《Agricultural Water Management》：Reducing nitrogen use under optimal irrigation and planting date can sustain sugarcane yield and gross margin under climate change
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为解决甘蔗生产过度依赖氮肥导致成本高昂和环境氮流失严重的问题，研究人员结合APSIM-Sugarcane模型与27个全球气候模型(GCMs)，在澳大利亚新南威尔士州沿海地区开展了氮肥(N)、灌溉与种植日期协同优化的模拟研究。结果表明，在优化管理(50% PAWC灌溉和9月种植)下，未来气候中氮肥施用量可减少至60 kg ha?1(较当前减少40%)，仍能维持当前产量(101–127 t ha?1)与毛利润(2147–3122 AU$ ha?1)。这为在气候变化背景下实现甘蔗生产的经济与环境可持续性提供了实用策略。
甘蔗，这种为世界提供食糖和生物能源的重要经济作物，却有着一个甜蜜的烦恼：它对氮肥有着极高的依赖。为了追求高产，全球各地的种植者，尤其是在中国和印度，常常施用远超推荐标准的氮肥量。然而，这并没有带来成比例的增长，反而导致近一半的施用量白白流失，不仅增加了生产成本，更引发了严重的环境污染，例如对澳大利亚大堡礁的威胁。在全球变暖的背景下，一个关键的科学问题浮现：气候变暖本身预计会提升澳大利亚亚热带地区的甘蔗产量，那么，我们能否借助这种气候变化的“红利”，再结合优化的田间管理，实现氮肥的大幅减施，同时维持甚至提升未来的产量和经济效益呢？
为了回答这个问题，一篇发表在《Agricultural Water Management》上的研究给出了答案。该研究团队巧妙地运用了经过高精度验证的APSIM-Sugarcane模型（农业生产力系统模拟器-甘蔗模块），并结合了来自27个全球气候模型(GCMs)在两种共享社会经济路径（SSP2–4.5和SSP5–8.5）下的未来气候预测，对新南威尔士州北部沿海三个主要产区（Condong, Broadwater和Harwood）的甘蔗产量和毛利润对氮肥施用量(Nrate)、灌溉水平和种植日期的响应进行了系统模拟。这项研究的核心目标，就是要在未来气候变化的图景中，找到那个既能保护环境又能保障农民收益的氮肥施用“最低可行线”。
为开展此项研究，作者主要应用了以下关键技术方法：首先，利用经过严格验证（产量R2= 0.82，毛利润R2= 0.73）的APSIM-Sugarcane模型进行作物生长模拟。其次，整合了来自CMIP6计划的27个全球气候模型(GCMs)的未来气候数据，考虑了SSP2–4.5和SSP5–8.5两种排放情景，并应用统计降尺度方法将气候数据细化到研究站点。第三，设计了多因素管理情景，模拟了四种氮肥水平（40、60、80、100 kg N ha?1）、四种灌溉水平（雨养至70% PAWC）和六个种植日期（6月至11月）的多种组合。研究区域为澳大利亚新南威尔士州北部沿海的三个甘蔗主产区（Condong, Broadwater, Harwood）。最后，采用多元线性回归和偏R2分析，量化了气候因素（温度、降雨、太阳辐射、CO2浓度）和管理因素（灌溉量）对产量和毛利润变化的相对贡献。
1. 模型性能评价
研究首先验证了APSIM-Sugarcane模型在当地的可靠性。模型模拟的产量和毛利润与观测值高度吻合，R2分别达到0.82和0.73，证明了其作为评估未来气候-管理交互作用可靠工具的能力。
2. 未来气候预测
模型预测未来研究区域气温将持续升高，其中SSP5–8.5情景下升温更显著，至2080年代平均升温可达3.4°C。太阳辐射也将增加，但降雨量则呈现轻微下降趋势，且不同气候模型间的预测存在较大不确定性。
3. 甘蔗产量变化预测
研究表明，即使在当前管理措施（MPref，即雨养、9月种植、100 kg N ha?1）下，未来气候也会使甘蔗产量比历史基准增加7–24%。而当结合优化管理时，增产潜力更大。在所有氮肥水平下，最优产量（Yopt）均通过“50% PAWC灌溉 + 9月种植”的组合实现。然而，随着氮肥施用量从100 kg ha?1逐渐降低，产量增益也随之减少。
4. 毛利润变化预测
毛利润的变化趋势与产量基本一致。最优毛利润（GMopt）同样在“50% PAWC灌溉 + 9月种植”的组合下达到最高。随着氮肥用量的减少，毛利润的增幅也相应下降。
5. 氮肥减施下的最优产量与毛利润
这是研究的核心发现。通过分析在优化管理下不同氮肥水平所能维持的产量和毛利润，研究确定了能够在未来气候下同时维持当前产量和毛利润水平的“最低可行氮肥施用量”。结果显示，当氮肥用量降至80 kg ha?1时，产量和毛利润仍能全面超过历史基准。当进一步降至60 kg ha?1时，除了Broadwater在2040年代SSP245情景下产量略低于基准（差值小于1 t ha?1）外，其余情景下均能维持或超过基准水平。而40 kg ha?1的用量，则仅在2080年代SSP585情景下能维持两者。因此，60 kg N ha?1被确认为能够在未来多种气候情景下普遍维持产量和毛利润的最低氮肥施用量，这相当于在当前100 kg ha?1的基础上实现了40%的减施。
6. 量化气候与管理对产量和毛利润的影响
为了理解驱动上述变化的因素，研究通过多元线性回归进行了量化分析。在60 kg N ha?1的减施水平下，灌溉量（ΔIrr）是解释产量和毛利润变化的最主要因素，其偏R2值最高。在气候因子中，其影响力排序存在地域差异：在Condong，CO2浓度（ΔCO2）的贡献最大；而在Baseline气温较低的Broadwater和Harwood，温度（ΔT）的影响则更为突出。所有分析因素（温度、CO2、太阳辐射、灌溉）均对产量和毛利润有显著正向影响。
结论与讨论
本研究得出的核心结论是：在未来气候变化背景下，通过实施优化的灌溉管理（50% PAWC）和选择适宜的种植日期（9月），澳大利亚新南威尔士州沿海的甘蔗生产可以将氮肥施用量减少40%（至60 kg ha?1），同时维持现有的产量水平和农民的经济收益。这一“氮肥减施窗口”的存在，主要归功于未来气候变暖和CO2浓度升高带来的增产效应，以及优化灌溉对作物水分需求的保障。
研究的深刻意义在于，它首次综合评估了在气候变化情景下，通过协同优化灌溉和种植日期来大幅降低氮肥投入并维持甘蔗系统生产力的可行性。研究明确了灌溉是未来提升产量和利润的首要管理杠杆，其次是温度和CO2的正面效应。这为甘蔗种植者提供了清晰、实用的管理策略：即在9月种植，并辅以适度的补充灌溉（如50% PAWC），可以更有信心地减少氮肥使用。此举不仅能直接降低肥料成本和环境氮流失风险，响应政府（如澳大利亚减少大堡礁氮输入）的环保目标，还展示了如何将气候变化的潜在挑战转化为促进农业可持续发展的机遇。
当然，研究也指出了其局限性，例如未考虑病虫害等生物胁迫和极端天气事件的影响，以及管理选项的相对固定。未来的研究可以纳入更多元的农艺措施（如绿肥、秸秆覆盖等），以探索进一步降低氮肥需求的潜力，并构建更具韧性的低碳甘蔗生产体系。尽管如此，这项研究无疑为在气候变化时代协调农业生产、经济效益与环境保护，提供了一个强有力的科学依据和充满希望的技术路径。
