Многокритериальная пространственная оптимизация норм удобрений обеспечивает устойчивое производство зерна на юго-западе Китая

Кормить людей, не нанося вреда земле

По мере роста населения мира фермеры испытывают давление выращивать больше продовольствия, но бесконтрольное наращивание применения химических удобрений приводит к загрязнению рек, потеплению климата и напрасным тратам. В этом исследовании рассматривается крупный район производства зерна на юго-западе Китая и ставится важный вопрос: можно ли перераспределить применение удобрений по местам и полям так, чтобы фермеры получали достаточные урожаи риса, кукурузы и пшеницы, одновременно сокращая загрязнение и ненужные расходы?

Почему удобрения иногда становятся лишними

Химические удобрения — в основном азот, фосфор и калий — способствовали бурному росту мирового сельского хозяйства. Но во многих местах, особенно в Китае, их теперь применяют в избытке. Лишний азот стекает в реки, просачивается в грунтовые воды и испаряется в виде парниковых газов. Накопление фосфора может вызывать цветение водорослей, лишающее рыбу кислорода, тогда как дефицит калия незаметно ограничивает рост растений. Бассейн Сычуань, плодородная «рисовая чаша», окружённая горами, — яркий пример: здесь фермеры вносят более 300 килограммов удобрений на гектар, что значительно выше средних мировых показателей и создаёт нагрузку на верхнюю часть реки Янцзы и местные экосистемы.

Использование данных и алгоритмов для картирования реальных потребностей полей

Чтобы уйти от единого рецепта по удобрениям, исследователи собрали десятилетние детальные данные: десятки тысяч образцов почвы, опросы фермеров о внесении удобрений и более 2000 контролируемых полевых испытаний, где участки получали точные комбинации азота, фосфора и калия. Они совместили эти данные со спутниковыми изображениями и метеозаписями, а затем обучили метод машинного обучения, называемый случайным лесом, предсказывать урожай с удобрениями и без них на тонкой пространственной сетке по всему региону. Это позволило оценить, какая доля урожая каждого вида культуры объясняется природными качествами почвы и климата, а какая — добавленными удобрениями.

Неравномерно и несбалансированно: где избыток, а где нехватка питательных веществ

Карты выявили наглядную картину. С 2009 по 2019 годы средние урожаи риса, кукурузы и пшеницы немного выросли, хотя применение удобрений сократилось, что указывает на улучшение состояния почв и отчасти на то, что прежнее чрезмерное внесение было ограничено. Тем не менее вклад удобрений в урожай фактически снизился на 1–3 процента, особенно для риса и кукурузы на богатых низменных равнинах, то есть дополнительный внесённый препарат там давал убывающую отдачу. Одновременно балансы питательных веществ были сильно искажены. Азота в целом было слишком много, особенно на равнинах и вдоль крупных рек, где некоторые рисовые поля получали до десяти раз больше, чем рассчитанная потребность. Фосфор и калий показывали обратную картину: их часто не хватало, особенно для кукурузы и пшеницы в центральных и северо-восточных холмистых районах, что опровергает распространённое представление о том, что сельхозугодья Китая повсеместно богаты фосфором.

Поиск компромисса между урожайностью и загрязнением

Чтобы превратить эти диагностические данные в практические рекомендации, команда применила многокритериальный алгоритм оптимизации — по сути поисковый инструмент, уравновешивающий компромиссы — и исследовала тысячи возможных корректировок норм удобрений. Алгоритм искал сочетания, которые бы сохранили или увеличили суммарное производство зерна при сокращении общего применения удобрений, особенно азота. Оптимальное решение показало, что потребление азота по бассейну можно сократить примерно на 18 процентов, с гораздо большими сокращениями для риса на плодородных западных равнинах, в то время как фосфор и калий следует умеренно увеличить в тех местах, где сейчас наблюдается дефицит. По этому плану общий выпуск зерна немного превысил бы уровень 2019 года, а общий баланс питательных веществ сместился бы с азотно-ориентированного соотношения 1:0.38:0.33 (N:P:K) к более сбалансированному 1:0.51:0.42, ближе к национальным рекомендациям по устойчивому ведению сельского хозяйства.

Что это означает для фермеров и окружающей среды

Для неспециалистов вывод прост: более разумное использование удобрений, основанное на данных и современных алгоритмах, может помочь фермерам выращивать столько же или даже больше продовольствия, одновременно сокращая потери и загрязнение. Вместо общих советов «больше/меньше удобрений» этот подход показывает, где резко сократить азот, где добавить фосфор или калий и как делать это по отдельным полям. При широком применении аналогичные методы могли бы помочь многим регионам прокормить население, сэкономить фермерские средства и очистить водоёмы, без расширения посевных площадей и без жертв в урожаях.

Цитирование: Liao, G., Qian, J., He, P. et al. Multiobjective spatial optimization of fertilizer rates enables sustainable crop production in southwest China. npj Sustain. Agric. 4, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00127-y

Ключевые слова: оптимизация удобрений, устойчивое сельское хозяйство, баланс питательных веществ, машинное обучение в сельском хозяйстве, культуры бассейна Сычуань