中国玉米氮素与灌溉最优管理措施：经济与环境权衡

《Agricultural Systems》：Optimal management practices of nitrogen and irrigation for the trade-off between economy and environment for maize in China

　　

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  在每次灌溉条件下施用90–180 kg N ha^?1的氮肥可提高玉米产量，同时保持较低的N₂O排放和淋溶损失。
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  管理优化综合考虑了作物生产力、经济成本、氮素损失和温室气体排放。
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  最佳玉米施氮量为135–180 kg ha^?1；除中国西北等干旱地区外，雨养管理更为优越。
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  空间比较表明，中国东北地区具有同时实现环境效益与农业效益的巨大潜力。

引言

玉米是一种关键粮食作物，在全球粮食安全中发挥着举足轻重的作用（Erenstein等，2022；Zhao等，2025a），同时也是饲料工业的重要原料（Klopfenstein等，2013）和可再生生物燃料（Batidzirai等，2016）的关键来源。然而，随着全球人口增长带来的粮食需求增加，农业已成为全球人为活性氮排放的最大来源（Bodirsky等，2014；Sharma等，2026）。在中国，近几十年来玉米总产量增长了160%（Qin等，2016），主要驱动力来自集约化农业实践。过度施肥和低效灌溉导致了资源利用效率低下和严重的环境后果（Jahan Leghari等，2024；Wang等，2025a；Yin等，2024；Zhang等，2024b）。一氧化二氮向大气排放以及硝酸盐向水系统的淋溶威胁着生态系统和人类健康，进一步加剧了气候变化并威胁农业生产（Zhu等，2025）。因此，建立一套系统评估框架，以准确量化氮素和灌溉对玉米生产力的贡献，并将环境污染成本内化，同时制定高效的管理优化策略，具有重要的理论和现实意义。

目前，关于玉米生产的研究涵盖了田间试验、统计回归模型和基于过程的模型，用于表征作物产量和氮素损失对不同管理实践的响应。田间试验提供了高精度的数据集，有助于理解气候、土壤、管理和作物生长之间的机理性相互作用（Lv等，2024；Song等，2024；Wang等，2024b），但其适用性通常受限于空间外推的挑战。利用历史数据的统计模型可以有效量化变量与作物产量之间的关系，具有重要的解释力（Kusmec and Schnable，2024；Marcos-Garcia等，2024）。然而，这些模型经常无法捕捉在不同地方自然条件下出现的复杂非线性相互作用（Lobell and Burke，2010）。此外，这些变量对氮素吸收和损失的影响在大规模上难以观测，进一步限制了其在农业生态系统分析中的适用性。相比之下，如APSIM、DSSAT和WOFOST等基于过程的模型，虽然依赖于理论假设和参数化，但在模拟不同气候、土壤和管理条件下的生物物理过程方面具有更大的灵活性和可扩展性（Amrani等，2024；Zhang等，2024a；Zhao等，2025b）。这些模型已被广泛用于模拟作物产量、氮素循环以及温室气体（GHG）排放估算及其对自然生态系统的潜在危害（Morais等，2018；Xiao等，2024）。

在探索作物生产中农学和环境上适宜的氮肥施用率和灌溉策略方面，已纳入了多种目标。早期研究主要侧重于通过增加氮肥施用和灌溉投入来最大化作物产量（Hou等，2012）和经济收益（Liu等，2020）。然而，随着对集约化农业生产生态后果的日益重视（Rotiroti等，2023），减少氮素损失逐渐成为优化策略的核心目标（Quemada等，2013；You等，2024）。作物生产系统中的氮素损失主要包括活性氮向大气的排放（尤其是N?O）以及通过淋溶和径流向水系统的输运（You等，2024）。除了直接氮肥投入外，灌溉实践在土壤水分动态中起着关键的调节作用，通过调节土壤水分条件强烈影响N?O排放强度和硝酸盐（NO?^?）淋溶风险（Yu等，2022a；Zhao等，2025b）。此外，一些研究者强调环境条件也影响管理措施对作物生长的有效性（Han等，2023；Liu等，2022）。尽管之前的研究加深了对产量、利润和环境效益之间权衡的理解，但现有研究在很大程度上仍局限于单目标分析、孤立的管理因素或地理上受限的案例研究。首先，环境外部性很少被纳入一个共同评估农学绩效、经济回报和与污染相关的环境成本的整合优化框架中。其次，在国土尺度上协调氮素和灌溉管理优化的空间显式且区域性建议仍然稀缺。解决这些局限需要一个氮素和水分管理实践的协同优化框架，以在不同农业生态条件下最大化整体农业生态系统效益。

