通过在小麦-玉米种植系统中利用秸秆还田来管理氮肥，从而综合评估经济盈利能力、能源消耗和环境影响

《European Journal of Agronomy》：Integrated assessment of economic profitability, energy consumption and environmental footprints by nitrogen fertilizer management using straw return in the wheat-maize cropping system

秸秆还田与氮肥优化管理对冬小麦-夏玉米轮作系统的影响研究表明，合理施氮（178.5 kg/ha）结合秸秆还田可维持高产（较常规施氮减少15%化肥用量），提升氮利用效率，并显著降低氮素流失和碳排放（年减少氮流失0.96 Mt，碳排放649 kg/ha）。

　　

李宏星|高飞|王磊|史敬哲|金志涵|谢拉姆|赵斌|刘鹏|熊伟|任百兆|张继旺

中国山东省泰安市山东农业大学作物生物学国家重点实验室与农学院，271018

摘要

可持续农业是全球农业转型的核心焦点；秸秆还田和优化氮肥管理成为实现资源高效利用的关键技术。因此，明确秸秆氮释放对化学氮肥的替代效应，并量化不同氮肥施用量在秸秆还田条件下对产量、氮利用效率和系统可持续性的综合影响，对于确定最佳的氮肥管理策略至关重要。2017年至2023年，我们在华北平原进行了冬小麦（Triticum aestivum L.）-夏玉米（Zea mays L.）轮作系统的田间试验。这些试验系统地研究了不同秸秆还田率和氮肥施用水平对作物产量、经济效益、氮利用效率和环境影响的综合效应。结果表明，玉米和小麦的秸秆分解分别为后季作物-土壤系统提供了47.6公斤/公顷和28.5公斤/公顷的氮。基于氮释放的特点，在秸秆还田后施用178.5公斤/公顷的氮肥（S-15%N处理）可以在保持高产和产量稳定的同时，减少15%的肥料用量，并显著提高氮利用效率。与传统氮肥施用（SN，210公斤/公顷）相比，S-15%N处理在有效满足作物氮营养需求的同时，表现出更高的资源利用效率和环境可持续性。通过建立包含产量、经济效益、氮损失减少和碳排放减少等多维度指标的可持续性评估体系，本研究首次明确表明S-15%N处理具有最高的可持续性表现得分。在华北平原推广这一模式每年可减少约0.96百万吨的氮损失和649公斤/公顷的碳排放，具有显著的环境和生态效益。本研究为在华北平原的小麦-玉米轮作系统中实施绿色、低碳施肥实践提供了理论基础和技术支持。

