镁是300多种酶的活化因子,也是植物体的第二大阳离子。作为叶绿素分子的中心原子,镁对维持叶绿体结构和绿叶细胞功能有着决定性的作用,影响着植物叶绿素合成、光合作用、碳水化合物分配、蛋白质合成等与植物生长和生物量积累相关的生理生化过程。同时,镁还影响植物的氮代谢和矿质营养分配过程,对作物的营养品质建成有着直接影响。镁是维持作物正常生长发育和健康代谢的必须营养元素之一。然而,人体镁缺乏正成为全球性的营养问题。土壤-作物系统的镁素缺乏直接导致了农产品的镁浓度严重下降,而日常膳食中镁摄入量的降低是造成人体缺镁的重要影响因素。高量土壤镁淋洗损失、忽视镁肥施用和作物产量提升带来的“稀释效应”是导致农产品镁浓度持续下降的三个决定性因素。我国逾50%以上的农田土壤存在缺镁或潜在缺镁的农业生产问题,尤其是在南方酸性土壤上,不仅影响了以植物源性食品消费为主的人群镁营养健康,还显著影响了作物的产量。镁肥施用被证实是提升缺镁土壤上作物产量、改善作物与人体镁营养及其他营养品质的快速有效农学强化措施。但在田间条件下,镁肥施用如何影响作物的产量和营养品质建成及人体营养健康,如何影响土壤-作物系统的土壤镁淋失及维持系统的镁素平衡,能否通过改善镁肥施用方式以实现镁强化、产量优化及控制镁淋失等都还不清楚。因此,本论文基于西南地区黄壤上典型露地蔬菜辣椒-白菜轮作体系,通过生产调研和田间试验,明确了区域蔬菜的生产水平和菜地土壤的养分状况;研究了镁肥施用水平分别对辣椒和白菜产量、营养品质和人体健康效应,以及轮作系统镁素平衡的影响;最后探讨了镁肥施用方式对辣椒生产、品质及土壤镁素形态转化的影响,并在此基础上进一步讨论了镁肥施用方式管理对土壤镁淋失的阻控潜力。本论文主要结果如下:（1）通过农户调研和土壤分析,评价了西南地区黄壤典型蔬菜辣椒-白菜轮作系统的养分平衡及土壤养分状况。研究区域露地菜田基本由水稻-油菜轮作系统转换而来,而当前露地蔬菜系统的产量水平低,但肥料投入数倍高于专家推荐施用量。过量施肥导致了菜地土壤的磷、钾、钙、镁养分富集,造成了系统磷素的高淋洗风险,土壤Ca Cl2-P显著增加的速效磷（Bray-P）临界值为104 mg kg-1。此外,菜地0-60 cm土层的土壤p H明显降低,随着蔬菜种植年限的增加,钙镁养分的累积显著缓解了耕层土壤的酸化;但底层土壤p H呈明显下降趋势。此外,受碳投入少、耕作频率高、以及亚热带高温高湿气候条件影响,菜地土壤的碳、氮均处于损耗状态,且C/N比随土层向下及种植年限的增加呈现显著下降趋势,由此将不可避免地导致土壤物理、化学和生物特性的下降,对蔬菜种植系统的持续性生产造成不利影响。此外,区域蔬菜系统的土壤镁素缺乏及交换性钾/交换性镁比例失衡问题突出。综上,区域传统农业管理条件下,西南地区黄壤集约化蔬菜种植已造成严重的菜地土壤退化现象和环境污染风险。因此,西南地区蔬菜集约化生产迫切需要合理的有机物料投入及氮磷镁肥管理策略,同时应注重农技服务的有效配伍,以达到蔬菜绿色生产及生态环境友好目标。（2）土施镁肥显著影响了辣椒产量及经济效益。本研究中,随施镁量的增加(0-67.5 kg ha-1),辣椒产量呈先增加后稳定的趋势。与对照相比,优化施镁可同步实现最高增产25.6%和增收40.1%。就产量构成来说,产量的增加依赖于单株挂果数和单果重的提高。镁肥对辣椒收获指数无明显影响,辣椒产量的增加可全部归功于植株生物量的提高。其中,辣椒开花坐果期前、后的植株生物累积量对产量的贡献率分别为9.85%-28.4%和71.6%-90.1%。本研究中,辣椒增产的植物营养学机制为:镁肥提高了开花坐果期的植株镁营养、叶片叶绿素含量及叶片光合,三者间的积极互馈共同促进了植株生物量的累积从而促使光合产物向果实的转移。但是,本试验条件下,由于植株土壤镁浓度与产量之间的关系均表现为极显著的线性正相关,尚无法建立高产辣椒体系的土壤交换性镁和植株镁临界值。说明辣椒产量仍有较大提升空间,而土壤交换性镁缺乏及土壤钾/镁比例失衡是限制其继续增产的两大限制因子。