苜蓿粉(alfalfa meal)替代有机肥料对高度集约化有机土培与无土栽培温室系统生态系统服务的影响

《Agronomy for Sustainable Development》：Improving ecosystem services with alfalfa meal in highly intensive organic soil-based and soilless greenhouse systems

　　

在应对气候变化适应与减缓的双重挑战背景下，温室生产正在扩展。温室系统为可持续集约化提供了可行途径，但其可持续性仍受施肥实践的制约。以植物源肥料如苜蓿粉(alfalfa meal, AM)为代表的有机肥是具争议动物源有机肥的有前景替代品，但其在高度集约化系统中维持生产力的能力尚不确定。本研究旨在：(i)比较土培(soil-based)与无土栽培(soilless)温室系统的生态系统服务供给状况；(ii)评估用苜蓿粉按0%、50%或100%替代标准有机施肥制度(以氮N计)的潜力，同时设置不施追肥对照。在两个作物周期(黄瓜与番茄)中，评估了与食物生产、气候/土壤调节及空气/水污染相关的11项生态系统(负)服务指标。结果显示，无土栽培系统降低了与氮损失有关的负服务(N2O、NH3及N淋溶)，但增加了CH4排放。在两个系统中，苜蓿粉均减少了氮损失，同时提升了土壤氮(N)与碳(C)库、蚯蚓、细菌及真菌丰度。土培系统中产量基本不受氮替代影响，反映出对土壤氮库的强烈依赖(肥料氮回收率仅28.3%)；无土栽培系统中部分以苜蓿粉替代标准肥仍可维持产量，尽管其肥料氮回收率较高(75.3%)。本研究首次对土培与无土有机温室系统进行比较，也是首次报道苜蓿粉在集约化温室生产中的应用。总氮损失占施氮量的1.1–4.0%，远低于既往报道，证实两种栽培方式均可在限制氮损失相关负服务的同时维持高供给服务。研究结果表明苜蓿粉是有效的氮源，未来研究应聚焦于通过整体系统方法优化其整合，以平衡生态系统服务间的权衡。

论文解读：《Improving ecosystem services with alfalfa meal in highly intensive organic soil-based and soilless greenhouse systems》发表于《Agronomy for Sustainable Development》

一、研究背景与意义

当前农业面临的主要挑战是在保障高产食物供给的同时最小化生态系统服务(ecosystem services)间的权衡。有机耕作普遍被认为是有前景的生产方式，但高度集约化有机温室生产常依赖大量动物源有机肥(如羽毛粉feather meal、颗粒禽粪pelleted poultry manure)，易导致磷累积及氮(N)损失风险升高，且引发关于有机农业"常规化"及外部养分依赖的争议。植物源肥料——特别是豆科类生物质如苜蓿粉(alfalfa meal, AM)——因具生物固氮价值、较高碳氮比(C:N ratio)及较低速矿化特征，被视为减少养分损失、降低对争议性投入品依赖的潜在替代方案，但其在高投入有机温室系统中的适用性尚未被评估。此外，有关土培(soil-based)与无土栽培(soilless，如泥炭基质容器栽培)有机温室系统在生态系统服务提供(供给服务)与负面服务/生态损害(disservices，如N₂O排放、NH₃挥发、N淋溶)方面的直接对比研究极为匮乏。为此，研究人员在加拿大魁北克省一获认证的有机加温温室中开展两茬连续作物试验(黄瓜→番茄)，同步设置土培与无土栽培系统及四种施肥处理(标准有机肥StdFert、50%AM、100%AM及对照)，测定11项生态系统(负)服务指标，以探明：(1)土培与无土有机温室系统在生态系统服务供给与氮相关负服务上的差异；(2)苜蓿粉替代标准有机氮肥能否在维持产量的同时削减氮损失并提升土壤调节服务。

二、主要关键技术方法概述

研究人员于加拿大魁北克Institut National d'Agriculture Biologique有机认证温室内开展两茬连续作物试验(2023年5–8月黄瓜；2023年12月–2024年5月番茄)，采用裂区设计(split-plot design)：主区为两种栽培系统——矿质土土培(有机质5.2% C，pH 6.2)与55%泥炭+23%木纤维+12%珍珠岩+10%堆肥(v/v)无土容器栽培(60 L/容器，pH 6.3)，副区为四种施肥制度(StdFert=80%羽毛粉N+20%颗粒禽粪N；50%AM=50%苜蓿粉N+50%StdFert N；100%AM=100%苜蓿粉N；Control=仅基肥无追施N)，设4次重复(n=48)。依据预期产量计算可矿化氮(available N, N_avail)并依理论矿化率调整总施氮量(N_tot)，表面撒施不混土模拟有机温室惯例，辅以身、微量元素(K/P/Mg)定期补充。环境变量监测土壤温度及体积含水量算充水孔隙度(water-filled pore space, WFPS)；气体通量(N₂O、CH₄)用静态暗箱-气相色谱法测定；NH₃挥发用磷酸海绵静态箱捕获-比色法测定；N淋溶土培用陶头吸杯(lysimeter)于45 cm取淋溶液、无土用容器底部集液；土壤/基质矿质N(NO₃^?-N、NH₄⁺-N)用流动注射分析仪测定；全氮全碳用LECO CN828测定并计算ΔSoil N、ΔSoil C；产量按固定植株采收计；肥料氮回收效率(fertilizer-N recovery efficiency, RE_fertNtot)按(施肥处理植株N带走量?对照植株N带走量)/追肥施N量×100%计算；蚯蚓计数、微生物(细菌16S rRNA基因EUB338/EUB518引物、真菌ITS1F/ITS2引物)定量用FastDNA提取-qPCR(SYBR Green)；线性混合模型(linear mixed models, LMMs, nlme包,R)检验栽培系统×施肥制度固定效应，块作随机效应，必要时log转换及自相关校正(corCAR1)。

