为缓解肥料使用、作物产量与氮氧化物（N?O）排放之间的全球性矛盾，需对氮肥投入方式进行适应气候变化的调整

《Environmental Impact Assessment Review》：Climate-adaptive restructuring of nitrogen inputs to mitigate global trade-offs among fertilizer use, crop yield, and N?O emissions

氮肥优化与气候适应性农业管理

　　

李继满|黄 Conghong|齐家国|Steve Pueppke|奚恒辉|丁雪|罗金玲|杜凤仪|寇丹|陶宇|欧伟新

南京农业大学土地管理学院，中国南京 210095

摘要

在气候变化背景下，通过减少氮（N）投入来实现更高的作物产量和更低的 N?O 排放是一个主要挑战。尽管以效率为导向的方法可以提高全球效益，但追求这种收益可能会在不同国家之间造成不均衡的氮投入调整负担。为了解决这个问题，我们开发了一个氮优化框架，该框架将各国不同的施肥需求纳入氮投入结构调整中。首先使用历史多源数据（1981–2021年）建立了一个模拟模型，用于预测 159 个国家在未来的气候情景（SSP2-RCP4.5 和 SSP5-RCP8.5）下的作物产量和 N?O 排放动态。然后将该模拟模型嵌入 NSGA-II 优化算法中，该算法考虑了各国的具体氮限制，并迭代调整了全球无机氮和有机氮的投入。如果继续目前的施肥做法，预计到 2100 年全球平均产量将下降 1171.51 kg ha?1，N?O 排放量将增加 51.18 kt。相比之下，优化后的策略使全球作物产量增加了 3.2%，N?O 排放量减少了 9.7%，氮投入减少了 8.4%。中国、印度和美国在氮管理改进方面需求最大，并且在优化后获得了最大的收益。全球氮生态效率效益提高了 11.7%。机制分析表明，氮使用结构及其与环境变量的相互作用通过不同的途径影响了作物产量和 N?O 排放响应，这支持了该框架的适用性。总体而言，结果表明，即使在氮投入调整的严格限制下，改进的氮管理也可以带来适度的产量增加和更大的环境效益。

引言

全球气候变化导致平均气温上升和极端天气事件频率增加，威胁到全球农业生产（IPCC，2023；Rezaei 等，2023；Yao 等，2024）。同时，不断增长的全球食品需求继续推动高水平的氮（N）肥料施用（Hasegawa 等，2021；Van Dijk 等，2021）。氮肥料是重要的农业投入，支撑着近一半全球人口的食品生产。然而，集约化的氮投入也带来了严重的环境后果，包括水体富营养化、土壤酸化和气候变暖（Foley 等，2011；Reay 等，2012；Shcherbak 等，2014）。全球每年施用的氮肥料超过 1.2 亿吨，而其中一半以上流失到环境中（Zhang 等，2015）。这种低效率导致农业氮使用超出了地球的安全操作范围，从而增加了可持续性风险（Steffen 等，2015；Rockstr?m 等，2023；Tian 等，2020）。因此，在减少总氮投入的同时提高作物产量已成为气候适应性农业的核心要求。

一种广泛采用的方法是通过调整无机氮和有机氮之间的平衡来重新调整氮投入（Yin 等，2025；Bodirsky 等，2014）。无机氮和有机氮与气候条件的相互作用不同，这影响了作物产量响应和氮损失途径（Xu 等，2021；Ren 等，2023；Shi 等，2023）。有机氮通常与较低的氮损失相关，因为其矿化速度较慢，而在寒冷或干燥的环境中，其对作物生长的贡献往往有限（Elrys 等，2021）。相比之下，无机氮能快速提供养分并促进作物生长，但其高可用性也伴随着氮损失的增加（Huang 等，2024；Martre 等，2024；Du 等，2024）。在温暖和潮湿的条件下，高无机氮可用性会加速硝化和反硝化过程，导致更高的 N?O 排放，这是导致气候变暖的主要活性氮通量（Hei 等，2023；Ma 等，2022；Shcherbak 等，2014）。这些差异表明，对总氮投入和氮使用结构的气候敏感调整可能为改善生产-环境权衡创造机会。

