通过优化管理策略，对氧化亚氮减排及作物产量提升的全球评估

采用机器学习方法评估水稻、小麦和玉米的优化管理实践对氮氧化物（N?O）减排及作物增产的全球影响，发现优化措施可降低13%-28%的N?O排放，同时提升2.4%-5.9%的产量，相当于年减排0.32 Tg氮并增加78.2 Mt的产量增益，为农业可持续发展提供新路径。

　　

王冲|高振振|史晓宇|罗宁

中国科学院地理科学与自然资源研究所陆地表面格局与模拟重点实验室，北京100101，中国

摘要

为了支持人类福祉和减缓气候变化，人们正在不断优化能够减少一氧化二氮（N₂O）排放同时提高作物生产力的农艺管理措施。然而，这些优化管理措施对特定作物产量提升和N₂O减排的具体空间效益仍不明确。在此，我们采用机器学习方法，对汇总的田间测量数据进行了分析，以估算水稻、小麦和玉米的粮食生产效益及N₂O减排潜力的空间分布。全球评估显示，与常规管理措施相比，优化管理措施使三种作物的N₂O排放量降低了15.8–28.2%，产量增加了2.4–5.9%。相应的，这些改进带来的粮食生产效益为78.2百万吨/年（78.2 Mt yr^-1），N₂O减排潜力为0.32太克氮/年（0.32 Tg N yr^-1）。我们的研究结果强调了采用针对特定作物种类的优化策略对于维护粮食安全和环境可持续性的重要性。

引言

一氧化二氮（N₂O）是一种强效的温室气体，也是最重要的臭氧消耗物质（Thompson等人，2019年）。减少N₂O排放对于实现气候目标和防止平流层臭氧层破坏至关重要（Clark等人，2020年；Ravishankara等人，2009年）。农业活动约占全球人为N₂O排放总量的52%（IPCC，2021年）。值得注意的是，三种主要粮食作物（水稻、小麦和玉米）的N₂O排放量占作物相关N₂O排放总量的约76%（FAOSTAT，2021年）。这三种主要粮食作物还提供了全球42%的热量摄入和37%的蛋白质需求（FAO，2016年）。在满足迅速增长的全球粮食需求的同时减少N₂O排放，对农业的可持续发展提出了严峻挑战（Dimkpa等人，2024年；Halpern等人，2022年）。采用优化管理措施成为解决这些粮食与环境问题的一个高潜力方案，为提高农业生产力和环境可持续性提供了有效途径。

农业系统中的优化管理措施包括一系列基于科学的策略，包括但不限于养分管理、土壤管理和土壤改良（Xiao等人，2024年；You等人，2023年；Zickfeld等人，2023年）。大量田间实验详细研究了优化管理措施对作物生长和N₂O排放的综合影响。合理的肥料施用可以改善植物对养分的吸收，同时将氮素损失降到最低，从而减少农业投入的生态影响（Zhang等人，2023a）。保护性耕作通过改变土壤水文条件和微生物活动来调节N₂O排放，但可能会带来产量损失的风险（Lyu等人，2024年）。土壤改良措施（如添加生物炭）不仅通过提高土壤肥力来增加作物产量，还调节生物地球化学过程，从而影响N₂O排放（Zhang等人，2023b）。关于不同管理措施效果的各种研究结果正在通过大规模的元分析得到进一步整合（Li等人，2023a；Elrys等人，2023年；Xia等人，2023年）。现有研究主要集中在量化作物产量和N₂O排放的规模、制定有效策略以及理解其机制和控制因素上。然而，由于数据限制、复杂模型算法和跨学科障碍等因素，很少有研究探讨N₂O减排潜力的全球空间分布。

