引言
牲畜粪便既是重要的环境污染源，也是有前景的营养回收资源。这一挑战的规模反映在全球畜牧业生产中：2018年，牲畜粪便每年含有约1.25亿吨氮，粪便管理和肠道发酵相关的温室气体排放总计达到35亿吨二氧化碳当量（FAO, 2020）。此外，家禽肉、猪肉和牛肉等畜牧产品的饲料转化率在2.0–7.8之间，表明大部分消耗的饲料及其所含养分并未保留在动物产品中（Manitoba Agriculture, Food and Rural Development, 2015; Wilkinson, 2011）。由于这些养分集中在粪便中，它们代表循环农业中有价值的营养回收和肥料再利用资源，有可能减少养分损失、温室气体排放以及对合成肥料的依赖。然而，粪便再利用的环境效益不仅取决于替代合成肥料的数量，还取决于接收生产系统的能耗、加工需求、养分损失和作物产量。这些因素凸显了需要通过每单位可售产品的环境绩效来评估粪便再利用，而非仅通过肥料替代来评估。
当粪源养分从土壤转移到无土生产系统时，这种系统依赖性变得尤为重要。在土壤农业中，粪便作为肥料的使用已被证明可以提高作物产量和土壤肥力（Zhai et al., 2022），部分用粪便替代化肥与更低的N2O排放相关，这是由于土壤氨氧化菌和反硝化菌的丰度变化所致，其中减少N2O的细菌占比较大（Tang et al., 2022）。然而，这些效益在很大程度上依赖于养分缓冲、有机养分逐步矿化和微生物介导的养分转化等土壤功能，这些功能在无土系统中减少或缺失（Chand et al., 2026; Lorenzo et al., 2013; McClintic et al., 2024）。无土系统转而依赖于更精确的养分管理，被认为是通过精确资源管理实现更清洁食品生产的途径（Beacham et al., 2019; Dohlman, 2024; Velazquez-Gonzalez et al., 2022），同时其受控环境改善了病虫害管理和作物一致性（Roberts et al., 2020）。因此，在土壤中观察到的粪便再利用效益是否能在这些条件下重现仍不清楚。
无土系统也不是一种单一技术：它们通常采用固体或液体基质，而这些配置在可能影响沼液养分离析表现的方式上存在差异。基于固体的系统使用岩棉、椰糠、珍珠岩、蛭石或泥炭基混合物等基质来替代土壤并支持植物生长（Ferrarezi et al., 2024; Gruda, 2019）。这些系统通常需要较少的技术基础设施，并提供更大的机械支撑和根系稳定性（Asaduzzaman et al., 2013）。在养分管理方面，固体基质（尤其是有机基质）可以缓冲养分波动，并且其产生的排水量取决于灌溉实践和基质特性（Gruda, 2019）。相比之下，基于液体的系统（如营养液膜技术（NFT）、深水培养和气雾培）依赖于养分的连续循环，因此需要泵、管道、监测和控制设备来精确控制养分和环境条件（Fussy and Papenbrock, 2022; Palmitessa et al., 2024; Velazquez-Gonzalez et al., 2022; Yang et al., 2024）。这些系统可以减少固体基质废弃物，但通常需要更多的电力来循环养分和控制环境，并且养分与根系之间没有固相。这些在基质缓冲、养分排水、循环和电力需求方面的差异可能改变引入沼液后的作物响应和生命周期热点。
基于生物废弃物的无土栽培证据不一致：一些研究报告称有机养分投入可维持相当产量并改善果实品质（如降低硝酸盐、提高抗坏血酸含量）（Gartmann et al., 2023; Kano et al., 2021），而另一些则观察到产量下降、养分平衡紊乱或果实品质受损（如降低可溶性固形物和可滴定酸度）（Fan et al., 2025; Kechasov et al., 2021）。这些相反的结局可能反映了原料组成、施用率、养分矿化和栽培系统设计方面的差异（Gartmann et al., 2023; Kano et al., 2021）。此外，无土生产的环境热点会随系统设计和资源利用而变化，尤其是电力需求、施肥、供暖和照明（D'Amico et al., 2023; Maaoui et al., 2021）。综合而言，这两条证据线对生命周期评价（LCA）有直接影响。由于环境影响以每单位可售产品表示，生物废弃物投入引起的产量变化会重新缩放系统中所有负荷（包括电力使用），许多负荷超过了从替代合成肥料中获得的信用值。然而，据我们所知，基于固体和液体的无土系统尚未使用同一种作物、同一种生物废弃物来源投入物、相同的实验条件和实测而非假设的产量进行单一LCA比较，这使得很难确定沼液再利用的环境效益在不同水和能源需求的无土系统中是否一致。
为弥补这一空白，本研究将中试规模实验数据与LCA相结合，直接比较猪粪沼液养分在基于固体和液体的无土小番茄生产中的环境绩效。我们选择小番茄作为无土模型作物，因为它在无土系统中被广泛种植，并且在基于固体和液体的生产系统中都很成熟（Fussy and Papenbrock, 2022）。在相同的操作条件下，我们比较了传统养分溶液与含有10%沼液来源养分的溶液在两种无土配置中的效果。与之前对单个无土系统的评估不同（Fan et al., 2025），本研究旨在（1）直接比较基于固体和液体的无土系统的环境负担及其热点，（2）确定沼液替代对每单位可售产品的环境影响及其方向在这些系统中是否一致，（3）量化产量、电力使用、养分溶液使用和养分排水的不确定性如何影响这些比较。通过将实测作物绩效与生命周期影响联系起来，本研究检验了粪便再利用在无土生产中是否应作为系统特异性干预措施来评估，而非简单的肥料替代。
