基于沙土玉米灌溉与施氮日程的帕累托前沿优化：产量、水分生产率、氮生理效率与籽粒氮浓度之间的权衡

《Agricultural Systems》：Pareto-front-based optimization of irrigation and nitrogen application schedule in Sandy-soil maize: Trade-offs among yield, water productivity, nitrogen physiological efficiency, and grain nitrogen concentration

　　

研究人员构建了耦合CERES-Maize与NSGA-III的多目标优化框架，针对内蒙古鄂尔多斯半干旱区沙土滴灌春玉米，同步最大化产量、水分生产率(WPc)、氮生理效率(PEN)与籽粒氮浓度(GNC)。研究阐明四目标间的帕累托权衡关系，刻画灌溉与施氮变量对非支配解的作用规律，并采用偏预算经济敏感性分析评估候选日程相对农户常规管理的农艺表现、投入利用、气象年适应性与经济效益。结果表明，该多目标框架能在沙土系统中识别兼顾高产、高效与籽粒品质的灌溉与施氮日程，揭示产量与WPc、PEN及GNC之间存在显著权衡，NSGA-III相较低维算法更适用于四目标以上的很多目标优化问题。该研究将籽粒品质纳入优化目标，拓展了水氮管理优化维度，为沙土玉米资源约束下的综合决策提供生物物理与管理依据。

研究背景与立项依据

在资源约束下提升玉米总产，沙土扩种被日益推进。沙土持水与保肥能力低，对灌溉日期、定额及频次呈阈值式响应，水氮协同管理难度高。早期水肥交互试验耗时耗力且难达最优；动态规划与线性/非线性规划以水生产函数分配水量，却难定具体灌水日期；过程模型（如CERES-Maize）虽能精细表征土壤水动态与作物生长，但情景枚举搜索空间有限、难获全局最优。已有研究多将作物模型与智能算法耦合做单目标或三目标优化，极少把籽粒品质（如GNC）作为显式目标，而四目标及以上属很多目标优化问题，NSGA-II在高维下选择压力丧失，NSGA-III尚未见用于沙土玉米水氮日程以厘清产量、水分、氮素与籽粒品质权衡的报道。因此，研究人员在标定CERES-Maize基础上，建立CERES-Maize–NSGA-III很多目标框架，以鄂尔多斯沙土滴灌春玉米为对象开展研究。该文发表于《Agricultural Systems》。

主要关键技术方法

研究人员于2022–2023年在内蒙古鄂尔多斯灌溉试验站（39°53′N，110°00′E，海拔1456 m，沙土，半干旱大陆性气候）设春玉米“丰田1631”两因素三水平田间试验：灌溉定额375、300、225 m3/ha（折合37.5、30.0、22.5 mm/次），季尿素600、450、300 kg/ha（折纯氮276、207、138 kg/ha），组合9处理各3重复，宽窄行（60/40 cm）浅埋滴灌（埋深约5 cm，滴头间距30 cm，0.1 MPa，3.6 L/h）。气象取东胜区站日降水、最高/最低温与日照反演辐射；土壤分5层测质地、容重、凋萎点、田间持水与硝铵态氮。实测开花期LAI（叶面积法）、季实际蒸散ET_a（水平衡法，忽略地下水补给、深层排水与径流）、成熟期籽粒干重、地上生物量(AGB)、籽粒氮浓度(GNC)与总氮吸收（凯氏定氮）。以2022–2023年T1N1非胁迫处理标定CERES-Maize六个品种系数（P1、P2、P5、G2、G3、PHINT），遗传算法(GA)最小化模拟与观测产量、物候、LAI偏差；其余处理验证并扩展评AGB、ET_a、GNC与氮吸收。随后以灌溉日期/定额与施氮日期/量为主变量，NSGA-III同步优化产量、WP_c（=产量/ET_a）、PE_N（=吸氮增量/施氮增量）与GNC，提取帕累托前沿，用偏预算法做经济敏感性分析。

研究结果

引言部分已述：沙土水氮敏感性强，传统优化难定日期且忽略品质，过程模型+NSGA-III可补空白。

材料与方法：上述田间与模型标定体系给出生物物理边界与决策变量空间。

结果与讨论之目标权衡：四目标帕累托前沿显示，高产方案常伴WP_c与PE_N下降，GNC随施氮增加而升但边际递减；灌溉定额适中（约300 m3/ha级）配合分次少量施氮可在非支配解中取得平衡。灌溉日期集中于拔节—吐丝—灌浆早中期时水分与氮素利用效率较高；过量灌水稀释GNC且拉低PE_N。NSGA-III所得非支配解分布均匀，克服NSGA-II在高维下非支配个体爆炸导致选择压力不足的问题。

偏预算经济敏感性：选取前沿上代表解与农户常规日程比，在玉米与尿素价格区间内，多数帕累托解净收益不低于常规，且纯氮投入降低10%–30%时仍维持产量稳定，气象年（2022 vs 2023）重模拟显示解具一定年型稳健性。

研究结论（译自原文结论段）：研究人员基于标定CERES-Maize建立CERES-Maize–NSGA-III很多目标框架，成功优化沙土滴灌玉米INAS，同步兼顾产量、WP_c、PE_N与GNC；四目标间存在明确权衡，灌溉与施氮日程变量对非支配解结构有系统性影响；帕累托候选日程在农艺表现、投入节约、跨气象年适应性与经济敏感性上优于或等同于农户现状，把籽粒品质显式纳入目标拓展了水氮管理优化维度，证明NSGA-III适配四目标及以上农业管理问题，为半干旱沙土玉米资源高效与品质协同提供可转移框架。