《Field Crops Research》：Management options to reduce nitrogen surplus in potato production in the Netherlands; a modelling approach
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本研究针对马铃薯生产中因氮肥过量施用导致的氮盈余及环境问题，探索了基于作物生长模型（WOFOST）的氮管理优化策略。研究人员校准并验证了WOFOST模型在马铃薯氮限制生长下的模拟能力，并利用该模型分析了三种管理方案：1）缩小效率产量差；2）在不造成减产或土壤贫化的前提下减少氮输入；3）在不造成土壤贫化的前提下，以水限制产量的90%为目标。结果显示，优化管理后氮盈余中位数可降至接近或低于EUNEP建议的阈值（沙土50 kg N ha-1，黏土125 kg N ha-1），为荷兰马铃薯生产的可持续氮管理提供了科学依据。
氮元素是作物生产的关键养分。在荷兰，由于氮肥施用的成本相对较低，而缺氮可能导致显著的经济损失，农民有时会施用超出作物实际需求的氮肥。然而，过量施用的氮若未被作物吸收，便会流失到环境中，带来一系列负面环境后果，包括降低植物生物多样性、因氮径流导致地表水富营养化、地下水污染、因氧化亚氮（N2O）排放加剧全球变暖，以及造成局部空气污染。衡量氮肥过量施用的一项重要指标是氮盈余，即施用的总氮量（“氮输入”）与可收获产品中氮含量（“氮输出”）之间的差值。为了评估和优化氮肥管理策略，减少氮盈余而不造成减产或土壤贫化，作物生长模型成为了有力的工具。
本篇发表于《Field Crops Research》的研究论文，旨在为荷兰马铃薯生产寻找降低氮盈余的可行管理方案。研究人员首先校准并验证了广泛使用的作物生长模型WOFOST，使其能够准确模拟马铃薯在氮限制条件下的生长状况。随后，他们利用校准后的模型，对来自荷兰94个马铃薯田块的实地数据进行了分析，探索了三种不同的氮管理优化方案。研究发现，仅缩小效率产量差并不足以在超过半数的田块上同时避免土壤贫化和氮盈余超标。然而，通过调整氮输入水平，在黏土上有可能在不造成土壤贫化的前提下维持现有产量或实现90%的水限制产量。尽管这些管理方案也能显著降低沙土上马铃薯的氮盈余，但其氮盈余值仍略高于推荐阈值。这项研究不仅证实了WOFOST模型在评估马铃薯氮肥管理方面的适用性，也为实现环境友好型马铃薯生产提供了具体的、基于模型的决策支持。
为了开展这项研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：1）WOFOST作物生长模型模拟：使用PCSE WOFOST 8.1版本，该版本集成了土壤氮模块（SNOMIN）和分层的土壤水分模块（WATFDGW），能够模拟水氮共同限制下的作物生长、氮吸收和土壤氮动态。2）模型校准与验证：基于在两个地点、两个生长季、五个品种、结合两种灌溉和三种氮肥处理的马铃薯试验数据集，对WOFOST模型进行校准和评估，并进一步在94个荷兰农民田块数据上进行验证。3）管理方案分析与情景模拟：通过模拟不同施肥量下的作物响应，拟合氮输入-产出曲线，系统评估了三种管理方案（缩小效率产量差、优化氮输入、以90%水限制产量为目标）对氮盈余、产量和氮利用率（NUE）的影响。所有分析均基于荷兰农民田块的实测数据。
2.2.2. 作物参数和其他模型输入数据
WOFOST需要作物和品种参数、土壤与站点数据以及每日天气数据作为输入。本研究详细描述了如何确定各种作物和品种参数，以及如何获取土壤和站点数据。
2.2.3. 模型评估
通过计算平均偏差误差（MBE）、均方根误差（RMSE）和决定系数（r2），比较了试验数据集中块茎干重、地上部与块茎总干重、叶面积指数（LAI）、叶片氮量和块茎氮量的实测值与模拟值，以评估模型性能。
3.1. 基于试验数据集的模型评估
经过校准，WOFOST能够很好地再现块茎干物质生产、分配以及块茎氮含量。模型参数A0SOM（土壤有机质初始表观年龄）和RNUPTAKEMAX（最大日氮吸收速率）的重新估算是提高模拟精度的关键。校准后的模型在模拟不同品种和氮肥处理下的生长表现良好，尽管对叶片氮量存在一定低估。
3.2. 基于农民田块数据集的模型评估
使用校准后的模型模拟94个农民田块的马铃薯生长。模型总体上能充分再现整个生长季的块茎干物质生产，模拟与实测值具有较好的相关性，特别是在2021年数据上表现更佳。模型通常高估最终产量，这符合预期，因为模型未考虑病虫害等减产因素。
3.3. 管理方案分析
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基线情况：农民田块的氮盈余中位数远高于Ros等人（2023）提出的环境阈值（沙土50 kg N ha-1，黏土125 kg N ha-1）。
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方案1（缩小效率产量差）：在不改变氮肥用量的前提下，将产量提升至水氮限制下的潜在水平。这显著提高了产量并降低了氮盈余中位数，但导致了部分田块出现负氮盈余（即土壤贫化），且仍有部分田块氮盈余超标。
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方案2（优化氮输入）：减少氮肥用量，直至进一步减少将导致减产或氮利用率（NUE）超过0.9（土壤贫化风险）。该方案大幅降低了氮输入和氮盈余，在黏土上几乎所有田块的氮盈余都能低于阈值，但在沙土上氮盈余中位数仍略高于阈值。
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方案3（以90%水限制产量为目标）：在优化其他管理措施达到90%水限制产量的同时，调整氮输入以避免土壤贫化。其结果与方案2几乎完全相同，表明达到NUE=0.9所需的氮输入通常也足以实现90%的水限制产量。
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优化灌溉的影响：模拟理想灌溉条件（无水胁迫）时，各管理方案的产量普遍提高，产量变幅缩小。对Fontane（沙土）的氮盈余略有影响，对Innovator（黏土）的氮盈余影响很小。
4.3. 降低氮盈余的有效策略
本研究表明，单纯提高生产效率（方案1）不足以解决氮盈余和土壤贫化问题。而通过基于模型的精准调整氮肥用量（方案2和3），可以在不大幅减产或引发土壤贫化的前提下，显著降低氮盈余，使其接近或达到环境安全阈值。特别是在黏土上，实现这一目标的可能性很高。尽管在沙土上实施这些方案后氮盈余仍略高于阈值，但降低幅度非常显著。这项研究验证了WOFOST模型作为评估和优化马铃薯氮肥管理工具的实用性，为制定减少氮损失、促进农业可持续发展的具体管理措施提供了科学框架和定量依据。研究同时指出，未来模型的改进可考虑纳入毛细管上升水等过程，并建议在已知土壤初始氮量和全生育期氮吸收分配的数据集上进一步校准模型参数，以提升模拟精度。
