《npj Sustainable Agriculture》：Maximizing maize yields while minimizing soil erosion in Mollisol regions of China and the United States
编辑推荐：
作为Mollisol（软土）地区重要的全球粮仓，美国的上密西西比河流域（Upper Mississippi River Basin, UMRB）和中国的松花江流域（Songhua River Basin, SHRB）面临日益增长的提高玉米产量同时避免土壤侵蚀的
作为Mollisol（软土）地区重要的全球粮仓，美国的上密西西比河流域（Upper Mississippi River Basin, UMRB）和中国的松花江流域（Songhua River Basin, SHRB）面临日益增长的提高玉米产量同时避免土壤侵蚀的需求。研究人员利用完全校准的土壤和水评价工具（Soil and Water Assessment Tool, SWAT）模型评估了2001—2018年单项和集成技术对玉米产量、产量稳定性和土壤侵蚀的影响。结果表明，SHRB的平均产量较UMRB低4.0 t ha?1，尽管两个地区均表现出较大的产量变异（CV > 10%）。高密度种植带来的产量增益有限，但使侵蚀减少约30%。灌溉显著提高UMRB产量11%、SHRB产量33%，并改善产量稳定性（CV < 5%），但使侵蚀增加>10%。灌溉与高密度种植集成提高了产量、减轻了侵蚀并增加了净收益。然而，中国和美国之间仍存在1.5 t ha?1的差异，凸显了通过种质改良缩小生产力差距的必要性。
研究背景与问题：全球粮食安全面临气候变化、人口增长以及极端天气、疫情和地缘冲突等日益频繁冲击的压力。FAO（Food and Agriculture Organization，联合国粮食及农业组织）报告显示，土地退化已在削弱17亿人的农业产量，并强调生产力不应以土壤侵蚀为代价。Mollisol（软土/黑土，全球高肥力土壤）地区，包括美国密西西比平原和中国东北平原，是“世界粮仓”。玉米（Zea mays L.）是这些地区的主导作物，支持全球20%以上人口；两个主要Mollisol地区合计贡献约50%的全球玉米产量。增产可通过扩大耕地或提高单位面积产量实现，但扩大耕地具有巨大生态成本；产量集约化是相对更可持续的路径，但在Mollisol地区可能加剧水驱土壤侵蚀，削弱肥沃表土并损害长期生产力。极端气候下产量稳定性也成为关键任务：2012年美国特大干旱使玉米减产超过30%，中国黄金玉米带在极端气候下产量失败概率可能超过60%。以往研究多集中于提高平均产量，较少关注年际变异和极端气候下的产量稳定性。因此，需要设计既能提高产量、稳定产量，又能保护土壤资源的增产技术。研究人员的目标是：（1）识别美国和中国跨大陆Mollisol地区玉米产量差异和产量稳定性；（2）评估单项和集成增产路径对增产、产量稳定性和土壤侵蚀的影响；（3）构建评价框架，识别全球Mollisol粮仓可持续且高回报的路径。
研究人员开展的研究与主要结论：研究人员以UMRB（Upper Mississippi River Basin，上密西西比河流域）和SHRB（Songhua River Basin，松花江流域）为对象，利用完全校准的SWAT（Soil and Water Assessment Tool，土壤和水评价工具）模型模拟2001—2018年高密度种植、灌溉、种质改良及其集成技术对玉米产量、产量稳定性、土壤侵蚀和净收益的影响，并用人工智能辅助的meta分析进行交叉验证。结果表明，SHRB平均产量较UMRB低4.0 t ha
?1，但SHRB产量增幅更大；高密度种植增产有限但可减蚀约30%；灌溉显著增产并提高稳定性，但增加侵蚀；种质改良增产且不增加侵蚀，但受育种瓶颈长期限制；灌溉与高密度种植集成可提高产量、减轻侵蚀并增加净收益；中国和美国之间仍存在1.5 t ha
?1差异，需通过种质改良缩小生产力差距。该研究为全球Mollisol地区兼顾增产、稳产和土壤保持提供了多目标评价依据。
关键技术与方法：研究人员采用完全校准的SWAT模型，在SWAT-CUP中通过SUFI-2（Sequential Uncertainty Fitting 2，顺序不确定性拟合2）算法校准验证径流、泥沙和玉米产量。土壤侵蚀由MUSLE（Modified Universal Soil Loss Equation，修正通用土壤流失方程）量化。研究区为美国UMRB和中国SHRB，时期2001—2018。玉米产量校准数据来自USDA-NASS（U.S. Department of Agriculture National Agricultural Statistics Service，美国农业部国家农业统计服务局）和中国经济社会大数据研究平台地级数据；水文数据来自USGS（U.S. Geological Survey，美国地质调查局）等站点。研究人员通过Web of Science、Google Scholar和CNKI（China National Knowledge Infrastructure，中国知网）检索，结合AI辅助筛选，最终用118篇文献的2543个数据点进行meta分析交叉验证。情景包括高密度种植、灌溉、种质改良及集成技术，用SD（standard deviation，标准差）和CV（coefficient of variation，变异系数）评价产量稳定性，并进行成本效益分析。
