使用GAM–NSGA-II方法量化微咸水灌溉条件下玉米生产和温室气体排放的多目标权衡

《Field Crops Research》：Quantifying multi-objective trade-offs in maize production and greenhouse gas emissions under brackish water irrigation using GAM–NSGA-II

本研究通过田间实验和决策导向模型，分析不同灌溉盐度对玉米产量、品质及温室气体排放的影响，揭示滴灌结合精准调湿可优化水盐平衡和减排效果，确定适宜盐度范围为1.10–1.87 g L?1。

　　

魏晨晨|王宇|池彦兵|杨佩玲|严成|李亚龙|史淼淼|徐宝坤|徐杨|安淼颖

中国武汉长江水利科学研究院农业水利部

摘要

咸水在和套灌区被越来越多地用于缓解水资源短缺问题，但长期使用可能会降低土壤质量并改变温室气体（GHG）的排放。本文结合田间实验和决策导向的建模框架，量化了灌溉盐度管理中的非线性响应和多目标权衡。具体来说，研究了在四种不同灌溉盐度水平（ECw = 1.1、2.0、3.5 和 5.0?g?L?1）下玉米的生长情况，并利用广义加性模型（GAMs）描述了 EC_w 与作物响应之间的关系，随后将这些模型整合到非支配排序遗传算法 II（NSGA-II）多目标优化中，以确定合理的灌溉盐度管理范围。结果表明，尽管玉米产量、籽粒质量和温室气体排放量对灌溉盐度的增加反应方向一致，但其响应幅度和稳定性存在差异：产量随盐度增加而持续下降，籽粒质量的变化较为温和，而温室气体排放量在低盐度范围内相对稳定，只有在高盐度条件下才会增加。通过将 GAMs 与 NSGA-II 多目标优化相结合，本研究确定了 1.10–1.87?g?L?1 的适宜灌溉盐度范围，在此范围内，产量、籽粒质量和环境性能可以保持相对平衡。这些发现强调了低盐度滴灌结合目标水分调节在实现节水、盐分控制和减排目标方面的潜力。

引言

和套灌区（HID）是中国西北部的主要粮食生产区，由于年降水量极低且蒸发量高，农业生产高度依赖灌溉（Dang et al., 2022）。由于黄河来水量减少导致的水资源短缺加剧了对替代灌溉水源的需求（Hou et al., 2025）。该地区地下浅层咸水资源丰富，被广泛视为潜在的灌溉补充来源（Dai et al., 2025）。先前的研究表明，将咸水与滴灌结合使用可以改变土壤湿度和盐度分布，在某些情况下还能减轻作物根区的盐分积累（Wei et al., 2021; Zhang et al., 2023）。然而也有研究指出，灌溉的农艺和环境效果对灌溉管理和盐度水平非常敏感（Dehghanisanij et al., 2025, Ma et al., 2023）。这些不确定性凸显了在现实田间条件下对咸水灌溉策略进行综合评估的必要性。

玉米是和套灌区的重要粮食作物，占该地区耕地的 30% 以上（Huang et al., 2022）。由于其较低的耐盐性，玉米在盐碱土壤中仍具有较高的产量潜力（Murad et al., 2018）。研究表明，灌溉盐度会显著影响作物生长和产量、改变籽粒品质特性以及与温室气体排放相关的土壤生物地球化学过程（Cao et al., 2023; Wei et al., 2024）。值得注意的是，这些响应的方向和幅度并不总是相同的。先前的研究显示，玉米能够耐受低至中等程度的盐度而不显著减产（Tong et al., 2012），而高盐度则会导致产量明显下降（Gao et al., 2023）。增加灌溉盐度不仅会影响玉米产量，还会影响籽粒品质。半干旱地区的田间实验表明，高盐度处理可以维持玉米产量（Li et al., 2024），同时显著提高籽粒蛋白质含量并降低淀粉含量（Li et al., 2019）。此外，证据表明盐度会改变与温室气体排放相关的土壤生物地球化学过程，高盐度通常会导致土壤 N?O 排放增加及相应的环境成本（Wei et al., 2021, Wei et al., 2018）。

尽管在适宜条件下咸水灌溉已被证明能影响作物产量和盐分平衡，但盐度的影响涉及多个过程和尺度，无法通过单一指标来全面反映（Rengasamy, 2010）。现有的关于玉米咸水灌溉的研究通常基于单一维度（如作物产量响应、土壤盐度平衡或环境指标）来确定可接受的盐度阈值（Li et al., 2019, Tong et al., 2012; Wang et al., 2023; Wei et al., 2021）。然而，仅依靠产量或任何单一指标都无法全面反映盐度胁迫下的系统表现，因为籽粒品质和环境响应可能呈现不同的甚至相反的趋势。因此，基于单一指标的阈值可能在实际田间条件下无法为灌溉管理提供全面指导，因为需要同时考虑多个农艺和环境目标。

因此，本研究进行了为期两年的田间实验，旨在：（1）评估灌溉盐度和灌溉管理对土壤物理化学性质的影响；（2）量化不同灌溉盐度下玉米产量、籽粒品质和温室气体排放的响应；（3）开发一个整合土壤性质、作物生产力、籽粒品质和环境性能的决策导向分析框架。研究结果旨在为半干旱农业区的水盐平衡评估和管理提供科学依据。

实验部分

田间实验

实验于 2017 至 2019 年在中国内蒙古自治区巴彦淖尔市曙光实验站（40°73′N，107°23′E，海拔 1039 米）进行（图 S1）。该实验站位于和套灌区中心，属于典型的干旱大陆性气候类型，年均降水量为 105.0 毫米，年蒸发量为 2306.5 毫米，年均气温为 7.8 ℃，年均相对湿度为 48.9%。

玉米产量

表 2 展示了 2017–2018 年不同处理下的玉米产量和产量指标。与对照处理相比，S1 处理的每穗玉米粒数和每行玉米粒数更多，但穗尖长度和百粒重较低。穗长、穗径和收获指数无显著差异（P?>?0.05）。然而，灌溉方式对春季生长有显著影响

盐度对玉米产量的影响

在相同的灌溉盐度条件下，滴灌在提高玉米产量和籽粒品质的同时，还能减少土壤温室气体排放（Dehghanisanij et al., 2025, Kumar Jha et al., 2019, Li et al., 2024）。这一优势归因于滴灌的“少量多次”供水方式，它减少了每次灌溉的水量并提高了灌溉频率

结论

基于连续两年的田间实验，本研究表明灌溉方式和灌溉盐度共同决定了玉米系统的农艺表现和环境结果，其中滴灌在测试的盐度范围内表现出更为协调的响应。在滴灌条件下，玉米产量随灌溉盐度的增加而持续下降，而籽粒品质的变化较小，温室气体排放量也相对稳定

作者贡献声明

严成：数据整理。杨佩玲：资源协调。池彦兵：初稿撰写及概念框架设计。徐杨：数据可视化。徐宝坤：数据整理。史淼淼：方法论设计。李亚龙：方法论设计。王宇：初稿撰写。魏晨晨：初稿撰写。安淼颖：概念框架设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中央公益研究院基本研究基金（CKSF20241030/NY、CKSF2023347/NY、CKSF2025531/NY）、武汉自然科学基金（2023020201020362）以及国家自然科学基金（51679239、42407104）的支持。