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研究人员针对农业生产挑战，开展水 - 氮 - 碳关联研究，优化资源利用，为可持续农业提供决策支持。
### 研究背景：农业生产面临的挑战与机遇
在全球人口不断增长的大背景下，粮食需求持续攀升，然而农业生产却面临着诸多严峻挑战。水短缺问题日益突出，许多地区的农业灌溉用水受到限制；能源危机也对农业生产的各个环节产生了影响，从农机使用到农资生产，成本不断增加；与此同时，气候的变化更是给农业带来了不确定性，极端天气频繁出现，影响作物生长和产量。
传统的农业生产模式高度依赖水资源和氮肥，在大量使用水资源进行灌溉的同时，过量的氮肥投入不仅造成资源浪费，还引发了一系列环境问题，如水体富营养化、土壤板结等。而且，传统模式往往忽视了秸秆等农业废弃物的潜在价值，秸秆通常被当作垃圾焚烧或随意丢弃，这不仅造成资源浪费，还会产生大量温室气体（GHG），加剧环境污染。据统计，农业生产分别贡献了全球 13% 的温室气体排放和 40% 的废弃物 。
为了应对这些挑战，实现农业的可持续发展，探索创新的农业生态模式迫在眉睫。在这样的背景下，研究水、氮、碳之间的关系，优化农业资源利用，成为了推动农业绿色高效发展的关键。
研究概况：东北农业大学的探索之旅
东北农业大学的研究人员聚焦于番茄 - 玉米 - 大豆农田生态系统，针对当前农业生产面临的问题，开展了一项极具意义的研究。他们旨在通过管理水 - 氮 - 碳关系，实现对水、氮和秸秆资源的绿色高效调控，进而为可持续农业发展提供有力的理论支持和决策依据。该研究成果发表在《iScience》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过田间实验，在 2021 - 2022 年于哈尔滨的现代农业高科技示范园进行试验，设置不同的灌溉、氮素和添加剂（生物炭和秸秆）水平，以研究其对农业生态系统的影响。其次，构建了多目标随机规划模型，将净经济收益（NEB）、总综合质量（TCQ）、水足迹（WF）和碳足迹（CF）纳入其中，综合考虑系统中各因素的相互作用，优化农业资源配置。此外，运用结构方程模型（SEM）和 Mantel 检验等方法，分析水、氮应用与各指标之间的直接和间接影响，以及秸秆分配方案与农业生态系统之间的关系。
研究结果：资源优化的显著成效
- 优化模型性能：研究人员将不同作物的产量转换为番茄的 “等效” 产量进行比较，发现作物在不同生育阶段对水的敏感性不同。例如，番茄产量受结果和开花阶段影响较大，玉米受抽雄和拔节阶段影响大，大豆在开花阶段对水最为敏感。通过构建的多目标优化调控模型模拟发现，模拟值与测量值显著相关（R2：0.955 - 0.985；nRMSE：2.24 - 5.94%；WCI：0.71 - 0.92；p<0.05），表明该模型能准确优化不同处理下的产量、NEB、TCQ、WF、CF 和生物量。
- 水和氮资源的优化配置：在不同水文年情景下，研究人员对农田生态系统的水和氮资源进行优化配置。结果显示，不同水文年中番茄的灌溉量差异不显著，而玉米和大豆在干旱年份的灌溉量显著增加。在氮素应用方面，番茄在不同水文年的施氮量差异不大，玉米和大豆的施氮量在不同水文年变化显著。通过优化水和氮资源配置，经济效率和整体质量分别提高了 8.27 - 21.06% 和 4.06 - 7.63%，同时农田温室气体排放有效降低，作物 WF 减少 2.25 - 5.46%，CF 减少 3.37 - 13.82% 。
- 秸秆分配方案的影响：不同的秸秆利用方案对农业生态系统中水和氮资源的优化配置有不同影响。以 NEB 为例，不同处理的 NEB 在不同情景下有所不同，当优先考虑秸秆发电情景（Sw4）时，丰水年I2 N2处理的优化值最接近最佳优化值；当优先考虑秸秆销售情景（Sw5）时，干旱年I3 N2处理的优化值与最佳优化值相差最远。此外，研究还发现，当增加秸秆还田（Sw2）和生物炭制备（Sw3）的权重时，系统的协调度显著提高，分别增加 1.41 - 7.24% 和 2.21 - 9.62% 。
- 农田水和肥料管理的影响：结构方程模型（SEM）分析表明，平衡的水和氮应用与生物量、产量和 TCQ 呈显著正相关，与 WF 和 CF 呈显著负相关。秸秆和生物炭的应用与 NEB、TCQ 和 CF 呈显著正相关，与 WF 呈负相关。Mantel 检验显示，秸秆还田、秸秆发电和秸秆销售等回收阶段的选项受多种因素影响，生物炭制备方案也受到相应因素的显著影响 。
研究结论与意义：开启可持续农业新篇章
本研究构建了一个考虑不确定性的农田生态系统资源分配多目标非线性规划模型，定量分析了水 - 氮 - 碳系统与经济、资源、环境维度之间的相互作用。该模型整合了系统初始和回收阶段水、氮肥和秸秆资源的优化配置，平衡了经济、资源和环境目标之间的竞争关系。
研究得出的主要结论具有重要意义。一方面，合理优化不同水文年的水和氮资源，能够有效避免降雨对作物关键生育期生产的影响，保障作物产量；另一方面，在番茄 - 玉米 - 大豆生态系统中，特定的水和氮使用量下，处理的水和碳足迹显著降低，经济收益和整体质量得到提高。此外，增加秸秆还田和生物炭制备的权重，能够提升系统的协调水平。
该研究为农业可持续发展提供了新的思路和方法。其创新的模型框架为农业水、氮肥和秸秆资源的可持续管理提供了有效工具，量化了水和氮资源与系统综合质量的关系，为资源分配提供了合理决策方案。不过，该研究也存在一定局限性，如实验仅在特定生态系统中进行，模型可能无法完全反映现实世界的复杂性等。未来的研究可以在此基础上进一步拓展，为农业的可持续发展注入更多活力。
