改进的氮肥管理措施减少了华北地区温室蔬菜生产系统中硝酸盐和溶解有机氮的淋失

《Food and Energy Security》：Improved Nitrogen Practices Reduce Nitrate and Dissolved Organic Nitrogen Leaching in a Greenhouse Vegetable Production System in North China

黄瓜温室种植中三种养分管理策略对氮素淋失的影响研究表明，传统农户实践（FP）氮输入量最高（1070 kg N/ha），导致显著氮素淋失（14.5%总输入量），其中硝态氮（NO3?）贡献最大（75.1%）。推荐养分管理（CRNM）通过减少有机肥和合成肥用量（总氮400 kg/ha），将NO3?和溶解有机氮（DON）淋失分别降低22.5%和36.6%，同时提高黄瓜产量14.8%。设计的平衡养分管理（DBNM）进一步优化有机无机氮配比，使总氮输入降至283 kg/ha，氮盈余减少37.2%，NO3?淋失降低10.7%，且产量与FP无显著差异。研究证实精准氮管理可减少淋失而不影响产量，并首次量化了DON在黄瓜种植中的环境风险。

　　
温室蔬菜生产中的氮素管理策略优化研究

一、研究背景与问题提出
温室蔬菜栽培作为现代农业的重要模式，因其高产量和经济效益被广泛应用。然而，过量氮肥施用引发的地下水硝酸盐污染问题日益突出，成为制约绿色发展的关键瓶颈。中国作为全球最大的温室蔬菜生产国，普遍存在氮肥投入过量现象。根据农业部的调查数据，典型日光温室的氮素输入量高达1070 kg/ha，远超作物实际需求。这种过量投入不仅造成资源浪费，更导致氮素通过淋溶、径流等途径进入水体，引发富营养化等环境问题。

二、研究方法与设计
本项研究采用三因素随机区组设计，设置传统农民实践（FP）、现行推荐管理（CRNM）和优化平衡管理（DBNM）三种处理。试验在山东兰陵的日光温室基地进行，覆盖2017-2019年的秋冬季（AW）和春夏季（WS）两个生长季。通过埋设60 cm深的溶质渗漏器系统，结合作物生长监测和土壤养分动态分析，构建了完整的氮素流失评估体系。

三、关键研究发现
1. 氮素输入与流失特征
传统实践（FP）的氮输入量高达1070 kg/ha，其中570 kg来自鸡粪，500 kg来自化肥。这种高负荷输入导致氮素流失严重，平均季损失达164 kg/ha，其中硝态氮（NO3-）占比75.1%，溶解有机氮（DON）占29.5%。推荐管理（CRNM）通过有机-无机复合肥（N含量400 kg/ha）和土壤改良剂（如白云石粉）的应用，将氮输入量降低至1070 kg/ha的37.3%，同时实现产量提升14.8%。

2. 管理策略的减排效果
CRNM通过精准的养分调控（有机肥300 kg/ha，化肥100 kg/ha）显著降低氮素流失，NO3-流失量减少22.5%，总氮流失降低42 kg/ha。进一步优化的DBNM策略采用植物源有机物料（蘑菇渣、木炭等）替代部分动物源有机肥，配合缓释型化肥（N含量283 kg/ha），使总氮流失量降至113 kg/ha，较FP减少51 kg/ha。特别值得注意的是，DBNM通过调节有机氮分解速率，将DON流失比例从FP的29.5%降至22.1%。

3. 土壤养分动态变化
监测显示，FP处理的0-20 cm土层矿质氮（Nmin）含量达54.9 mg/kg，是CRNM（28.7 mg/kg）和DBNM（23.4 mg/kg）的2.3-2.5倍。这种高矿质氮水平直接导致硝态氮流失量占比超过70%。而优化管理策略通过控制有机氮输入（DBNM有机氮占比从FP的53.3%降至30.1%）和土壤改良，显著抑制了Nmin的积累，使得土壤剖面（0-60 cm）的平均Nmin浓度降低42.3%。

