滴灌减氮配施秸秆对温室番茄系统氮素淋失和N2O排放的协同减排效应

《Agricultural Water Management》：Mitigating N leaching and N?O emissions by combining drip irrigation and reduced fertilization with straw incorporation in greenhouse tomato systems

本研究针对温室蔬菜生产系统(GVPS)中因漫灌和过量施肥导致的严重氮素淋失和N2O排放问题，通过田间试验与WHCNS_Veg模型模拟相结合，系统评估了滴灌减氮配施秸秆管理的环境效益。结果表明：滴灌减氮(DIF)较传统漫灌(CIF)可降低氮淋失84.6%、减少N2O排放82.6%，同时提高产量13.0%和水氮利用效率。秸秆还田在漫灌下虽增加DON淋失和N2O排放，但滴灌条件下影响微弱。该研究为GVPS可持续发展提供了优化管理方案。

　　

随着全球蔬菜需求的持续增长，温室蔬菜生产系统(GVPS)在过去三十年间种植面积近乎翻倍。中国作为世界最大的蔬菜生产国，其温室蔬菜面积占全国蔬菜总面积的23%。然而，这类系统普遍存在水资源和氮肥管理过度集约化的问题：氮肥投入量通常高达550-2000公斤/公顷/年，远超全球平均水平；传统漫灌方式年耗水量超过1000毫米，经常超出作物需求或土壤持水能力。这种水肥过量投入导致氮素利用效率(NUE)不足20%，远低于农业系统30-50%的全球平均水平，同时引发严重的环境风险。

过量氮素主要通过硝酸盐(NO₃^-)和可溶性有机氮(DON)淋失形式进入地下水，造成饮用水污染和缺氧风险。中国多地区地下水硝酸盐浓度已超过世界卫生组织规定的安全阈值。温室蔬菜区的氮淋失量是露天作物区的5-10倍。同时，N₂O排放量估计为20-60公斤/公顷/年，占氮肥投入量的1.3%-2.4%，成为全球变暖的重要推手。中国蔬菜生产约占农业部门N₂O总排放量的21%，而温室系统的排放量是露地系统的2.4倍。因此，迫切需要优化灌溉和施肥管理策略，在保障生产力的同时减少氮素损失。

为探究这一科学问题，由Le Han、Yiming Zhao、Caroline L. Peacock等研究人员组成的团队在《Agricultural Water Management》上发表了最新研究成果。研究团队在华北地区开展了为期三个番茄生长季的田间试验，设置了四种管理措施：传统漫灌施肥(CIF)、传统漫灌施肥+秸秆(CIFS)、滴灌减氮(DIF)和滴灌减氮+秸秆(DIFS)。通过结合田间观测与WHCNS_Veg模型模拟，量化了不同管理措施对排水量、硝酸盐和DON淋失、N₂O排放及产量的影响。

研究采用的关键技术方法包括：田间试验采用双因素随机区组设计，使用静态箱法采集气体样品并通过气相色谱分析N₂O通量，通过张力计和吸力杯系统监测土壤水势和淋溶液成分，利用经过校准验证的WHCNS_Veg模型模拟水氮运移和转化过程。试验地点为天津农业科学院试验站，覆盖2018-2019年三个番茄生长季。

模型评估结果表明：WHCNS_Veg模型能准确模拟不同管理措施下的土壤水分动态、氮素淋失和N₂O排放。对土壤含水量的模拟显示，nRMSE为4.08%-4.78%，NSE为0.91-0.94；对N₂O排放的模拟，nRMSE为3.62%-7.14%，NSE为0.60-0.75，表明模型具有可靠的预测能力。

水氮平衡分析显示：滴灌处理较漫灌处理减少排水量79.3%，降低蒸发比例，提高作物蒸腾占比。滴灌减氮使氮淋失量从395公斤/公顷降至61公斤/公顷，降幅达84.6%；N₂O排放量从19.6公斤/公顷降至4.5公斤/公顷，降幅82.6%。同时，水分利用效率(WUE)提高34.7%，氮素利用效率(NUE)提高147.3%，产量增加13.0%。

秸秆还田效应分析：在漫灌条件下，秸秆还田使硝酸盐淋失减少19.0%，但DON淋失增加112.9%，N₂O排放增加94.2%。而在滴灌条件下，秸秆还田对氮损失影响微弱，说明其效应受灌溉方式调控。

研究结论表明，滴灌减氮配施秸秆(DIFS)是一种可持续的温室番茄生产管理策略，能有效协调生产效益与环境减排目标。该管理措施通过精确的水肥供应和有机质改良，实现了氮素损失的大幅降低和资源利用效率的显著提升。研究建立的WHCNS_Veg模型为评估不同农业管理措施的环境影响提供了可靠工具，对指导温室蔬菜生产的可持续发展具有重要实践价值。这一研究成果不仅为华北地区温室蔬菜生产提供了优化方案，也为全球类似气候条件下的集约化蔬菜生产系统提供了可借鉴的管理模式。