基于模型的氮素优化：使用 CERES-wheat 研究埃塞俄比亚中部奥罗米亚地区商品小麦（Triticum aestivum L.）的产量

为何更聪明的施肥对小麦和人很重要

商品小麦是埃塞俄比亚粮食安全的基石，但许多农户仍然接受一刀切的施肥建议，忽视了田间土壤和天气随地点与年份变化的差异。本研究提出了一个影响深远的简单问题：应在小麦上施用多少氮肥、何时施用，才能在当下与未来气候变化情景下同时获得良好收成、公平收益并减少污染？

从一刀切规则到量身决策

在奥罗米亚中部，大多数小麦田以统一的氮素用量管理，尽管农场在海拔、降雨和土壤质量上存在差异。同时，气候变异带来干湿季节的频繁波动，干旱年份可能导致作物无法充分利用肥料，湿润年份则可能将肥料冲到更深的土层或流失。研究者聚焦于三个主要小麦种植区：Degem、Fitche 和 Bishoftu，使用经过验证的作物生长模型 CERES-Wheat（嵌入在 DSSAT 软件中）来探讨这些地点对不同氮素用量与分次施用的响应。

用虚拟田块测试多种未来情形

研究团队没有仅依赖短期田间试验，而是为每个站点构建了详尽的虚拟田块模型，包含当地的气象记录、土壤属性和管理实践。随后他们在多年历史气象资料上开展计算实验，测试从不施肥到每公顷 115 公斤的多种氮素用量，以及不同的施用时机：耕播时一次性施入、分两次施入或在关键生育期分三次施入。他们在当前气候条件下和2050年代与2080年代的两条未来气候路径（中等与高排放情景）下重复这些实验。每次模拟都记录了粒重产量、总生物量、作物吸收的氮素、土壤氮素流失和预期农场收入。

更精准的氮素带来更高产量与收入

模拟结果显示，随着氮素用量增加，小麦产量与总生物量显著上升；在多数情况下，当以两次或三次合理分施的最高测试量（每公顷 115 公斤）时表现最佳。在 Degem 和 Bishoftu，三次分施该用量在生物学和经济学上效果最佳，而在 Fitche，两次分施的产出几乎相当且对劳动力有限的农户更可行。与不施肥相比，这些策略使产量增加超过一倍，并带来更高的净收益。分析还表明，在未来更暖和且二氧化碳浓度更高的条件下，这些地点的小麦可能需要更多氮素才能达到经济最优点，预测最优用量将根据地点上升至大约每公顷 158 至 191 公斤的范围。

环境权衡与气候压力

除了产量与收益，本研究还考察了氮素管理与环境的相互作用。模型表明，作为土壤释放的强效温室气体的一种——一氧化二氮（N2O）——会随着氮素用量和分次施用次数的增加而上升，强调了提高产量与限制排放之间的权衡。相比之下，硝酸盐淋洗（可能污染水体）在模拟中对肥料用量或分次施用的敏感性较低；其主要受降雨模式与气候条件的驱动。这意味着即便施肥管理良好，在极湿年份肥料也可能被冲出根系带，未来气候变化可能加剧这一风险，尤其是在高排放情景下。

对农户与政策的意义

对非专业读者而言，核心信息很明确：固定的一刀切施肥规则在气候变化背景下既难以满足农户需求，也难以保护环境。本研究表明，计算模型可以成为设计场地特定、考虑气候的施肥策略的强大工具，从而在关注污染与温室气体的同时提高小麦产量与农户收入。然而，作者强调其推荐的用量是基于模拟的起点而非最终处方。他们呼吁进行多年多点的田间试验以验证模型结果，并建议开展培训项目，帮助推广人员和农户从僵化的配方转向根据当地土壤、价格和天气调整的灵活氮素管理。

引用: Kibebew, S., Dechassa, N., Alemayehu, Y. et al. Model-based nitrogen optimization for bread wheat (Triticum aestivum L.) production in central Oromia, Ethiopia using CERES-wheat. Sci Rep 16, 16336 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45892-5

关键词: 小麦, 氮肥, 作物建模, 气候变化, 埃塞俄比亚