评估作物多样化对地中海地区灌溉玉米中硝酸盐淋失的影响

灌溉农业中，通过引入覆盖作物或双季作系统优化氮肥管理和节水灌溉，可有效提高产量并减少硝酸盐淋失。研究对比了两种土壤深度（深0-1.2m，浅0-0.5m）下传统单作（F-LSM）、覆盖作物单作（CC-LSM）、小麦-短季玉米（B-SSM）和豌豆-短季玉米（P-SSM）系统的效果。结果表明：双季作系统B-SSM在深浅土壤中分别增产36%和44%，且氮肥用量增加17%的情况下仍使硝酸盐淋失减少70%；覆盖作物系统CC-LSM虽未降低淋失量，但通过生物固氮使氮肥利用率提高；豌豆双季系统P-SSM在深浅土壤中分别增产17%和34%。土壤深度显著影响水分保持能力和氮素平衡，深土系统能通过高持水能力实现更优的水氮协同增效。

　　
西班牙埃布罗河谷地区作为典型灌溉农业区，其玉米种植系统的可持续管理长期面临产量提升与硝酸盐污染的平衡难题。本研究通过24个排水 lysimeter 实验装置，对比分析了两种土壤（深层0-1.2m，浅层0-0.5m）下四种轮作系统的综合效应，为地中海气候区灌溉农业的优化提供科学依据。

### 一、研究背景与问题框架
传统玉米-休闲耕作（F-LSM）系统虽能维持较高产量（15 Mg ha?1），但冬季裸地休闲导致氮肥残留大量淋失。研究重点在于验证leguminous cover crops（CC-LSM）和双 cropping系统（B-SSM：大麦-玉米；P-SSM：豌豆-玉米）对以下指标的影响：
1. 玉米产量与氮素利用效率（PFP?）
2. 硝酸盐淋失量及浓度
3. 土壤氮素动态平衡
4. 水资源利用效率（WP?）

### 二、实验设计与实施要点
实验采用对比分析法，设置两种核心变量：
- **土壤深度**：深层土壤持水能力达243mm，浅层仅78mm，直接影响水分与养分运移
- **管理策略**：
* 单作系统（F-LSM/CC-LSM）：休闲期分别保留裸地与vetch覆盖作物
* 双作系统（B-SSM/P-SSM）：冬季种植大麦或豌豆，次年接种短季玉米
实验周期2018-2021年，采用滴灌系统（55 L m?2 h?1灌溉强度），根据Penman-Monteith模型动态调整灌溉量，确保水分精准供给。

### 三、核心发现与机制解析
#### （一）产量与资源效率的耦合关系
1. **双作系统优势显著**：
- 深层土壤：B-SSM系统产量达19.9 Mg ha?1（+36% vs F-LSM），P-SSM为16.9 Mg ha?1（+17%）
- 浅层土壤：B-SSM产量15.9 Mg ha?1（+44%），P-SSM 14.4 Mg ha?1（+34%）
- 机理：冬季作物的根系分泌物改善土壤结构，叠加玉米根系对深层水分的利用效率（深层土壤WP?达16.0 kg grain mm?1 vs 浅层14.1）

2. **leguminous cover crops的有限效应**：
- CC-LSM系统（vetch覆盖）产量仅下降3%（深层14.2 vs 14.6 Mg ha?1）
- PFP?提升：CC-LSM系统PFP?达93.5 kg grain kg?1（vs F-LSM 83.0），主要归因于vetch的固氮作用（生物固氮贡献约130 kg N ha?1）

#### （二）硝酸盐淋失的调控机制
1. **双作系统B-SSM的减排优势**：
- 年均淋失量减少70%（深层28.2 kg ha?1 vs F-LSM系统92.6 kg ha?1）
- 机理：大麦秸秆C:N比达64（vs玉米23），通过土壤有机质积累抑制氮矿化，同时其深根系增强深层土壤持水能力（排水量减少至传统系统的30%）

