引言
在降低环境负担的同时维持水稻生产，是可持续粮食系统面临的核心挑战。在集约化农业系统中，氮（N）肥对维持作物生产力和粮食安全起着关键作用（Snapp et al., 2023）。在水稻生产中，充足的氮供给支撑作物生长、产量形成和农场盈利（Zhang et al., 2023）。然而，以产量为导向的管理往往导致氮输入超过作物需求，特别是在高投入水稻系统中（Cai et al., 2023）。一旦氮输入超过作物需求，进一步施肥通常只能带来边际产量增益。然而，过量氮仍可能大幅增加活性氮损失，包括氨挥发、硝酸盐淋失、氮径流和氧化亚氮排放（Pan et al., 2022）。这些损失降低了氮利用效率，并通过温室气体排放、富营养化、土壤酸化和对人类健康的影响造成环境负担（Sun et al., 2022, Tian et al., 2023, Xu et al., 2022）。因此，改善氮管理对于在集约化水稻系统中平衡作物生产、农场盈利和环境保护至关重要。
减少过量氮输入和改善施肥实践已被广泛认为是维持作物生产力、提高氮利用效率并减少环境损失的重要选项（Yao et al., 2024）。在不同作物系统中，调整氮肥施用量、分次施肥、深施和有机替代已被报道可减少氮损失并改善经济回报（Cui et al., 2018, Singh et al., 2014）。在更大尺度上，优化施肥策略也被证明可以在减少耕地氮输入的同时提高氮回收率和整体氮利用效率（Gu et al., 2023）。这些研究提供了强有力的证据，表明可以改善氮管理而不必牺牲生产力。然而，许多建议仍主要基于产量响应、直接经济回报或单一环境指标，因此可能忽视了可持续性目标之间的权衡关系。一种最大化短期利润的策略可能在长期内造成更大的环境成本。同样，一种缓解某一环境负担的做法可能通过另一途径增加氮损失（Laporte et al., 2021, Mandrini et al., 2022）。因此，单一指标评估可能无法为可持续性管理决策提供充分依据。
因此，需要建立一个综合框架来评估集约化水稻系统中的氮管理策略。可持续氮管理需要同时考虑作物生产、经济可行性和环境影响，包括与温室气体排放和活性氮损失相关的外部成本。水稻系统中，作物生长、肥料投入、土壤水分条件、碳-氮循环和环境损失途径之间存在强烈的相互作用（Liang et al., 2023）。甲烷排放、氧化亚氮排放、氨挥发和硝酸盐淋失对氮肥用量、肥料来源和施用时间的响应可能不同（Xia et al., 2016, Xu et al., 2022）。传统的经济评估通常只考虑生产收入和投入成本，而排除了环境外部性。因此，在产量或农场收入方面看似有利的情景，一旦将环境损害成本内部化，可能变得不再理想（Zhang et al., 2021）。联合评估食物、经济和环境影响指标可以揭示决定不同氮管理路径可持续性的权衡关系。综合指标有助于情景比较，但由于归一化和权重分配程序可能影响情景排序，它们应作为单一指标解释的补充而非替代（Feng et al., 2022, Kelemen et al., 2024）。
年际气候变异性进一步增加了识别可持续氮管理策略的难度。区域施肥建议通常来源于短期田间试验或多年平均条件，这可能掩盖了干旱年、正常年和湿润年之间的差异（Nasielski et al., 2020, Proud et al., 2023, Qiao et al., 2022, Zhang et al., 2024）。在水稻系统中，降水和温度变异性会影响土壤水分、作物氮吸收、矿化作用、反硝化作用、淋失和气态氮损失（Alberto et al., 2012, Rupp et al., 2021）。在正常气候条件下表现良好的施肥做法在湿润年份可能变得不再有利，因为高土壤水分会增强反硝化作用和氮淋失（Gbedourorou et al., 2025, Wei et al., 2024）。相反，干旱年份可能限制氮的有效性和作物吸收，从而改变不同氮用量和施用方式的相对效益。因此，在不同气候年份类型下评估管理效果是必要的，以便区分在不同年份中表现一致的策略和那些效益依赖于特定气候条件的策略。此类评估可以支持从静态施肥建议向气候响应性养分管理的转变。
太湖地区是中国管理最集约的单季稻产区之一，面临着高氮输入和农业面源污染的持续挑战（Cui et al., 2020）。为维持高产水稻，当地农民通常施用约270–300 kg N ha?1的化学氮肥，增加了温室气体排放和活性氮损失的风险（Deng et al., 2012）。以往的研究探讨了该地区生态最优氮肥用量和水稻生产的环境影响（Xia et al., 2016, Xia and Yan, 2012）。然而，在同时考虑产量、氮生产力、环境足迹、生态系统经济效益和气候变异性时，减少过量氮输入是否能提供一条通往可持续水稻生产的长期路径，仍有待量化。田间试验提供了重要证据，但其时间覆盖范围和情景组合通常受到限制。过程模型为将田间观测扩展到长期情景评估提供了一种有用的方法。本研究采用农业技术转移决策支持系统（DSSAT）模拟水稻产量和氮生产力，因其在对作物生长和产量建模方面具有成熟优势（Jeong et al., 2014），同时采用反硝化-分解模型（DNDC）估算甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放、氨挥发和硝酸盐淋失（Zhao et al., 2020）。两个模型共同生成了评估不同氮管理情景的经济后果（包括环境损害成本）所需的生产和环境产出数据。
与以往主要关注产量响应、氮利用效率或单一环境损失的研究相比，本研究贡献了一种生产阶段的可持续性评估，明确将环境损害成本内部化，并在长期气候序列上评估气候条件依赖性权衡关系。这种设计使得氮输入减量路径不仅可以从农艺表现角度进行评估，还可以从环境足迹、外部成本和气候依赖性管理稳定性角度进行评估。本研究的目标是：(1) 量化氮肥减量和施肥方式对太湖地区水稻生产力、氮生产力、环境足迹和生态系统经济效益的长期影响；(2) 使用单一指标和互补的食物-经济-环境关联指数（FEENI）评估食物、经济和环境影响指标之间的权衡关系；以及(3) 检验气候年份类型如何修正不同氮管理策略的相对表现和稳定性。通过整合作物模拟、环境足迹评估和生态系统经济核算，本研究旨在确定实用的氮管理路径，推动集约化水稻生产从投入密集型产量最大化转向可持续性导向的养分管理。
