半干旱农林业系统中木豆（*Cajanus cajan*）的高固氮率及其向伴生作物的氮转移

将木豆作为豆科灌木整合到农林业系统（AFS）中有望提升土壤氮素及其对伴生作物的可利用性。本研究旨在估算为期三个月内，两年生木豆（*Cajanus cajan*）作为单作及与木薯（*Manihot esculenta*）间作时的固氮率（%Ndfa），以及木豆向木薯的氮转移率（%Ndft）。研究采用¹⁵N同位素稀释法，以六个月生单作木薯作为参照植物。在农田中随机选取9个小区（每处理3次重复），每个小区划定100 m²区域，使用98 atom% ¹⁵N-NH₄溶液进行土壤标记。采集两种植物的样品进行同位素分析。结果表明，两种木豆种植系统的%Ndfa均为100%。按种植日起算%Ndfa为100%，单作木豆的固氮量（19.7 kg N ha⁻¹）是木豆-木薯间作系统（7.4 kg N ha⁻¹）的两倍，这与单作木豆种植密度高于间作系统2.8倍的结果一致。木豆向木薯的氮转移率在木薯位于木豆行间中部位置时（73.9%）显著高于紧邻木豆行时（42.8%）。研究结果表明，将木豆整合到半干旱AFS中可改善伴生作物的氮素状况，尤其适用于未施肥的AFS。

**研究背景与问题**

农林业系统（AFS）被定义为包含至少一种多年生木本物种及一种饲用或一年生/多年生作物的混作系统。这类系统能够维持小农生产并带来社会、经济和环境效益，其耕作需求低于一年生作物系统，且能为土壤提供更多有机质，从而改善作物营养状况。AFS常包含固氮植物物种（NFS），有助于改善土壤肥力和作物营养，尤其在氮素频繁匮乏的半干旱地区具有重要作用。传统种植系统中氮素通过收获输出、氨（NH₃）挥发以及硝酸盐（NO₃⁻）和铵（NH₄⁺）淋溶等途径损失，而固氮乔灌木物种可减少AFS中的氮损失，并通过大气双氮（N₂）固定为系统供应氮素。该过程受土壤养分和季节变化等环境因素影响，干旱胁迫和低磷（P）条件均会降低固氮效率。与NFS伴生的作物可通过根系分泌物和菌根网络直接获得氮转移，或通过凋落物矿化、细根和根瘤周转间接获益。前期热带环境研究表明，当伴生作物靠近NFS时，氮转移可能更强。

木豆（*Cajanus cajan* (L.) Millsp）是适用于半干旱地区的推荐NFS之一，具有适应低降雨和贫瘠土壤等恶劣条件的特性，能高效固定大气N₂。马达加斯加南部Androy地区属半干旱气候，频繁遭受干旱和强风侵蚀，加之普遍贫困导致森林砍伐、土壤肥力低下和农业生产力不足。为此，当地自2014年起实施"生态农业区块"土地利用策略，其中农林业区域（AFS-zones）结合乔灌木和匍匐植物以限制风蚀、改善土壤肥力。木豆是这些AFS-zones的关键物种之一，常与木薯、高粱或玉米间作。由于当地农民肥料获取有限，土壤养分逐渐耗竭，木豆的整合有望促进氮输入并改善土壤和伴生作物的氮素状况。胁迫梯度假说认为，在类似研究区的胁迫环境条件下，促进作用（如N₂固定和氮转移）增强而竞争作用减弱。然而，目前尚缺乏马达加斯加半干旱地区AFS固氮量的信息，也无木豆参与AFS中氮转移的报道。

**研究目的与方法**

研究人员旨在评估木豆的固氮率及向伴生作物的氮转移量，假设在恶劣条件下两个过程均保持高效率，并假设紧邻木豆行位置的氮转移高于行间位置。研究在马达加斯加南部Androy地区Karoke Mahandrorano AFS-zone进行，该站点建于2013年，土壤为FAO分类的雏形沙土，下层为石灰岩，基岩出露深度约150 cm。土壤质地均匀，0-30 cm深度含79%砂、18%黏土、3%粉砂；pH_H2O为7.2-9.1；总氮低于临界水平和缺乏阈值，有效磷接近临界水平但高于缺乏阈值。气候属柯本-盖格尔分类的BSh（半干旱炎热），湿季12月至次年4月，干季5月至11月；年均温24.4°C，年降雨量300-600 mm，潜在蒸散量518 mm year⁻¹，全年超过降雨量。研究于2024年1月至4月开展，期间平均气温22.5°C，累计降雨量224 mm。

