水稻产量、品质与氮淋溶协同调控的精准水氮耦合策略

《Environmental Technology & Innovation》：A precision water-nitrogen coupling strategy for synergistically regulating rice yield, quality, and nitrogen leaching

　　

精准水氮管理对水稻可持续生产至关重要。常规管理常导致水分与氮肥利用效率低下，而精准调控可在减少氮淋溶的同时提升产量与品质。研究人员基于黑龙江田间试验，扩展AquaCrop模型并集成稻米品质与氮淋溶模块，耦合多目标优化以实现水氮协同管理。改进模型准确模拟水稻产量、品质、总灌溉量及氮淋溶，nRMSE为2.4%–6.1%，R2为0.81–0.87。优化揭示核心权衡：产量与综合品质指数总体同向提升，但增产提质常伴随灌溉量与氮淋溶增加。精准水氮调控实现协同目标：高产管理灌溉与施氮分别降低65.61%与20.72%，增产10.75%；低淋溶管理灌溉与施氮分别降低67.80%与36.06%，淋溶降低60.81%；高品质管理灌溉与施氮分别降低65.06%与12.95%，综合品质指数提升11.20%；低灌溉管理灌溉与施氮分别降低71.19%与40.19%，淋溶降低64.00%。不同水文年型下，湿润年利于产量与品质但增加淋溶风险，干旱年需更多灌溉且减产降质。该框架甄别了不同生产与水文条件下兼顾高产优质、节水与减氮淋溶的管理策略。

研究背景方面，水稻为全球逾半数人口主粮，亚洲多国栽培耗水耗氮量大。水资源短缺与粮食需求增长背景下，维持生产力并提升水氮利用效率日益关键。中国及东亚稻区仍依赖高量化肥氮维持产量，过量施氮未继续增产反而降低氮利用效率（NUE）并加剧氮淋溶与水富营养化风险。已有研究表明灌溉与施肥共同调控产量、资源效率与淋溶，水氮管理经同化物分配与灌浆影响品质：适氮促进蛋白淀粉协调合成、降垩白，过氮或水分胁迫破坏碳氮平衡降低食味。过程模型（ORYZA、APSIM、DNDC、WHCNS、AquaCrop）可延展田间观测，其中AquaCrop作为水分驱动模型擅长土壤水动态与水分胁迫响应，但原版肥力胁迫模块经验化描述氮效应，且既有应用多聚焦产量与用水，少顾氮淋溶与品质协同。模型耦合多目标优化（NSGA-III、TOPSIS）可将过程模拟转为决策，但现存AquaCrop优化研究仍偏重产量、经济、用水与温室气体，缺统一框架同步优化产量、品质、节水与淋溶。

研究人员于2025年在黑龙江省水利科技试验研究中心开展田间试验，设控制灌溉（W）与传统淹灌（F）两种灌溉制度、常规施氮110 kg ha^?1（N1）与减氮10%至99 kg ha^?1（N2）两水平、有机肥替代0（A）与替代三分之二（B）两水平，共8处理各3重复，每区25 m²，测定生育期水动态、植株生长、土植氮素、淋溶液硝态氮、产量与品质。基于AquaCrop构建“水–氮–产量–品质–氮淋溶”耦合模拟优化框架：土壤水状调控氮转化、吸收与淋溶，氮状反馈作物生长，品质响应灌浆期生长与吸氮；以NSGA-III（非支配排序遗传算法III）求帕累托最优，TOPSIS（逼近理想解排序法）按偏好选代表策略，决策变量为灌溉阈值、目标田面水层、施氮率与有机肥替代比，目标为最大化产量（Y）与品质（Q）、最小化总灌溉（TotIrr）与氮淋溶（Nleach）。

研究结果部分，2.3.1稻米产量子模型表明AquaCrop以蒸腾累积定生物量（B_i=WP^*·Tr_i/ET_0i）、收获指数（HI）换算产量（Y_i=HI_i·B_i），冠层覆盖（CC）经水分胁迫系数（K_s）与作物系数（K_CTr,x）驱动蒸腾（Tr_i=K_s·K_CTr,x·CC^*·ET_0i），冠层生长分两段指数式。改进模型模拟产量、品质、TotIrr、Nleach的nRMSE 2.4%–6.1%、R² 0.81–0.87。优化得四类策略：高产管理减灌65.61%、减氮20.72%、增产10.75%；低淋溶管理减灌67.80%、减氮36.06%、淋溶降60.81%；高品质管理减灌65.06%、减氮12.95%、品质指数升11.20%；低灌溉管理减灌71.19%、减氮40.19%、淋溶降64.00%。跨水文年显示湿年利产质但淋溶风险升，旱年需增灌且产质降。

讨论与结论部分，研究人员指出精准水氮耦合框架弥补了AquaCrop原版对氮机制与品质淋溶协同描述不足，NSGA-III–TOPSIS在高中维决策空间甄别帕累托前沿，证实产量与综合品质多同向、但与节水减淋存在中枢权衡。该框架在黑龙江壤土典型稻区给出可兼顾高产优质、节水与控淋溶的灌溉阈值、田面水层、施氮率及有机肥替代比组合，且水文年型迁移下仍具适应性与稳定性，为寒地稻作可持续水氮管理提供统一模拟–优化范式，相关成果发表于《Environmental Technology》。