基于多目标优化的水氮协同管理策略促进水稻可持续生产

《Journal of Environmental Management》：Synergizing rice productivity sustainability through an integrated water-nitrogen management strategy based on multi-objective optimization

　　

摘要

尽管水稻水分和氮肥（N）管理取得了进步，但以往研究仍未能基于高产条件定量平衡经济效益与环境成本，且缺乏稳健的氮肥诊断阈值指导水稻生产。本文通过三年田间试验，设置了两种灌溉制度，即常规灌溉（CI）和间歇干湿交替灌溉（AWD），以及四个施氮量（0、180、270和360 kg N ha^?1）。结果表明，AWD显著优于CI，使稻谷产量提高12.39%–16.02%，农学氮效率提高12.27%–22.30%，经济效益提高27.36%–38.07%，同时将全球变暖潜势（GWP）降低25.90%–29.59%。值得注意的是，本研究首次将基于反向归一化的权衡模型应用于长江下游地区AWD条件下的产量、经济效益与GWP之间的关系，确定该地区最佳施氮范围为235.37–273.09 kg N ha^?1。与最大产量施氮量（311.12 kg N ha^?1）相比，该优化施氮范围在最大化经济效益和氮利用效率的同时降低了GWP，产量惩罚极小，仅为0.60%–2.38%。此外，本研究还建立了关键生育期干物质和氮积累的定量诊断阈值，为该地区季内氮肥管理提供了稳健工具。与传统叶色诊断不同，这些阈值为定量田间指标，可直接指导季内追肥决策。这一基于多目标优化的综合水氮管理策略为水稻系统的可持续集约化提供了可行途径。

引言

水稻作为全球重要的粮食作物，种植面积达1.65亿公顷（FAO, 2023）。预计本世纪中叶水稻需求将增加三分之一（Yuan et al., 2022）。此外，稻田也是全球温室气体（GHG）排放的重要来源。数据显示，农业生产中约22%的CH₄和11%的N₂O排放来自稻田（Qian et al., 2023; Runkle et al., 2018）。面对这些挑战，研究人员探索了多种节水灌溉制度，如间歇灌溉、沟灌和间歇干湿交替灌溉（AWD）（Adviento Borbe et al., 2026; Wang et al., 2018; Zhang et al., 2025a）。在中国，AWD已被广泛采用，推广率超过41%（Lampayan et al., 2015）。该灌溉制度通过周期性土壤干湿交替，有效改善土壤通气状况，促进根系生长，从而显著减少CH₄排放并提高产量（Wang et al., 2018）。然而，AWD也带来一些问题，如在一定程度上增加N₂O排放风险，并导致氮损失增加（Ku et al., 2017; Wang et al., 2025）。因此，该制度能否同时满足提高产量、增加盈利和改善环境可持续性的多重挑战仍有争议。

除水分外，水稻生产通常与施氮量密切相关（Liang et al., 2024）。然而，过量施氮不仅降低氮利用效率（NUE），还增加经济和环境成本（Chai et al., 2019; Gu et al., 2014; He et al., 2018）。当前水稻氮管理面临的核心挑战在于实现高产、高效和低碳排放之间的协同。传统的基于二次曲线或临界氮稀释曲线（CNDC）的模型，虽然作为确定推荐施氮范围的关键工具，但未能考虑多维度效益的协同（Bi et al., 2025; Cheng et al., 2022; He et al., 2023b）。现有的推荐方法往往以95%最大产量或特定氮营养指标为目标，在优化算法中忽视了氮肥成本和边际收益（Chen et al., 2021; Liu et al., 2024; Rathore et al., 2017）。因此，所得推荐范围在农场层面缺乏经济可行性，阻碍了这些方法的广泛采用。此外，大多数评估环境成本的研究主要关注氮损失（He et al., 2023b），对温室气体排放的考虑相对不足。事实上，氮管理涉及产量、经济效益和环境影响之间的复杂权衡。因此，有必要建立一种推荐氮肥方法，以协同实现高产、经济效益和减排。