引言

自2015年以来，全球粮食危机加剧，其原因包括冲突、极端气候和经济衰退（Antoine和Rebeca，2025）。农业生产应应对粮食安全危机导致的饥饿和营养不良问题（Touch等人，2025）。氮肥在提高全球作物产量方面起着至关重要的作用；然而，其过度施用会加剧土壤中的氮循环并显著增加氮损失（Yin等人，2021；Wang等人，2022；Wang等人，2024a）。通过合理的农业管理实践减少全球农业氮损失是一个重大挑战。研究人员（Liao等人，2015；Zhao等人，2015；Han等人，2018）和地方政府（中国农业部，2015）建议将秸秆与氮肥结合使用，作为一种提高土壤肥力的战略方法。 为了评估中国每年秸秆利用对秸秆还田后氮肥施用的影响，我们收集了2010年至2022年的氮肥施用量、秸秆综合利用率、播种面积和粮食产量的数据。这些数据来源于国家统计局（http://www.stats.gov.cn）和《2010-2023年中国农业绿色发展报告》。如图1所示，过去十年中国氮肥的使用量稳步下降——这一结果并非由于产量牺牲或农民削减成本所致。氮肥使用量与粮食产量之间的负相关关系证实了这一点（图1）。氮肥施用量的减少并非由于种植面积的减少，因为这两个变量之间存在显著的负相关。这些发现进一步证明，中国政府推广秸秆还田对减少氮肥使用产生了积极影响，秸秆利用与氮肥消耗之间的相关性也证明了这一点。因此，在秸秆还田条件下优化氮肥施用对于实现土壤-作物生产系统的生产至关重要。 对不同秸秆还田和氮管理实践的科学评估对于确定最佳管理策略至关重要。因此，本研究采用了Cui等人（2021）修订的综合评估框架。该框架将社会对农业的核心需求归纳为四个基本目标：粮食生产、经济效益、资源保护和环境保护。它提供了一种结构化的方法来处理不同可持续性目标之间的权衡。在此基础上，Zhang等人（2023）成功验证了其适用性。然而，将该框架应用于量化秸秆还田背景下的氮肥优化管理的综合效益并明确其内部权衡关系仍是一个空白。基于这一成熟框架，本研究构建了一个包括上述四个维度的可持续性绩效指数体系。在指数权重分配上，我们遵循了框架的方法学建议，采用了等权重分配方法。这种方法可以确保评估结果能够平衡地反映管理系统在生产力、经济、资源和环境方面的综合表现。可持续性绩效指数（SPI）的应用可以为华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统选择真正绿色和低碳的优化模型提供更坚实和全面的科学依据。 通过对中国30个试验点数据的初步分析，我们确定了合理的氮肥施用范围，并通过多年的田间试验实现了以下主要目标：（1）利用同位素追踪技术，确定了冬小麦-夏玉米轮作系统中秸秆分解过程中氮的分布和贡献，为优化该轮作系统下的氮肥施用提供了理论基础；（2）利用可持续性绩效指标，研究了不同秸秆还田率和氮肥施用水平对粮食产量、经济效益、资源保护和环境影响的效应，并通过综合分析得出最可持续的种植方案。最终目标是确定华北平原小麦-玉米种植系统中实现产量、效率和环境友好性协同提升的最可持续种植方案。

实验地点

实验于2017年至2023年在山东农业大学实验农场（36.09°N，117.09°E）进行。该农场采用冬小麦和夏玉米两年一季的种植模式，具有温带大陆性半湿润季风气候。天气变化见图S1。本研究使用的土壤根据美国土壤分类系统被归类为棕壤，其有机质含量为1.6%，容重为

秸秆还田和不同氮肥施用量对粮食产量的影响

2017年至2023年的实验结果显示，与不还田处理（CK）相比，秸秆还田显著提高了作物产量。相对于SN处理，S-15%N处理的年产量没有显著下降，而S-30%N处理的年产量下降了8.25%（表2）。实验B的结果表明，玉米秸秆还田对次年作物产量的影响更好

讨论

本研究结果表明，在秸秆还田条件下施用适量的氮肥可以显著增加作物的地上生物量和产量（图2）。S-15%N处理实现的稳定产量并非仅仅是因为秸秆释放的氮“恰好”补偿了化学肥料氮的15%减少。相反，这代表了一个涉及氮供应全面改善的协同过程

结论

同位素追踪实验表明，秸秆还田显著增强了氮的替代效应。玉米和小麦秸秆的分解分别为后季作物-土壤系统提供了47.62公斤/公顷和28.5公斤/公顷的氮。这一发现为合理减少秸秆还田后的氮肥施用提供了直接的理论支持。施用178.5公斤/公顷的氮肥（S-15%N处理）可以在保持作物产量稳定的同时，减少对氮肥的依赖

作者贡献声明

熊伟：撰写 – 审稿与编辑，方法学。 刘鹏：撰写 – 审稿与编辑。 赵斌：撰写 – 审稿与编辑。 高飞：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，方法学，形式分析，概念化。 李宏星：撰写 – 原初草稿，可视化，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。 张继旺：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，方法学，资金支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32172115）、中国农业重大科技项目（FSNK202218080314）和国家现代农业产业技术体系（CARS-02–21）的资助。