研究结果：
美国和中国平均玉米产量与稳定性：研究人员通过完全校准SWAT模型模拟2001—2018年UMRB和SHRB玉米产量。UMRB平均玉米产量约为10.0 t ha
?1，显著高于SHRB 4.0 t ha
?1（p < 0.05）。两个地区均呈上升但变异趋势，SHRB实现56%的产量增幅，比UMRB高41%，显示SHRB存在大量未实现产量潜力。UMRB年均降水940 mm，年均最高和最低气温分别为14.9°C和3.5°C；SHRB年均降水524 mm，干旱年可降至约400 mm，年均最高和最低气温分别为10.4°C和?1.1°C。水热条件差异导致两区产量响应分化。UMRB的SD和CV分别为1.1 t ha
?1和11%，SHRB分别为0.8 t ha
?1和14%，均属中等离散；SHRB产量较低且年际变异较大，抗气候波动较弱。降水年际变异与产量变异高度一致，SHRB和UMRB的CV分别约16%和12%。极端干旱年如UMRB的2012和2013年、SHRB的2007和2017年出现明显减产。2012年UMRB年降水仅695 mm，较正常年均低约26%，玉米产量降至7.6 t ha
?1；2007年SHRB严重干旱使产量降至4.7 t ha
?1，远低于年均值。这表明干旱可能是雨养（旱作）农业产量稳定的重要气候限制，需构建气候韧性增产技术。
提高产量和稳定性及对侵蚀影响的路径：研究人员通过模拟单项技术发现，高密度种植对增产影响有限，UMRB仅增加0.8 t ha
?1（p > 0.05），SHRB增加0.5 t ha
?1（p > 0.05），但使UMRB和SHRB土壤侵蚀分别减少29%和31%，主要通过增加地表覆盖和增强降水截获。灌溉显著提高两区产量（p < 0.05），UMRB和SHRB分别增产11%和33%，但SHRB侵蚀增加近20%，主要因灌溉增加土壤湿度和地表径流。种质改良使产量提高至13.1 t ha
?1（UMRB）和9.4 t ha
?1（SHRB），且不增加侵蚀，但仍是受育种瓶颈约束的长期路径。稳定性方面，高密度种植和种质改良表现出较高年际产量变异；灌溉则具有较低SD和CV，尤其在极端干旱年。灌溉使UMRB平均SD和CV约0.4 t ha
?1和4%，SHRB约0.4 t ha
?1和5%，显示灌溉可实现更均匀稳定的产量分布。然而，单项技术下SHRB产量仍低于UMRB基线3.4—0.6 t ha
?1，说明需要集成技术干预。集成高密度种植与灌溉使UMRB和SHRB分别增产16%和41%，但SHRB产量仍显著低于UMRB基线（p < 0.05）。与种质改良配合后增产更大，SHRB可超过UMRB基线达3.0 t ha
?1；高密度种植与种质改良组合下，SHRB产量与UMRB基线无显著差异；灌溉与种质改良组合使SHRB产量显著高于UMRB基线（p < 0.05）。2001—2018年，所有含灌溉组合的SD低于0.6 t ha
?1、CV低于5%，可缓冲UMRB 2012/2013年和SHRB 2007/2017年重大干旱；非灌溉组合常增加变异，表现为“增产但不稳定”。空间上，灌溉显著减少两区高CV区，使CV从中等离散转为低离散，尤其UMRB中上游和易旱的SHRB西部。高密度种植与灌溉集成显著减少土壤侵蚀，SHRB可减蚀约22%。进一步集成种质改良可使UMRB和SHRB分别再增产31%和75%。因此，灌溉是提高生产力和气候韧性的关键技术，高密度种植对Mollisol保护必要，种质改良是未来释放产量潜力的主要研究方向。
各种增产路径的成本效益分析：研究人员通过成本效益分析发现，所有增产技术均明显提高净收益。基于产量收益、投资成本和环境成本量化，UMRB净收益为US$ 533—2094 million，SHRB为US$ 2121—9869 million，原因包括SHRB更大产量潜力和玉米价格约为UMRB两倍。灌溉可能导致土壤侵蚀增加，尤其在SHRB，使土壤侵蚀控制成本增至约US$ 34 million，泥沙疏浚成本增至约US$ 6 million。然而，这些环境成本仅占产量稳定经济回报的较小部分，进一步证实灌溉技术在两个跨大陆玉米带的可行性和可转移性。总体而言，灌溉是更有效增产方式，具有可观经济收益且相对易于实践采用；高密度种植等基础农艺措施增产和经济收益有限，但与灌溉结合可抵消甚至转化灌溉的环境成本。高密度种植与灌溉集成对实现更高经济回报和更大环境可持续性具有关键作用。