驱动N₂O排放的复杂微生物和环境机制受到土壤-气候-管理相互作用的影响，难以准确建模。尽管如此，已有几种方法被用来预测N₂O排放的空间分布，包括基于过程的模型（Yang等人，2021年）、经验模型（Aliyu等人，2018年）、综合评估模型（Gu等人，2015年）、同位素模型（Harris等人，2022年）和机器学习模型（Pan等人，2021年）。在这些方法中，机器学习模型（尤其是随机森林模型）在处理大规模、高维度数据集方面表现出色，能够自动学习并提取相关特征，从而减少人为干预和主观偏见。它们捕捉非线性关系的能力提高了预测的准确性和稳健性。此外，随机森林模型能有效处理数据缺失和不确定性，提高模拟的可靠性。例如，Liu等人（2024年）使用随机森林模型通过改进水分和氮素管理来估算全球水稻田地的N₂O减排潜力。Yin等人（2022年）成功应用该模型预测了全球农田、林地和草地的N₂O排放。这些成功应用突显了随机森林模型在空间估算方面的潜力。尽管在预测空间模式方面效果显著，但确定全球范围内针对特定作物的N₂O减排热点及其相关的作物生产效益仍不清楚。

我们整理了一个全球数据库，其中包含来自458篇同行评审出版物的4882对观测数据，包括三种主要粮食作物的作物产量（kg ha^-1）、面积尺度N₂O排放量（kg N ha^-1——定义为每单位收获面积释放的N₂O量，相当于文章中通常报告的累积N₂O排放量）以及产量尺度N₂O排放量（kg N kg^-1——定义为每单位作物产量释放的N₂O量，通过面积尺度N₂O排放量与作物产量的比率计算得出）（图1）。利用这个数据库，我们进行了元分析，以评估不同优化管理措施在提高作物产量和减少N₂O排放方面的效果。随后，我们建立了两种不同的管理情景：照常管理（BAU）和集体优化管理措施（COMP），其中COMP情景将多种优化管理措施整合到一个模型衍生结构中，旨在代表理想条件下的管理优化上限潜力。然后，我们应用随机森林模型将汇总的田间观测数据扩展到全球网格层面，结合多个解释因素，量化BAU和COMP情景下作物产量和N₂O排放的空间分布。最后，我们探讨了COMP情景下相对于BAU的作物特定粮食生产效益和N₂O减排潜力，并进一步确定了全球热点区域。我们的研究强调了优化管理策略在促进粮食安全和环境可持续性方面的巨大潜力。

数据收集

数据收集

我们通过Web of Science（http://www.webofknowledge.com）和Google Scholar（http://scholar.google.com）搜索了2023年之前发表的关于优化管理措施对水稻、小麦和玉米的产量和N₂O排放影响的同行评审文献。搜索词包括（“rice” OR “wheat” OR “corn” OR “maize”）AND （“nitrous oxide” OR “N₂O”）AND （“nitrogen rate” OR “nitrogen input” OR “multiple fertilizer” OR “fertilizer times” OR

不同管理措施的效果

优化管理措施促进了作物产量的增加，尽管某些管理措施存在轻微的负面影响（图2a、d、g）。添加生物炭使水稻产量显著提高了9.1%（95%置信区间：3.8%至14.6%），小麦提高了10.2%（95%置信区间：5.1%至15.6%），玉米提高了4.8%（95%置信区间：1.3%至8.5%）。在控释肥料和改进的肥料施用方式下，水稻产量显著提高了6.8%（95%置信区间：3.1%至10.6%）。

讨论

面对全球气候变化和不断增长的粮食需求给农业系统带来的巨大挑战，优化农艺管理措施可以为实现农业和环境的双重效益提供一条有希望的途径。本研究探讨了多种优化管理措施对作物产量和N₂O排放的影响，并进一步评估了它们的全球空间分布。空间估算表明，优化管理措施可以实现双赢

结论

本研究调查了优化管理措施对水稻、小麦和玉米的产量和N₂O排放的影响，显示了它们在保障粮食安全和环境可持续性方面的潜在全球效益。我们的元分析未发现三种作物的产量有显著下降或N₂O排放有显著增加，尽管某些优化管理措施存在轻微的负面影响。利用数据驱动的方法，全球空间估算进一步

作者贡献声明

王冲：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、方法学、研究、资金获取、正式分析、概念化。高振振：可视化、研究。史晓宇：可视化、方法学、研究、正式分析。罗宁：方法学、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32472239）和中国博士后科学基金（编号：2024M760125）的资助。