DSSAT驱动的气候适应性与资源高效冬小麦生产的水氮管理多目标优化

《European Journal of Agronomy》：DSSAT-driven multi-objective optimisation of water–nitrogen management for climate-resilient and resource-efficient winter wheat production

　　水氮协同优化提高冬小麦产量和资源利用效率。优化管理在未来气候条件下可减少氮肥和灌溉量约30–40%。产量提升在所有气候条件下均出现，干旱年份改善最为显著。降水和温度在最优管理中共享解释方差。气候智慧型管理增强小麦系统对极端事件的韧性。引言全球粮食安全高度依赖小麦，这一主粮作物为数十亿人提供必需的能量和蛋白质（Martre等，2024）。然而，气候变暖——通过气温升高、降水格局改变以及极端事件更加频繁——正在系统性地削弱全球粮食系统的稳定性和生产力（Alizadeh等，2020；Ortiz-Bobea等，2021；Zhu等，2022）。随着人口增长和消费需求持续上升（Beltran-Pe?a等，2020），农业生产必须在日益受限的水资源和氮资源约束下，实现产量提升并兼顾可持续性（Godfray等，2010）。氮肥长期以来推动着小麦产量提升，但其利用效率仍然较低，导致大量养分流失到环境中并降低经济效益（You等，2023；Zhang等，2024）。增加氮肥投入并不必然转化为产量增益，反而可能加剧环境和资源成本（Rosa等，2020；Zhang等，2022）。相比之下，灌溉对于缓冲水分胁迫和稳定产量至关重要（Li等，2020；McDermid等，2023；Rosa等，2020），但全球近一半的灌溉用水依赖于不可持续的抽取（D'Odorico等，2018；Mekonnen和Hoekstra，2016；Rosa等，2019），对干旱地区造成严重影响。水和氮是全球作物生产中最重要的限制因子之一（Mueller等，2012）。有证据表明，优化灌溉和养分投入可使玉米、小麦、水稻和大豆产量提高最多30%（Rezaei等，2023；Wang等，2021）。因此，水氮协同管理日益受到关注，多项研究已证明作物模型和多目标优化方法在提高产量的同时减少灌溉和氮肥投入的潜力（Kropp等，2019；Gao等，2023）。田间试验也为水氮互作提供了有价值的经验认识（Chen等，2011；Shang等，2021），但其特定地点的属性使得难以捕捉管理、土壤和气候条件在更广泛环境梯度上的非线性互作关系（Du等，2021；He等，2023）。此外，大多数现有协同优化研究集中于历史或当前气候条件、特定站点或有限的水文气候条件范围。尽管近期建模研究已开始考虑干旱、正常和湿润年份或未来气候情景（Lyu等，2022；Yang等，2025），但在多个GCM预估、对比降水年型和不同未来时期下联合优化灌溉和氮肥的区域尺度评估仍然有限。为弥补这些不足，我们开发了一个集成框架，将DSSAT-CERES-Wheat模型与NSGA-II多目标优化相结合，以识别在最小化氮肥和灌溉投入的同时最大化小麦产量的水氮管理策略（Yu等，2019）。该框架应用于北方冬麦区，基于多个CMIP6全球气候模型获取的历史和未来气候条件。我们进一步区分干旱、正常和湿润年份以及不同未来时期，以确定最优水氮组合如何响应年际水文气候变率和渐进性气候变化。具体而言，本研究旨在：（1）在研究区域校准和验证DSSAT-CERES-Wheat模型；（2）在历史和未来气候情景以及不同降水年型下识别Pareto最优的灌溉和氮肥管理策略；（3）量化与最优管理时空变率相关的气候和环境因素。该集成框架为在不断增加的气候和资源约束下实现气候适应型和资源高效型冬小麦管理提供了基于过程的科学依据。章节摘录研究区域北方冬麦区包括两个主要农业生态亚区，即北方冬麦区和黄淮冬麦区，是中国最重要的小麦产区之一，约占全国小麦总产量的60%（Tao等，2015）。该地区冬小麦的平均生育期从当年10月持续到次年6月。该地区属大陆性半干旱至半湿润气候，未来气候变化趋势六个CMIP6 GCM的偏差校正输出与历史观测吻合良好（补充表8）。温度方面，R2范围为0.92至0.96，RMSE值为0.69–0.98°C，绝对偏差低于0.27°C。降水方面，R2范围为0.71至0.79，相对偏差范围为?8.1%至7.2%，表明偏差校正后对历史气候变率的表征可接受。在SSP2–4.5和SSP5–8.5情景下，最高温度（Tmax）、讨论我们的模拟表明，在历史和未来气候情景下，水和氮管理的协同优化可以在维持或提高冬小麦产量的同时减少资源投入。这一发现挑战了传统的农业范式——即产量提高必然需要更大的资源投入，为北方冬麦区——一个易发干旱和水资源短缺的地区——提供了一条兼顾产量安全的适应性路径。结论本研究通过作物建模和多目标优化的集成框架，揭示了华北冬麦区灌溉和氮肥协同优化的巨大潜力。相对于历史农户实践基线，未来优化管理大幅减少了氮肥和灌溉投入，其中最大减幅出现在湿润年份。相对于历史优化管理，未来优化氮肥和灌溉CRediT作者贡献声明Guolong Zhang：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、监督、资源、方法学、正式分析、概念化。Wanrui Han：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证、监督、方法学、正式分析、数据管理、概念化。Quanlin Wu：验证、项目管理、资金获取、概念化。Quansen Wu：监督、项目管理、方法学、概念化。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢本工作由济宁学院百名杰出人才计划（220347）、山东省高等学校青年创新与创业项目（批准号2022KJ101）、济宁学院研究与创新团队（批准号24KCTD12）资助。Guolong Zhang | Wanrui Han | Quanlin Wu | Quansen Wu