆科植物，可改善土壤肥力、养分循环、碳储存、微生物活性、水分调节以及相关或后续谷类和水果作物的韧性。它对谷类和水果系统的主要贡献是生物固氮。通过与根瘤菌共生，紫花苜蓿将大气中的N2转化为植物可利用的氮，储存在植物生物量中，并通过根系周转、根际沉积和残体分解返回土壤。在谷类轮作中，这种生物氮输入可减少对合成氮肥的依赖并提高氮利用效率。在水果生产系统中，紫花苜蓿间作可为伴生作物提供大量氮素。紫花苜蓿的第二个主要作用是通过深层扎根和养分再分配改善土壤结构。其持久的主根系统可深入土壤2-3米，形成大孔隙，改善团聚体结构，增加入渗，降低容重，限制侵蚀。紫花苜蓿还在土壤有机质积累和碳封存中发挥重要作用。高生物量产量、持续的根系生长、残体输入和微生物坏死物形成增加了土壤有机碳。紫花苜蓿的另一个重要功能是通过微生物刺激和生化活性进行根际调控。根系分泌物刺激参与植物促生、养分循环和有机物分解的有益微生物。紫花苜蓿进一步有助于水土保持以及害虫、杂草和病害的生物调控。其茂密的冠层和广泛的根系保护土壤免受风蚀和水蚀。作为一种轮作作物，紫花苜蓿可中断谷类病害循环，并在适当的轮作管理下减少病原压力、杂草竞争和农药依赖。在条带种植系统中，紫花苜蓿可通过为天敌提供栖息地和替代资源来加强对害虫的生物防治。在水果系统中，紫花苜蓿充当功能性蜜源植物。除了养分和土壤功能外，紫花苜蓿还提供额外的环境服务。其根际可刺激能够降解有机污染物的微生物。紫花苜蓿还具有重金属植物修复潜力。在葡萄系统中，紫花苜蓿间作通过植物稳定化减轻了重金属毒性。紫花苜蓿在水资源保护和抗旱性方面也发挥着重要作用。然而，在半干旱地区长期的紫花苜蓿单作可能导致严重的深层土壤干化，需要通过保护性农业与浅根作物进行战略性轮作以恢复土壤水分。紫花苜蓿间作与谷物如大麦结合，并结合植物促生微生物，可缓解干旱和盐胁迫。紫花苜蓿间作还能在果树建园期产生经济效益。然而，权衡需要因地制宜的管理。紫花苜蓿的多功能性还延伸到牲畜营养和生物学应用。总体而言，紫花苜蓿在谷类和水果系统中充当多功能生物土壤工程师。将这些功能整合到谷类轮作和水果种植系统中，代表了一种有前景的策略，以减少外部投入、提高资源利用效率、增强气候韧性并支持长期农业可持续性。
2.4.2 紫花苜蓿在谷类和水果农业生态系统中的污染物修复
污染物修复已成为全球农业的一个主要优先事项。在谷类农业生态系统中，紫花苜蓿已显示出相当大的重金属修复潜力。其种植与土壤污染物浓度或生物有效性的降低有关，并改善了用于后续谷类生产的土壤。例如，在弱碱性土壤中将玉米与紫花苜蓿间作，与铜、锌、铅和镉的浓度或生物有效性降低相关。在水果农业生态系统中，重金属污染也受到了相当多的关注，主要是由于在葡萄栽培和果园中长期使用铜基杀菌剂。紫花苜蓿广泛的根系系统及其与固氮根瘤菌的共生关系使其成为污染农业土壤修复的理想候选植物，但其有效性强烈依赖于土壤和污染物条件。关于葡萄-紫花苜蓿间作的研究揭示了显著的、依赖于土壤的效应。在农业土壤中，与紫花苜蓿及其根瘤菌间作据报道可增加葡萄枝条生物量并改善光合性能。在镉/铅污染的土壤中，这种关联与通过抗氧化酶变化缓解金属胁迫、降低脂质过氧化和提高水分利用效率有关。然而，紫花苜蓿在水果系统中的功效存在显著权衡和局限性。在金属污染土壤中，间作并不总能一致地改善葡萄生物量，并可能引起根区竞争。此外，覆盖作物效应具有高度的物种特异性。一个关键的弱点是紫花苜蓿对铜的敏感性。关于农用化学品和有机污染物，谷类和水果系统之间直接证据的可用性差异尤为明显。在谷类和其他一年生农业系统中，研究表明紫花苜蓿具有农用化学品衰减的潜力。相反，关于紫花苜蓿在主要水果作物系统中修复农药、除草剂或持久性有机污染物的可比直接证据基本缺失或非常有限。最终，虽然紫花苜蓿种植与特定环境条件下土壤质量和水分条件的改善以及更有利于后续谷类生产的条件相关，但其修复效果必须根据污染物类型、土壤条件、修复机制以及主要作物的响应进行评估。对于水果系统，许多关于紫花苜蓿介导的重金属胁迫响应的现有机制证据来自受控的温室或盆栽试验。因此，将这些发现外推至成熟葡萄园和果园需要谨慎。成功应用紫花苜蓿为基础的修复最终需要对土壤化学、污染物迁移性、植物-微生物互作、作物竞争和长期污染物转移进行特定地点的评估，以平衡环境修复与可持续作物生产和食品安全。