2. **leguminous cash crops的悖论效应**：
- P-SSM系统（豌豆-玉米）虽然固氮贡献达186 kg N ha?1（豌豆生育期），但淋失量（59.1 kg ha?1）与F-LSM无显著差异
- 关键因素：豌豆秸秆C:N比仅25（vs大麦38），导致氮矿化速率提高40%，叠加浅层土壤持水能力不足（78mm vs深层243mm），淋失风险未有效降低

3. **土壤深度的影响权重**：
- 深层土壤淋失量仅为浅层的30.5%（28.2 vs 92.6 kg ha?1）
- 机制：深层土壤水分动力学过程（平均渗透率0.8 cm h?1 vs浅层1.2 cm h?1）形成天然屏障，抑制硝酸盐向下迁移

#### （三）氮素管理的优化路径
1. **精准施肥策略**：
- 研究显示当SMN（土壤矿化氮）＞100 kg ha?1时，需调整氮肥施用量（±100 kg ha?1误差范围）
- B-SSM系统通过秸秆C:N调控（大麦＞50 vs玉米＜30），实现氮肥利用率从47.3%提升至65.4%

2. **水分-养分耦合管理**：
- 滴灌系统使灌溉水利用效率（WP?）达15.3 kg grain mm?1（B-SSM系统）
- 灌溉时序优化：大麦-玉米系统在播种期（3月）灌溉量减少30%，收获期（9月）增加20%，实现水分利用效率最大化

### 四、环境效益与经济效益的平衡
1. **生态效益指标**：
- 硝酸盐浓度阈值控制：B-SSM系统排水硝酸盐浓度稳定在8.0 mg L?1（<50 mg L?1欧盟标准）
- 深层土壤氮素平衡：P-SSM系统ΔN达+189 kg ha?1（正平衡），表明固氮效应显著

2. **经济效益分析**：
- 双作系统B-SSM：单位成本增加18%（灌溉成本↑17%），但产量提升使净收益提高23%
- leguminous cover crops（CC-LSM）：虽减少氮肥投入（-100 kg ha?1），但覆盖作物额外灌溉需求（+38 mm）抵消部分效益

### 五、区域适应性策略建议
1. **深层土壤（>1m）管理方案**：
- 推广B-SSM系统，通过大麦秸秆覆盖（C:N 38）调节氮矿化速率
- 灌溉策略：实施"关键期精准灌溉"（苗期40%，生殖期60%），减少无效排水

2. **浅层土壤（<0.5m）管理方案**：
- 采用P-SSM系统，通过豌豆固氮（生物固氮效率达133 kg N ha?1）弥补持水能力缺陷
- 管理要点：严格实施"雨养期氮肥锁定"（播前土壤含水量＞60%时延迟施肥）

3. **综合技术集成**：
- 建立基于土壤深度的双作系统选择矩阵：深层土壤首选B-SSM，浅层土壤适用P-SSM
- 实施"秸秆三重利用"：大麦秸秆（+15% WP?）、豌豆秸秆（生物固氮+氮肥替代）、玉米秸秆（有机质提升）

### 六、理论创新与实践启示
本研究突破传统认为leguminous cover crops必然减排的固有认知，揭示出：
1. **双作系统减排的核心机制**：通过作物残留C:N调控实现氮素形态转化（铵态氮＞50% vs硝态氮＜30%）
2. **土壤深度阈值效应**：当土壤持水能力＞200 mm时，双作系统可降低40%以上氮素流失
3. **季节性氮素管理**：冬季（12-2月）氮肥利用率仅为夏季（6-8月）的1/3，需建立差异施肥模型

该研究成果为欧盟绿色农业政策（CAP）在埃布罗河谷的落地实施提供技术支撑，建议将双作系统灌溉定额纳入区域水权分配体系，同时开发基于物联网的氮素精准管理平台（目标PFP?＞70 kg grain kg?1 N）。