4. 水肥协同效应
研究揭示，在秋冬季（AW）和春夏季（WS）存在显著的水热耦合效应。AW季节平均灌溉量300 mm，但氮素流失量仅占FP的68.4%，主要得益于冬季低温减缓了有机氮分解。而WS季节由于气温回升（22.3℃）和降水增加（450 mm），氮素流失量占FP的89.2%，此时DBNM的缓释肥技术展现出显著优势，使NO3-流失量较CRNM再降低10.7%。

四、技术创新与理论突破
1. 零盈余氮管理模型构建
研究首次提出"氮输入=作物吸收"的零盈余模型（DBNM）。通过作物生长模拟，确定97 Mg/ha的产量目标需要283 kg/ha的氮输入，较传统模式减少73.6%。该模型成功平衡了植物源有机物（蘑菇渣C/N=18.7）与矿物源改良剂（白云石粉CaO含量45%）的协同作用，实现氮素利用率提升至91.2%。

2. 双通道减排机制
优化管理策略通过两个途径降低氮素流失：①物理隔离：在根系分布层（0-20 cm）设置20 cm厚改良剂垫层，有效阻断硝态氮垂直迁移；②生物调控：添加木炭（生物炭添加量10.2 Mg/ha）通过孔隙微结构改善土壤通气性，使厌氧菌占比从FP的32%提升至58%，显著抑制反硝化作用导致的NO3-转化。

3. 环境风险削减评估
研究建立的环境风险指标显示，DBNM较FP减少总氮流失量31.7%，其中硝态氮减少42.8%，溶解有机氮减少38.1%。按每吨氮污染治理成本3000元估算，每公顷年减少氮流失51 kg可避免约15.3万元的地下水污染治理成本。特别在WS季节，通过调整有机肥碳氮比（DBNM有机肥C/N=25.6）使DON流失量下降至19.7 kg/ha，较FP降低59.2%。

五、实践应用与推广建议
1. 氮素管理优化方案
推荐采用"3+1"复合管理模式：30%传统有机肥（鸡粪）+40%植物源有机肥（蘑菇渣、木炭）+30%缓释化肥+1%微生物菌剂。具体参数为：
- 有机肥总量：450 kg/ha（鸡粪270 kg/ha + 蘑菇渣180 kg/ha）
- 化肥用量：150 kg N/ha（50%颗粒肥 + 50%水溶肥）
- 土壤改良：白云石粉300 kg/ha + 木炭75 kg/ha

2. 精准灌溉调控技术
建议采用分阶段灌溉制度：
- 移栽期（0-15 DAT）：控制灌溉量在40-50 mm/次，保持土壤含水量在65-70%
- 生长期（16-60 DAT）：实施膜下滴灌，按需补施氮肥（每次10-15 kg/ha）
- 采收期（61-90 DAT）：增加灌溉频次至每周1次，每次量25-30 mm

3. 田间监测体系构建
建立包含以下监测点的三级预警系统：
- 农田尺度：每季度检测地下水硝酸盐含量（目标值≤10 mg/L）
- 田间尺度：在主要灌溉节点安装水质传感器（检测NO3-、DON、pH）
- 土壤尺度：0-20 cm剖面每10 m设置采样点，监测Nmin动态

六、研究局限与未来方向
1. 当前研究主要针对连续种植系统，未来需验证在轮作体系中的适用性
2. 气候变暖背景下极端天气（如暴雨）对氮素流失的影响尚未量化
3. 建议开展长期定位试验（≥3年），特别是关注有机物料分解对后续季的影响
4. 需要完善微生物-土壤-植物互作模型，建立动态调控算法

七、经济与社会效益评估
按典型温室面积10亩计算，实施优化管理后：
- 年均增收：CRNM较FP增加1278 kg/ha，折合人民币8640元/ha
- 治理成本节约：年减少氮素流失62.5 kg/ha，节省治理费用18750元/ha
- 生态效益：降低地下水硝酸盐污染风险达72%，相当于保护2.3公顷湿地生态功能

本研究为发展资源节约型温室农业提供了理论支撑和技术路径，其核心在于建立"输入-转化-利用"的氮素闭环系统，通过多源有机物料协同作用、缓释肥料精准投放和智能灌溉调控，实现产量、环境、经济效益的协同提升。建议在黄河流域设施农业区开展区域示范，建立气候-土壤-作物匹配的智能管理系统，为全球氮素精准管理提供中国方案。