2.4.3 通过协同策略和农业生态整合增强紫花苜蓿在谷类农业生态系统中的植物修复
紫花苜蓿是一种多功能豆科植物，可同时促进土壤恢复、植物修复和可持续作物生产。紫花苜蓿支持多种植物修复途径，具体取决于污染物类型。对于有机污染物，特别是总石油烃和多环芳烃，根际降解尤为重要，因为根系分泌物刺激能够转化污染物的微生物种群。相比之下，重金属如铜、锌和铅可通过植物提取去除，或通过植物稳定化保留在根部和根际。微生物接种可以显著加强基于紫花苜蓿的修复。在石油污染系统中，红球菌属和含有芽孢杆菌属、戴尔福特菌属和寡养单胞菌属的细菌联合体已增强了烃类降解，同时支持植物生长和胁迫耐受性。DNA稳定同位素探针进一步证明，紫花苜蓿来源的碳可以刺激固氮和PAH降解微生物群落，表明在污染根际中存在功能性碳-氮耦合机制。在金属污染土壤中，植物促生根际细菌和根瘤菌接种可改变金属生物有效性，同时提高植物生物量、抗氧化活性、土壤酶活性和微生物多样性。先进的改良剂可以提供额外益处。生物炭固定化的微生物制剂可提高接种物存活率并支持本土降解菌。然而，螯合剂和其他改良剂需要谨慎管理，因为增加的金属迁移性也可能增加淋溶风险。除了修复之外，紫花苜蓿还可以通过谷类-豆科间作支持农业生态集约化。互补的根系分布和养分获取使谷类能够利用表层资源，而紫花苜蓿则获取深层水分和养分并提供生物固定的氮。尽管如此，生产力效益不应自动解释为植物修复改善了后续谷类的表现。尽管有这些有希望的结果，但一些局限性限制了基于紫花苜蓿的协同系统向田间规模农业的转化。许多研究是短期盆栽试验，通常持续60-90天，并使用新鲜污染或高度受控的土壤，不能代表田间污染的异质性和老化过程。未来研究应优先考虑多年田间试验，整合污染物质量平衡、生物有效性、植物组织浓度、微生物持久性、土壤恢复、谷类产量、籽粒质量和经济可行性。
2.4.4 紫花苜蓿植物修复与PGPR/AMF：水果农业生态系统农业生态整合的协同策略
紫花苜蓿因其高生物量产量、深主根系统和共生固氮能力，是潜在有毒元素污染土壤修复和水果农业生态系统生态集约化的有前景候选者。在谷类农业生态系统中，许多研究表明基于紫花苜蓿的策略主要依赖紫花苜蓿自身的共生体、根瘤菌和丛枝菌根真菌，结合间作来驱动植物修复和土壤恢复。相比之下，在水果农业生态系统中，紫花苜蓿主要用作间作或覆盖作物，而胁迫缓解和养分获取则依赖于直接施用于果树的、外源应用的PGPR和AMF接种剂。在直接的农业生态整合方面，长期开放田间试验表明，果树与紫花苜蓿和多年生草本植物间作显著改善了苹果和桑园的土壤有机质、酶活性和细菌多样性。然而，将紫花苜蓿间作与成熟果园中的潜在有毒元素解毒和微生物胁迫缓解联系起来的证据仍然有限，大多数数据来自使用幼龄砧木的短期温室盆栽试验。例如，在镉和铅胁迫下的葡萄-紫花苜蓿间作研究表明，接种根瘤菌的紫花苜蓿可以减轻幼龄葡萄的氧化胁迫并改善光合效率，而最近的受控研究表明种间竞争可能限制过量的痕量金属吸收。虽然有价值，但这些发现明确受限于其受控条件和对幼龄砧木的使用，极大地限制了向成熟露天果园的外推。除了紫花苜蓿间作，植物促生根际细菌和丛枝菌根真菌的联合接种提供了协同策略，在受控系统中增强了水果作物在非生物胁迫下的养分获取并调节了胁迫相关的激素通路。然而，必须严格区分直接来自果树本身的证据与来自一年生作物、模式植物或孤立幼苗的机制证据。因此，目前对受控温室条件和幼龄幼苗的依赖极大地限制了将这些机制见解转化为成熟果园的实际农业应用。未来的农业生态框架应优先在成熟果园中进行多点、多季节的田间试验。