为此，我们开发了一个适用于中国玉米生产的全国家尺度、基于网格的优化框架，将农业生产、经济回报和环境外部性整合为统一的环境经济效益（EEB）指标。首先，采用农业生产力系统模拟器（APSIM）模拟不同气候、土壤和管理条件下的玉米生长。我们进一步分析了中国各地区氮肥施用率和灌溉制度对玉米产量、N?O排放和NO₃^?淋溶的影响。随后，量化了不同施肥和灌溉策略相关的经济效益和环境风险，并将其纳入协同优化分析中，以驱动中国玉米种植区的空间显式、区域性建议。我们进一步比较了中国不同地区产量潜力、N₂O排放、氮素淋溶、环境效益和优化管理实践的空间格局。通过明确地将管理优化与不同地方条件下的环境成本联系起来，本研究为理解国家尺度上玉米生产的权衡以及支持中国区域差异化的氮-水管理提供了可靠的分析基础。

章节摘要

研究区域

在中国，玉米种植面积约4400万公顷，生产主要集中在北方地区。2020年玉米种植的空间分布数据来源于中山大学全球变化与陆地生态系统建模研究团队开发的30米分辨率数据集（图1）（Peng等，2023）。根据生长季特征和地理遥感生态数据……

模型验证

图2比较了中国108个田间站点的玉米产量、N₂O排放和氮素淋溶的模拟值与观测值。模型较好地再现了玉米产量和氮素淋溶，R²值分别为0.90和0.87。对于产量，回归方程为y = 0.86x + 0.68，平均偏差（MBE）为0.36 t ha^?1，平均绝对误差（MAE）为0.79 t ha^?1，均方根误差（RMSE）为1.15 t ha^?1。对于氮素淋溶，拟合关系为y = 0.89x + 3.33，MBE为?0.21 kg N ha^?1，MAE为5.41 kg N ha^?1，以及……

平衡农业、经济与环境目标下推荐的氮肥和灌溉策略

本研究提出了一个全国尺度的空间显式框架，用于在环境经济效益（EEB）目标下评估中国玉米系统中氮素和灌溉管理的协同优化。通过整合作物生产力、氮素损失、温室气体排放及其相关的环境成本，该框架拓展了以往主要强调产量最大化、经济回报或局限于单一区域的分析的优化研究。

结论

本研究开发了一个全国尺度的空间显式框架，以应对中国通过时空管理优化在提高玉米生产力的同时保持环境经济效益的挑战。该框架有效地评估了中国不同氮肥施用水平和灌溉制度下的产量、N₂O排放、氮素淋溶和温室气体排放。结果表明，适度的氮素投入，一般在……

CRediT作者贡献声明

Yu Ye：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，形式化分析，数据整理，概念构思。 Xingrui Liu：撰写——审阅与编辑，软件，形式化分析。 Yuanyuan Chen：撰写——审阅与编辑，形式化分析。 Shuzhu Shi：撰写——审阅与编辑，形式化分析。 Zhaocong Wu：撰写——审阅与编辑，形式化分析。 Kaiping Zhang：撰写——审阅与编辑，方法论，形式化分析。 Rui Xiao：撰写——审阅与编辑，软件，资源……

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Rui Xiao报告获得了国家自然科学基金国际合作项目（资助编号 42361144861）的财务支持。Rui Xiao报告获得了国家自然科学基金（资助编号 42371299）的财务支持。Rui Xiao报告获得了自然科学基金创新

Yu Ye|Xingrui Liu|Yuanyuan Chen|Shuzhu Shi|Zhaocong Wu|Kaiping Zhang|Rui Xiao