基于DNDC和NSGA-Ⅲ耦合模型的旱地春小麦稳产减排多目标优化

　　

摘要：

【目的】 为应对日益增长的粮食需求和生态可持续性要求，探讨灌溉与施肥综合调控对西北地区旱地春小麦产量、土壤CO₂及N₂O排放通量的综合影响，以明确最优的灌溉量及施肥策略，实现农业生产与环境效益的协调发展。【方法】 基于DNDC农业生态系统模拟模型，立足于2021—2023年甘肃省定西市安定区凤翔镇安家坡村的田间试验数据，对模型进行参数校准和验证，构建不同施肥水平（0—400 kg·hm^-2）与灌溉水平（0—300 mm）的管理情景，探索不同灌溉量与施肥量管理措施下的小麦生长动态和土壤温室气体（CO₂、N₂O）排放通量的响应规律，结合NSGA-Ⅲ多目标优化算法构建多目标优化框架，以“最大化作物产量”“最小化土壤CO₂排放通量”“最小化土壤N₂O排放通量”为三目标函数，实现小麦产量提升与土壤温室气体减排的协同优化，确定可以兼顾产量和环境效益的最优管理方案。【结果】 DNDC模型能够较好地模拟春小麦产量及土壤温室气体排放通量。在4种施肥梯度处理下，3年间产量、土壤CO₂和N₂O排放通量的归一化均方根误差（NRMSE）分别为17.4%—18.8%、7.62%—11.41%和9.19%—12.47%；在2种灌溉量处理下，3年间产量的归一化均方根误差（NRMSE）为13.3%—17.2%。优化后的灌溉量与施肥量表明，当施肥量控制在150—180 kg·hm^-2、灌溉量110—150 mm时，小麦产量可提升至2 088.48 kg·hm^-2，同时土壤CO₂排放通量控制在每年4 998.87—5 011.50 kg·hm^-2，土壤N₂O排放通量控制在每年4.06—4.14 kg·hm^-2。【结论】 耦合DNDC模型与NSGA-Ⅲ算法可实现旱地春小麦产量与土壤温室气体排放通量的协同优化，当灌溉量为110—150 mm、施氮量为150—180 kg·hm^-2时，可在保障产量稳定的同时有效控制土壤CO₂及N₂O排放通量，为陇中旱地春小麦稳产减排提供科学依据。