（3）本研究基于伤残调整寿命年（DALYs）评价框架,首次构建了成人镁、钾、钙、铁和维C营养素缺乏的健康评价方法,且初次评估了目前我国成年辣椒消费人群的健康负担为21.3百万DALYs lost;其中,由人体钙营养不良导致的致残寿命年损失贡献为75.3%,而镁、维C、铁和钾营养不良的贡献则分别为8.96%、7.45%、5.88%和2.42%。本试验条件下,随着施镁量的增加,辣椒果实镁和辣椒素（类）物质含量显著增加,但钙、锌和维C浓度显著降低,而对钾和铁无明显影响。在目前辣椒消费水平下,食用镁强化辣椒虽可增加人体镁营养摄入水平,但显著降低钙、锌和维C的摄入量。据DALYs模型计算,镁营养带来的健康效应远不足以抵消钙和维C摄入不足所造成的健康负担,所以辣椒生产系统中单施镁肥将加剧人体的健康负担。因此,在农业生产中,镁肥需要与微量元素肥料尤其是钙铁锌肥同时施用以保障粮食安全和人体健康的需求。（4）相比于对照,镁肥施用对大白菜收获期产量无明显影响,但能够分别显著提高镁营养、维C和水溶性蛋白含量53%、20.0%和57.9%,同时显著降低硝酸盐含量13.5%,综合营养品质获得显著提升。此外,本研究表明试验地存在轻度镉污染,但镁肥能显著抑制大白菜对重金属镉和镍的吸收累积,从而显著降低各消费人群的非致癌及致癌风险。进一步的讨论与分析表明,该区域大白菜生产系统的适宜施镁量为22.5-45 kg Mg ha-1。本研究结果将为土壤-作物系统的镁强化、农产品品质提升和人体健康风险管理提供有价值的理论指导和数据支撑。（5）当前农业生态系统中,巨大的土壤镁淋失是导致土壤-作物系统镁素缺乏的影响因素之一。全球尺度上,农田系统和果园种植系统的平均镁淋失量分别高达44.6 kg ha-1 season-1和103 kg ha-1 yr-1。尽管如此,绝大多数农户在实际的农业生产中却未重视镁肥的施用,忽视了镁素的归还,土壤镁养分随作物收获逐渐被损耗,加剧了系统的镁素缺乏。本田间试验条件下,西南地区黄壤上露地蔬菜辣椒-大白菜轮作系统的镁淋失量为33.9-74.2 kg ha-1 yr-1,与植株镁积累量相近,且随施镁量的增加线性增加。镁淋洗损失强度与集中降雨同步,故辣椒季贡献了65.4-74.4%的镁淋失量,而大白菜季和休耕期的贡献率相当。除降雨量外,土壤质地、施镁量和植株镁积累量等都是影响镁素淋失的重要影响因素。然而,当前种植体系下的土壤镁淋失并不会导致地下水硬度超标问题。基于优化产量和维持系统镁素平衡的施肥策略,辣椒和大白菜系统的适宜施镁量为62.1和21.8 kg Mg ha-1。在我国南方大田蔬菜种植体系中,协同改进镁肥施用类型（控释/缓释）和施用方式（土施+叶面喷施）,以及改良菜地土壤性质（SOC/p H）和系统管理措施,是进一步优化作物高产、减少镁肥投入和镁淋失量的潜在技术手段,也是实现全域农业绿色可持续发展的迫切需求。（6）镁肥土施(45 kg Mg ha-1)和0.5%浓度喷施均能显著提高西南地区黄壤上辣椒产量和果实镁营养,且效果相当。但相比于土施,0.5%浓度喷施提高了植株镁营养向果实的转移效率及辣椒的商品果率。受产量提升导致的“稀释效应”和镁参与相关生理过程的共同影响,土施和0.5%喷施显著降低了辣椒果实的钙、维C、硝酸盐和水溶性蛋白含量;但两处理的品质综合效应表现为:0.5%喷施≥土施。此外,相比于不施镁对照,土施能显著提高辣椒收获期耕层土壤的交换性镁浓度,而喷施处理则表现出损耗态势,0.5%浓度喷施处理对应的土壤交换性镁损耗速率为4 mg kg-1 season-1。若以维持基础土壤交换性镁含量不变为目标,每季至少需要以土施方式向当前土壤-辣椒系统额外补充10.8 kg Mg ha-1镁肥投入。由此一来,相比于45 kg Mg ha-1土施处理,上述组合式施镁策略能够在减施镁肥68.4%基础上获得同等辣椒品质和产量,或更高产量,同时降低镁淋失33.7%。因此,当前的农业管理措施除了需要综合考虑作物品质、产量和养分、土壤生产力及环境效应外;还需在作物生产系统的多指标优化镁肥管理中,加深对施镁量、施镁方式及其系统镁素平衡的理解。