现有研究通过实验、基于情景和优化方法来研究肥料管理。大多数当前的研究是在微观尺度上进行的，特别是通过田间实验（Wang 等，2024；Tao 等，2024）。这些研究提供了有价值的机制见解，但由于气候、土壤特性和种植系统的强异质性，其可扩展性有限（Cai 等，2025）。预计在未来的气候变化下，这些限制将更加明显，这可能会放大空间变异性并改变对氮投入的生物物理响应（IPCC，2021）。基于情景的建模研究通常在未来的气候预测下评估预定义的肥料策略（Gao 等，2025；Cui 等，2025）。虽然这些开环设计有助于比较，但它们只评估了有限的一组可能的调整组合，因此没有系统地探索可行的决策空间。因此，可能更有效的氮管理配置仍然未被发现（Chen 等，2021）。其他研究应用了多目标优化技术，如线性规划或遗传算法，这些方法提供了更大的灵活性（Smerald 等，2023）。然而，这些实现通常依赖于简化的目标公式和低维设置，限制了它们在全球范围内表示肥料实践与气候变异性之间非线性相互作用的能力。

此外，在现实世界的农业系统中，国家层面的肥料使用不能随意改变（Cui 等，2018）。肥料供应链、种植结构和生产系统带来了惯性，限制了可行的短期到中期调整的幅度（Tilman 等，2002）。忽略这种有界的调整范围可能导致理论上有效但在实践中不可行的配置（Ringius 等，2002）。然而，全球氮优化研究在探索替代肥料配置时很少纳入明确的国家层面调整界限（Zhang 等，2015；Penuelas 等，2023）。因此，当明确表示非线性气候-肥料相互作用并同时施加国家调整界限时，全球氮使用调整的效率前沿结构仍不确定。特别是，关于在不同国家之间受限的氮投入结构调整是否可以同时改善总体产量和环境结果的知识有限。因此，需要系统地探索有界的全球决策空间，以表征可行的效率改进。

为了解决这一差距，本研究开发了一个多目标优化框架，以系统地描述在未来的气候情景下全球氮使用调整的受限效率前沿（图 1）。与预定义的情景评估不同，该框架明确搜索了总氮投入和氮使用结构的有界国家决策空间，同时捕捉肥料实践与气候变异性之间的非线性相互作用。在这个框架内，研究了在定义的国家调整界限下可实现的效率改进范围，并评估了它们的总体和区域影响。研究了三个问题：（1）在未来的气候情景下，是否存在既能减少肥料使用、提高作物产量又能降低 N?O 排放的氮投入配置？（2）在这样的配置下可以实现多大的全球总体效率收益？（3）不同地区的优化轨迹和相关效益有何差异？

部分摘录

数据来源和处理

本研究使用的数据主要来自联合国粮食及农业组织（FAOSTAT）的在线统计数据库（http://www.fao.org/statistics/databases/en/）。1981–2021 年期间，FAOSTAT 提供了国家级有机氮和无机氮使用数据（t）。具体来说，“肥料按养分”领域提供了每年施用的化学（无机）氮的数量，而“牲畜粪便”领域提供了有机氮投入的估计值

肥料使用和排放的时间和空间变异性

从 1981 年到 2021 年，全球无机氮和有机氮的投入显著增加，但趋势因地区和国家而异（图 3a-b）。非洲的无机氮使用量急剧增加，总体增加了约 206%，而欧洲是唯一一个下降的大陆（-8.7%）。相比之下，有机氮使用量增长最显著的是大洋洲（766.1%），而欧洲的增长最小（15.9%）。在国家层面，贝宁的增长最高

全球氮使用优化策略的区域异质性

根据之前的全球建模评估，预计到 2100 年，全球农业将面临产量下降和氮污染加剧的双重威胁（J?germeyr 等，2021）。我们的预测与现有发现一致，即气候变化可能会降低生产力，同时加剧许多地区的活性氮损失（Alizadeh 等，2020；Xu 等，2020）。然而，气候负担在各地区的分布并不均匀。

结论

本研究显示，在当前的氮投入实践下，到本世纪中叶和末期，全球农业将面临谷物产量下降和 N?O 排放增加的问题，且存在明显的区域异质性。相比之下，优化结果表明，在未来的气候情景下，考虑各国特定氮需求的全球协调氮投入策略与改进的产量和环境结果相关。在全球范围内，在指定的条件下，帕累托最优配置

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42271106、42271304、41971230）的支持。