华北平原节水减氮措施下小麦生产环境效益的生命周期评估

推荐：华北平原冬小麦种植面临干旱和过量施氮导致的减产问题。研究人员通过生命周期评估(LCA)方法，结合四灌溉水平(W0-W3)和三施氮水平(N150-N250)的田间试验，系统评价了水氮调控对产量、环境成本和生态效率的影响。结果表明：灌溉频率对产量影响大于施氮量；氮肥减施可降低32.4%环境成本；最优策略为N150W2处理。该研究为区域小麦可持续生产提供了科学依据。

　　

华北平原作为中国重要的粮食生产基地，冬小麦种植长期面临水资源短缺与氮肥过量使用的双重挑战。气候变化加剧了干旱频率，而农民为追求高产往往过度灌溉和施肥，导致地下水枯竭、温室气体排放增加等环境问题。更棘手的是，传统管理模式在追求产量的同时，常常忽视环境代价与资源利用效率的平衡。如何通过科学的水氮调控实现小麦生产的经济-生态效益最大化，成为当前农业可持续发展亟待解决的核心问题。

河北农业大学农学院的研究团队在《Agricultural Water Management》发表的最新研究中，创新性地将生命周期评估(LCA)方法应用于小麦生产系统评价。研究人员设计了包含四个灌溉梯度（W0：不灌溉；W1：拔节期75 mm；W2：拔节+抽穗期各75 mm；W3：拔节+抽穗+灌浆期各75 mm）和三个施氮水平（N250：250 kg ha^-1；N200：200 kg ha^-1；N150：150 kg ha^-1）的田间试验，通过整合经济分析、环境成本核算和生态效率评估，系统解析了水氮管理对强筋小麦产量、品质及环境的影响机制。

研究采用的关键技术包括：1) 基于ReCiPe2016方法的生命周期评估体系，涵盖18个中点指标（如全球变暖潜势GW）和3个终点指标；2) 经济投入-产出分析，计算收入成本比(RIC)；3) 生态效率综合评价模型，量化单位产量环境成本；4) 田间定位观测，监测产量与蛋白质含量动态。

【产量与品质】数据显示灌溉对产量的影响显著大于施氮，减氮11.7%仅造成轻微减产，而减少灌溉则导致34.0%-48.9%的产量损失。有趣的是，适度水分胁迫使籽粒粗蛋白含量提升10.9%-36.3%，但总蛋白产量因产量下降而降低7.6%-46.5%。

【环境成本】LCA结果揭示氮肥投入贡献了25.6%-60.1%的环境负担。与常规施氮(N250)相比，减氮20%(N200)和40%(N150)分别降低环境成本8.3%-23.4%和32.3%-49.8%。而减少灌溉频次则使环境成本上升35.8%-80.6%，主要源于单位产量分摊的耕地管理成本增加。

【经济与生态效益】经济分析显示N150处理平均收益比N250提高59.0%，但过度节水(W0)使收益下降。生态效率评估表明，N150W2组合在保证产量的同时，实现环境成本最小化，是兼顾经济效益与可持续性的最优方案。

这项研究创新性地建立了水氮调控-产量品质-环境成本的定量关系模型。其核心价值在于揭示：华北平原小麦生产的环境成本与产量呈负相关，而与灌溉量无直接关联。提出的N150W2管理模式（减氮40%+两次灌溉）既能维持较高产量，又可降低23.7%环境成本，为区域农业绿色转型提供了可操作的技术路径。该成果对实现"双碳"目标下的粮食安全生产具有重要指导意义，其方法论框架也可为其他旱作农业区的水氮优化提供借鉴。尤其值得注意的是，研究证实适度水分胁迫可提升蛋白质含量，这为通过栽培措施定向调控小麦品质提供了新思路。未来研究可进一步探索水氮协同提升碳氮代谢效率的分子机制，为精准农业管理提供理论支撑。