截至2016年底,我国设施蔬菜面积已达391.5万hm2,且70%以上设施蔬菜集中在环渤海、黄淮海和西北等半干旱偏湿润地区,区域农业用水紧缺、肥效偏低、土壤生产力下降等问题日益突显,而再生水中含有丰富的氮、磷和溶解性有机质,再生水农业利用可实现控水、减肥的目标;但再生水灌溉常规水肥管理亦可影响农产品质量和农田生态系统健康。本项研究以设施番茄为研究对象,2013～2015年在中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站开展田间定位试验,在中国农业科学院水资源安全高效利用重点开放实验室进行室内试验,研究了灌水水质和氮肥追施对设施土壤氮素矿化、关键酶活性、微生物群落结构等指标的影响,模拟了氮肥追施、培养时间与土壤氮素矿化动态的相关关系。取得了以下主要研究成果:(1)对比对照处理,再生水灌溉减氮处理促进了30cm以上土层土壤氮素矿化,30cm以上土层土壤矿质氮含量增幅超过25%;但是,再生水和清水常规施氮处理增加深层土壤矿质氮含量,达到30%以上,可能会增加硝酸盐氮的淋溶风险。(2)对比对照处理,再生水灌溉减氮20%～30%处理提高了根层土壤脲酶和过氧化氢酶活性,但减氮50%则会显著降低根层土壤过氧化氢酶活性。采用主成分分析和统计学方法,建立土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性与灌溉年限和施氮量的耦合模型,经验证,各个模型的相关性系数超过0.95,实测值与模拟值的相对误差绝对值小于8.8%;应用上述模型预测了灌溉5年后,再生水灌溉处理土壤脲酶活性较土壤背景值提高了14%以上,而过氧化酶活性较土壤背景值提高了30%以上。(3)对比清水灌溉对照处理,再生水灌溉处理显著增加根际、非根际土壤微生物群落数量;采用冗余分析和高通量测序技术分析结果表明,总氮、总磷和pH是影响微生物群落结构的主要环境因子;再生水灌溉增加土壤微生物丰富度和覆盖度,降低了土壤微生物种群优势度,特别是再生水灌溉处理促进了变形菌门、放线菌门的相对丰度,表明再生水灌溉促进了土壤氮素和有机质矿化过程。(4)对比清水灌溉对照处理,再生水灌溉减氮20%处理显著提高番茄产量和氮肥偏生产力,同时,再生水灌溉减氮20%处理提高了番茄鲜果营养品质、显著提高其风味品质。(5)土壤氮素矿化可划分为两个阶段,即0～14 d土壤氮素矿化激发阶段,14d以后为稳定矿化阶段;再生水灌溉促进了土壤氮素矿化过程,氮肥添加对土壤氮素矿化具有明显的激发效应;采用统计学的方法,建立了氮肥添加量、培养天数和土壤氮素矿化量的耦合模型,经验证,模型的实测值与模拟值的相对误差小于9.28%,模型的相关系数达到0.90以上,预测最佳氮肥添加量为212.83 kg/hm2,土壤氮素矿化势最大值为233.23 mg/kg。(6)对比清水灌溉对照处理,再生水灌溉常规氮肥追施处理降低土壤pH值,增加根层土壤EC值;再生水灌溉提高了根层土壤有机质的含量;采用暴露剂量估算模型评估了长期再生水灌溉对土壤生境健康风险,4种设施生境限制性指标(Cd、Cr、pH和EC)的致癌风险途径主要为土壤摄入途径和皮肤接触途径;儿童4种限制性指标总致癌风险R为成人的5.66倍,达到1.375×10-7。