综合的氮管理策略不仅应推荐合适的施氮量，还应整合氮诊断系统，以准确、及时地评估作物氮状况，实现动态和精确调控（Fan et al., 2012）。水稻叶片与光合作用和产量形成密切相关（Zhang et al., 2025b）。因此，过去常将叶色作为氮肥诊断工具，用于测土配方施肥和氮肥"三项式"施肥技术（Chivenge et al., 2022; Xue et al., 2013）。然而，叶色容易因测量地点、季节、光照等条件的变化而误判（Gu et al., 2017; Xiong et al., 2015）。相反，干物质和氮积累是作物生长和氮吸收的直接定量指标，能更准确地反映产量形成的物质基础（He et al., 2023b; Xiao et al., 2025）。然而，迄今为止，尚未基于这两个关键参数建立田间诊断阈值用于实时氮评估，特别是在中国水稻主产区。

长江下游地区代表中国核心水稻生产区域。其年产5700万吨，占全国总产量的27.8%（国家统计局, 2025）。该地区产能的稳定和增强对保障国家粮食安全至关重要。值得注意的是，该地区亚热带季风气候下温度较高，AWD条件下干湿交替周期更为频繁，导致CH₄/N₂O之间的权衡关系与东南亚或华北水稻产区存在显著差异（Sandra et al., 2024; Xiao et al., 2025; Zhao et al., 2024）。这种气候特殊性限制了现有模型的直接外推，因此需要针对性的综合水氮管理策略，而这在长江下游地区仍是缺乏的。

本研究旨在实现以下核心目标。首先，调查不同灌溉制度和施氮量对产量、效益和温室气体排放的影响。其次，建立新型多目标优化模型以推荐施氮量。最后，在此基础上，制定一套适用于长江下游地区稻田的综合水氮管理策略。本研究不仅创新了平衡多重目标的施氮范围推荐决策模型，还制定了适用于该地区的实用综合水氮管理策略。该研究为推进水稻种植的绿色转型以及实现粮食安全与生态保护协同进步提供了重要的理论基础和实用技术支持。

章节片段

试验田概况与供试材料

本研究田间种植试验于2023至2025年在江苏省扬州市江庄农场（31°93′ N, 118°69′ E）开展。供试土壤为砂壤土，其基本物理化学性质如下：有机质含量16.17 g kg^?1，全氮、速效磷和交换性钾含量分别为91.11、30.40和128.28 mg kg^?1。

供试品种为高产品种"南粳5718"，由宁7022与扬粳608杂交选育而成。

产量与NUE

在相同施氮量下，与CI相比，AWD显著提高了稻谷产量12.39%–16.02%（表1）。在相同灌溉制度下，施用氮肥（0–270 kg ha^?1）显著提高了稻谷产量。与270 kg N ha^?1处理相比，360 kg N ha^?1处理显著降低了稻谷产量5.45%–7.02%。这表明稻谷产量对氮肥施用存在阈值效应。

在相同施氮量下，与CI相比，AWD显著提高了相对氮效率（RE_N）和农学氮效率（AE_N），

讨论

普遍认为，水分供给减少会导致水稻产量和NUE下降（Dunn and Gaydon, 2011; Livsey et al., 2019）。然而，我们此前的研究揭示，AWD的效益受土壤水势调控，?20 kPa被确定为AWD条件下实现产量和效率提升的关键阈值（Bo et al., 2024; Wang et al., 2016; Xiao et al., 2025）。本研究进一步证实，AWD显著提高了各

结论

本研究的核心科学创新在于开发了耦合稻谷产量、经济效益和GWP影响的多目标优化模型。结果表明，在AWD灌溉制度下，推荐施氮范围235.37–273.09 kg ha^?1实现了高产、高经济效益和低GWP之间的平衡。值得注意的是，本研究建立了关键生育期干物质和氮积累的动态诊断阈值系统，这大大降低了

CRediT作者贡献声明

肖志林：初稿撰写、调查、形式分析。张颖：调查。严宇：调查。吕新平：调查。朱宽余：监督指导。张伟扬：可视化。王远：可视化、软件。顾军飞：监督指导。刘立军：监督指导。张广斌：审稿与编辑。张建华：资源提供、项目管理、资金获取。张浩：审稿与编辑、资源提供、项目管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金委员会（32572443, 32272197, 32071944）、国家重点研发计划（2022YFD2300304）、年轻科技人才培养项目博士生计划（中国科学技术协会）、香港研究资助局（一般资助 12101722, 12102423, 12105824）以及江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）资助。

肖志林|张颖|严宇|吕新平|朱宽余|张伟扬|王远|顾军飞|刘立军|张广斌|张建华|张浩

作物遗传与生理江苏省重点实验室/作物栽培与生理江苏省重点实验室，粮食作物现代生产技术协同创新中心，扬州大学，江苏扬州，225009，中国