三、研究结果

3.1 环境参数(Environmental parameters)

平均土温与WFPS无土系统高于土培(黄瓜期WFPS分别为63.4%与42.3%；番茄期45.2%与35.1%)，滴灌量在两系统间略有差异但均维持较稳定的湿润状况，未出现明显积水或极端干旱。

3.2 作物产量(Crop yield)

栽培系统与施肥制度交互显著(p<0.0001)。土培StdFert产量最高(34.53 kg m^?2，两季合计)，与其他完全施肥土培处理无显著差异，但显著高于所有无土处理。无土系统中StdFert与50%AM产量最高(分别为31.56、30.83 kg m^?2)，且番茄单季产量可与土培相当。表明土培具更高总产量潜力，而无土系统中部分以苜蓿粉替代标准肥可维持产量。

3.3 温室气体排放(Greenhouse gas emissions)

单位面积累积N₂O损失土培高于无土(0.32 vs 0.07 g N₂O m^?2, p=0.02)，StdFert在所有施肥处理中N₂O排放最高(p=0.009)；以单位产量标化后系统间差异仍显著。CH₄仅受栽培系统影响(p=0.008)：土培为CH₄汇(?0.02 g CH₄m^?2)，无土为CH₄源(+0.01 g CH₄m^?2)。N₂O通量与环境因素回归显示土培受WFPS与NO₃^?-N正向驱动、pH负向驱动；无土受NH₄⁺-N、pH及温度显著影响，提示硝化主导。

3.4 氨挥发(Ammoniacal volatilization)

累积NH₃-N挥发受栽培系统(土培>无土，1.97 vs 1.21 g NH₃-N m^?2)与施肥制度(StdFert最高，2.69 g NH₃-N m^?2)影响(p≤0.01/0.0001)。以单位产量标化后交互仍显著，土培StdFert产量标化NH₃挥发最高(86.46 mg NH₃-N kg^?1yield)，苜蓿粉处理降低挥发。

3.5 淋溶氮(Leached N)

仅栽培系统主效显著(p=0.01)，土培淋溶N高于无土(1.34 vs 0.42 g N m^?2)。施氮总损失占比土培2.68%(N_tot)及5.89%(N_avail)，无土1.89%及2.72%(p=0.03/0.008)，均远低于文献报道。

3.6 土壤矿质氮强度与碳氮积累(Soil N_minintensity N and C accumulation)

矿质氮强度(soil N_minintensity，NO₃^?-N+NH₄⁺-N时间积分)受交互影响(p<0.0001)，土培各施肥处理及两系统StdFert均较高，苜蓿粉处理降低。土壤氮积累(ΔSoil N)土培大于无土(73 vs 11.89 g N m^?2, p=0.01)，仅AM处理ΔSoil N高于对照；土壤碳积累(ΔSoil C)交互显著，土培100%AM最高(467.02 g C m^?2)，无土各处理ΔSoil C为负但100%AM负值最小(?133 g C m^?2)，表明苜蓿粉促进有机碳库积累。

3.7 蚯蚓、细菌与真菌丰度(Earthworm, bacterial, and fungal abundances)

蚯蚓总数受施肥制度影响(p=0.009)，100%AM处理蚯蚓数显著高于StdFert与对照；细菌丰度受系统(无土>土培,g^?1干物质)与施肥制度影响(p≤0.03)，100%AM最高(区别于对照)；真菌丰度受交互影响(p<0.0001)，无土各处理真菌丰度总体高于土培，两系统中100%AM均高于StdFert与对照。

四、讨论与结论总结(翻译结论部分)

讨论指出，苜蓿粉改变了氮分配格局——将氮从易反应矿质氮库转向更稳定的土壤氮与碳库，伴随N₂O与NH₃损失降低及蚯蚓和微生物丰度增加，且不损及产量；StdFert则促进较高土壤矿质氮强度与较大气体氮损失却无相应增产。土培系统单位面积氮相关负服务较高，但总氮损失占比(1.1–4.0%施氮量)仍远低于常规温室报道，无土系统在削减N₂O、NH₃及淋溶N方面具优势但CH₄排放略增。土培低肥料氮回收率(28.3%)反映其依赖原有土壤氮库，暗示可进一步减氮；无土高回收率(75.3%)下部分苜蓿粉替代仍维持产量，证明其有效性。

结论(Conclusions)：本研究首次并排比较有机土培与无土温室系统，表明两种栽培方式均可在限制氮损失相关生态负服务的同时实现产量集约化。总体而言，无土栽培系统单位面积氮损失更低。土培系统肥料氮回收率低，但过量氮多储存于土壤氮库而非流失，尤以苜蓿粉替代标准肥时为甚。结果表明，部分以苜蓿粉替代标准有机施肥制度可使土壤氮循环与作物氮需求耦合更紧密，从而减少氮损失相关负服务、维持供给服务并提升多数土壤调节服务指标。尽管跨多生态系统服务的综合栽培实践评估具挑战性，但对生产系统的整体评价仍不可或缺。