讨论与结论：在讨论中，研究人员指出UMRB玉米产量总体高于SHRB，但两区均存在一定不稳定性。产量差异主要由平均气候条件和极端气候事件共同驱动。UMRB降水和气温较高，为玉米生长提供更多积温、更长无霜期和更充足水分；SHRB潜在玉米产量受种植后更严重春季干旱和更短生长季限制。极端干旱导致雨养玉米大幅减产，如2012年美国、2007年中国极端干旱事件；欧洲法国2003和2016年也出现玉米等作物减产超过50%。除气候限制外，中国玉米产量低于美国还与种质资源限制密切相关；校准玉米数据库显示SHRB玉米辐射利用效率低于UMRB，限制了中国产量。但SHRB未来增产潜力巨大。Aramburu-Merlos等潜在产量图支持该发现，UMRB和SHRB潜在玉米产量可分别达到约12.4 t ha
?1和11.6 t ha
?1。美国玉米产量已接近气候天花板，核心目标转向通过多种技术维持稳定生产并降低环境成本；中国面临低产量与高波动以及高环境成本的双重挑战，需要复合策略和技术进步。识别和实施多种集成策略以提高生产力和气候韧性，并研究这些技术的环境影响，已成为全球Mollisol地区可持续农业发展的关键优先事项。农业干预仍是缩小主要玉米带产量差距的核心，但必须比较环境成本和技术障碍并采用权衡。调整种植密度是可达且低成本路径，但仅带来边际增产，符合高密度下个体竞争加剧导致边际收益递减的规律；密度增加也提高干旱敏感性，说明密度阈值不能在没有灌溉等缓解水分胁迫措施时提高。灌溉降低UMRB和SHRB产量波动，是减轻干旱影响的关键策略，但可能加剧土壤侵蚀；本研究灌溉可用水量未受约束，可能高估灌溉技术的可行性和可扩展性。交叉验证的meta分析显示，模拟高密度种植和灌溉的产量响应与田间观测密切匹配，96.9%和94.2%模拟值落在经验99百分位范围内，模拟与文献中位数的相对偏差分别为?17.6%和?13.5%，支持模拟响应与经验观测的总体一致性。种质改良是产量潜力最大且侵蚀成本较低的路径，但受长期研发周期和高技术门槛限制。高密度种植通过增强冠层截获和减少土壤表面暴露减轻灌溉引起的侵蚀，优良种质可缓解高密度下植物竞争压力；灌溉与种质改良结合可实现产量激增，证实优良种质与充足水分供应的互补关系。总体而言，集成技术尤其结合种质改良，理论上使中国可能赶上美国当前玉米产量，但仅依靠高密度种植和灌溉等管理措施仍留下约1.5 t ha
?1产量差，表明中国仍需额外技术和种质改良探索。灌溉和高密度种植作为保障产量和稳定性的“安全网”，种质改良作为最大化产量潜力的“峰值推进器”。每种单项和集成技术各有优势，因此需要确定评价各种技术可行性和可持续性的标准；不存在最优方案，而是通过权衡平衡影响和收益。成本效益分析表明，尽管灌溉环境成本高于高密度种植和种质改良，但其产生稳定且更大的净收益，尤其在降水较低的SHRB。盈利能力而非仅技术效率驱动农民决策。技术推广受财务能力、信贷可得性、政策激励、采用障碍（如灌溉缺水、农业基础设施不足、种质改良育种瓶颈）约束。不同增产路径的采用取决于当地资源禀赋、投资能力和实施条件。更集成的技术可能提供更大农艺和环境协同效益，但实际实施也需要支持性基础设施和有利条件。关于局限性和不确定性，研究人员指出种质改良目前仍是假设性情景，实际实施受长研究周期、现实时间框架、高技术壁垒，尤其是基因型×环境互作影响，绝对产量水平可能被高估。模型结果存在一定不确定性。育种成本因高度不确定未明确考虑，解释经济比较结果时应谨慎。环境成本评估主要考虑土壤侵蚀控制和泥沙疏浚，未来研究应纳入养分损失、温室气体排放或地下水消耗等成本。当前SWAT模型尚未完全捕捉表土侵蚀对产量的抑制效应，因此研究结果偏保守。高密度种植通过种植密度与最大LAI（leaf area index，叶面积指数）之间的经验关系表示，虽捕捉冠层发育、太阳辐射截获、蒸腾和地表覆盖等主要效应，但可能未完全代表所有密度诱导过程。模型校准中可能存在参数等优性，模拟应解释为相对于基线的不同技术间相对差异，而非绝对数值预测。经过充分校准的模型结合AI辅助meta分析交叉验证，已大幅降低模型不确定性。未来需评估不同增产路径在未来气候下的表现，以及中美产量差异可能扩大、缩小或逆转。
翻译研究结论：总之，灌溉和高密度种植充当保障产量和稳定性的“安全网”，而种质改良充当最大化产量潜力的“峰值推进器”。每一种单项和集成技术都有其自身优势，因此需要确定评价各种技术可行性和可持续性的标准。不存在最优方案；更确切地说，是通过采用权衡来平衡影响和收益。总体而言，美国玉米产量已接近其气候天花板，核心目标现在集中于通过多种技术维持稳定生产并降低环境成本。中国面临低产量与高波动以及高环境成本的双重挑战，需要复合策略和技术进步。识别和实施多种集成策略以同时提高生产力和气候韧性，并研究这些技术的环境影响，已成为全球Mollisol地区可持续农业发展的关键优先事项。
