《Agricultural Systems》：Dietary transitions and manure recycling could halve nitrogen pollution from grain crops in China
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氮污染防控与粮食生产协同优化研究：基于中国多区域田间试验的粪肥替代效应与空间匹配分析，提出1-10%梯度化肥减量与粪肥替代的协同管理策略，在保持玉米、小麦、水稻产量稳定（波动<5%）前提下，实现氮减排18.8%-27.2%，综合效益提升29.9%-39.7%，并通过跨省粪氮供需匹配分析，发现全国仅9省需调运2.34 Tg粪氮，验证了饮食转型与施肥管理协同的可行性。
李彦良|孙慧航|李月蕾|李伟佳|谢志磊|邹亚楠|李翔|左伟|田宇|李丽萍
哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与环境国家重点实验室，中国哈尔滨150090
摘要
背景
优化粪肥施用和减少化学肥料投入是同时维持粮食生产和减轻氮污染的关键途径。然而，肥料管理对不同土壤、气候和种植系统中的作物产量及活性氮（Nr）排放的调控作用尚未得到充分评估。
目标
本研究量化了减少肥料使用和替代粪肥对作物产量、氮排放以及综合经济环境效益的影响，并确定了主要粮食作物的最佳施肥策略。
方法
我们综合了中国多个地区二十年的田间观测数据，利用随机森林模型估算了肥料管理对玉米、小麦和水稻的影响（分辨率1公里）。同时开发了一个诊断框架，以识别协同的肥料管理途径。
结果与结论
在产量-污染-效益协同优化的情况下，作物产量保持稳定（变化小于5%），而氮排放量减少了18.8%–27.2%，综合效益提高了29.9%–39.7%。将饮食结构转变与肥料管理相结合后，总氮排放量进一步减少了54.8%，释放了34.6%的耕地。空间匹配分析表明，全国范围内的粪肥资源总体充足，仅有9个省份需要跨省调配2.34太克的粪肥氮。
意义
本研究提供了一个空间明确的、数据驱动的框架，用于指导粪肥回收和肥料优化，为在中国维持粮食生产的同时减少氮污染提供了实际可行的途径。
引言
玉米、小麦和水稻是确保国家粮食安全的三大主要作物（Lv等人，2023年）。为了满足不断增长的粮食需求，农业生产中合成氮肥的施用量迅速增加（Lu和Tian，2017年）。然而，过度施肥常常超过作物的吸收能力，超过一半的施用氮以NH?、N?O和硝酸盐的形式流失，加剧了活性氮（Nr）污染（Liu等人，2024年）。畜禽粪肥是重要的有机氮来源，合理利用可以有效减少农田中的氮损失；但其回收率仍低于50%（Bai等人，2016年）。近年来，中国政府实施了多项政策，旨在促进肥料使用量的减少和粪肥资源的有效回收（Zhang等人，2020a）。然而，粪肥施用的效果受到土壤性质、气候条件、施肥量和作物类型等多种因素的影响，导致不同地区和作物之间的减排效益存在显著差异（Cui等人，2018年）。因此，基于实际表现制定有针对性的粪肥施用策略对于有效实施粪肥回收政策至关重要。
以往的研究通过元分析评估了粪肥替代对作物产量和氮排放的影响（Li等人，2021年；Xia等人，2017年；Yao等人，2024年），并探讨了土壤性质、气候条件和肥料管理等因素的影响（Ren等人，2023年；Xu等人，2022年）。然而，在不同环境条件下粪肥替代的调控机制仍不甚明了，特别是土壤性质、气候条件、作物类型和施肥水平之间的相互作用对响应模式的影响。此外，微观层面的理解有限，限制了区域或国家层面的研究，大多数研究集中在粪肥回收潜力（Devault等人，2024年）和养分空间匹配（Kang等人，2024年；Sun等人，2025年）上。相比之下，系统量化粪肥替代在实际应用中的总体效益仍然不足，难以支持差异化管理策略的制定。