研究采用¹⁵N同位素稀释法估算%Ndfa，应用于单作木豆、木豆-木薯间作和单作木薯三种系统。九块农田随机选取，对应三个处理（单作木豆、间作、单作木薯），每处理3次重复。实验时木豆均为两年生，木薯为六个月生。以非固氮物种木薯作为%Ndfa估算的参照植物。各小区划定100 m²区域，于2024年1月15-17日施用98 atom% ¹⁵N-NH₄Cl溶液，施氮量0.8 kg N ha⁻¹，稀释后均匀浇施于土壤。研究人员记录木豆种植密度和株高，单作系统木豆密度3464株 ha⁻¹，间作系统1216株 ha⁻¹，木豆行距6-8 m。分别于标记前（2024年1月）和90天后（2024年4月）采集叶片样品：单作木豆从5株按十字形排列的植株上部冠层采集；单作木薯从10株采集；间作系统中木豆从一行5株采集，木薯则在与木豆行相邻、1/4行距和1/2行距三个位置采样。样品60°C烘干至恒重，粉碎后送SILVATECH实验室进行¹⁵N和全氮分析，使用元素分析仪联用连续流同位素比值质谱仪测定，δ¹⁵N测量精度0.5‰。计算%Ndfa和%Ndft的公式涉及¹⁵N原子丰度（AE）等参数。统计采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验。

**研究结果**

**¹⁵N值与固氮率（%Ndfa）**：实验开始时，原子丰度（AE）均值在不同作物系统间差异显著，单作木薯叶片最高（0.007 atom%），单作和间作木豆较低（分别为0.003和0.002 atom%）。90天后，单作木薯叶片AE仍显著高于两种木豆系统。木豆叶片初始氮含量显著高于木薯，90天后依然如此。两种木豆系统的%Ndfa在90天实验期内均为100%。

**固氮输入量**：尽管种植密度差异显著，两种系统中木豆株高相似（180-190 cm）。单株固氮量间作系统（7.31 g N plant⁻¹）高于单作（5.70 g N plant⁻¹），反映间作单株叶生物量更高。但按种植密度换算，两年总氮输入单作（19.76 kg N ha⁻¹）是间作（7.40 kg N ha⁻¹）的两倍。

**木豆向木薯的氮转移（%Ndft）**：90天后，三个系统δ¹⁵N_final均值差异显著，单作木薯最高（227.1‰），间作木豆最低（28.4‰）。木薯与木豆的距离对δ¹⁵N_final无显著影响，但%Ndft随距离增加显著变化（p-value < 0.001），1/2行距处最高（73.9%），显著高于相邻位置（52.4%）和1/4行距处（42.9%）。

**讨论与结论**

**木豆的高效固氮**：研究假设得到验证，木豆在单作和间作系统中均表现100%的%Ndfa，与印度、肯尼亚、马拉维和坦桑尼亚等半干旱地区的先前报道一致。高水平固氮反映了木豆即使在恶劣气候和贫瘠土壤中也能与本土根瘤菌建立有效共生关系的能力。土壤氮缺乏可促进固氮，而充足的磷供应为固氮能量需求提供支持。研究局限性在于实验仅在雨季进行，而干季可能限制生物量和固氮量；但木豆凭借其深根系和高水分利用效率，即使在热带干旱条件下也能维持固氮。

**间作系统的氮转移动态**：氮转移率42%-72%的假设得到证实，木薯氮状况因此改善，这与细根分解、根瘤周转、根沉积释放氮素以及菌根网络转移等途径有关。与以往研究不同，本研究发现距木豆行越远氮转移率越高，这可能源于木豆根系的时空动态——木豆侧根可延伸至4 m，75%根量分布于表层30 cm内。因此，农民采用的6-8 m行距允许有效氮转移。

**系统氮输入**：两年固氮输入在单作和间作中分别为19.7和7.4 kg N ha⁻¹，低于其他研究报道，归因于Androy地区的严酷生态条件。但在无肥投入条件下，该贡献仍不可忽视，尤其考虑到NFS对低投入农业系统氮平衡的长期累积效应。

研究结论指出，两年生木豆主要依赖生物固氮，无论种植系统如何，这对高氮缺乏土壤具有重要意义。高%Ndfa与先前半干旱地区发现一致，突显了木豆AFS维持伴生作物氮供应的潜力，有助于低投入种植系统的可持续性。但需进一步研究季节变化、长期土壤肥力效应，以及筛选适应沙质土壤的优良品种和磷肥施用对固氮效率的影响。