考虑到粪肥替代对作物产量和氮排放的双重影响，优化粪肥管理至关重要。粪肥替代通常具有双向效应，需要在提高产量和减少排放之间取得平衡（Xu等人，2024b；Zhang等人，2020b）。例如，高水平的粪肥替代可以显著减少氮排放，但也可能抑制作物生长（Xu等人，2022年）。此外，总氮施用量是调节产量与排放之间权衡的关键因素，适当的减少和结构优化可以实现协同效益（Yin等人，2025年）。因此，迫切需要在全国范围内系统评估肥料减少和粪肥替代的效果，以确定针对特定作物的最佳施肥策略，同时提高作物产量和改善氮污染控制。
本研究创新性地提出了一种优化施肥路径的诊断方法，旨在探索中国主要粮食作物的最佳施肥方案，促进肥料减少和粪肥回收，从而实现粮食安全和氮减排目标的同步实现。我们整理了过去二十年间的3311个田间观测数据，重点研究了粪肥施用对玉米、小麦和水稻产量的影响，以及四种主要氮排放途径（NH?、N?O、淋溶和径流）。从作物类型和污染途径的双重角度，系统地分析了粪肥替代的产量效益和减排效果。通过将元分析与随机森林模型相结合，我们在全国范围内以1公里网格分辨率模拟了肥料减少和粪肥替代（每10%一个区间）对作物产量、氮排放和综合效益的影响。基于这些模拟结果，我们制定了一种兼顾生产、环境和经济目标的优化施肥方案，并据此制定了针对特定作物的最佳施肥策略。此外，我们将饮食结构转变与优化施肥相结合，形成了源减少（饮食转变）和末端控制（肥料管理）的综合策略，从而评估了三大主要粮食作物的氮减排和耕地释放潜力。最后，通过粪肥资源与作物养分需求的空间匹配分析，在最小运输距离限制下确定了跨省粪肥调配途径，揭示了跨区域的回收潜力，并为食品系统的可持续氮管理框架的制定提供了决策支持。
数据来源
本研究使用了食品消费量、畜禽数量（国家统计局，2025年）、作物分布（Dong等人，2024年；Pan等人，2021年；Peng等人，2023年；Shen等人，2023年）、氮肥施用量（Adalibieke等人，2023年）、土壤性质（刘峰，2021年）、历史气候记录以及2050年SSP245情景下的气候预测（Hu等人，2025年）以及人口预测（Kriegler等人，2014年）的数据。与以往的研究一致，我们假设在2020年...
粪肥替代效果
基于过去二十年间1232对田间观测数据的元分析，本研究系统评估了粪肥替代对玉米、小麦和水稻产量的影响，以及作物生产过程中氮排放（包括NH?、N?O、淋溶和径流）的影响（图1b–f）。产量和氮排放的响应通过lnRR进行量化，正值表示促进作用，负值表示抑制作用。
讨论
将畜禽粪肥回用于农田已被广泛认为是减少化学肥料依赖、减轻农业氮污染和提高作物产量的有效方法（Xu等人，2022年；Yin等人，2025年）。在本研究中，我们整理了过去二十年间的3284个田间观测数据，首次系统评估了粪肥替代对三种主要粮食作物（玉米、小麦和水稻）产量的影响...
结论
本研究结合元分析和机器学习，模拟了肥料减少10%和粪肥替代10%对中国三大主要粮食作物产量、氮排放和综合效益的影响（分辨率1公里）。我们进一步开发了一种创新的诊断方法，用于识别平衡产量、环境和经济目标的最佳施肥策略。
CRediT作者贡献声明
李彦良：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件、资源、方法论、形式分析、数据管理、概念化。
孙慧航：撰写 – 审稿与编辑、方法论、形式分析、概念化。
李月蕾：方法论、概念化。
李伟佳：软件、形式分析。
谢志磊：资源、资金获取。
邹亚楠：资源、数据管理。
李翔：资源、形式分析、数据管理。
左伟：资金获取、形式...
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究得到了城市与农村水资源和水环境国家重点实验室的开放项目（QAK202405）、国家自然科学基金（52341001）和国家重点研发计划（2023YFC3902800）的支持。
