2025年10月25日，慧耕耘团队成员、国家信息农业工程技术中心王偲媛博士在《Agricultural Systems》（中科院一区，IF=6.1）发表题为“Improving soil quality enables reductions in nitrogen application rate in China’s rice production systems”的研究论文（https:///10.1016/j.agsy.2025.104544），为我国水稻生产实现稳产减排提供了土壤质量提升与施氮量优化的协同策略。通讯作者为肖浏骏副教授和朱艳教授。
研究背景
中国是全球最大稻米生产国，但长期以来高产主要依赖高强度氮肥投入，这一模式带来氮素流失增加、稻田温室气体排放上升、耕地酸化与板结等生态问题，同时也增加了生产成本。在国家推进高标准农田建设的背景下，亟需明确不同土壤质量水平下水稻是否能够在保持产量和收益的同时显著降低氮肥投入并减少碳排放。
核心贡献
团队整合了中国水稻主产区1981-2020年气象、土壤、管理等观测数据，利用过程机理模型与生命周期评估，对土壤质量（包含土壤有机质、全氮、pH 和容重）、水稻产量及碳足迹进行评估。为评价水稻生产体系的可持续性，构建了水稻生产的可持续性指数，涵盖社会经济、环境影响和种植收益等维度。在此基础上，采用结构方程模型，量化气候、土壤和管理措施因素在产量、环境、经济回报以及可持续性目标实现过程中的影响。
研究结果表明，中国主要水稻主产区约80%的耕地为中低质量土壤。提升土壤质量可使水稻产量平均提高约9%，并使单位产量碳排放下降约6%，且增产效应在低质量土壤上最为明显。此外，在不降低可持续性水平的前提下，土壤质量提升可使各稻作亚区的氮肥投入减少约20-116 kg N·ha-1。具体而言，较高的土壤有机质含量、全氮含量以及适宜的pH与水稻产量、经济回报和长期可持续性正相关；而较高的土壤容重和过量施氮则会增加碳排放。不同目标下，氮肥和土壤改良的贡献有所差异。实现高产目标，氮肥的贡献最大；而实现可持续发展目标，需要同时考虑土壤有机质和氮肥的贡献。
核心图表
图1：原始土壤质量下水稻亚区土壤质量指数、实际施氮量、产量及单位面积碳足迹
图2：甲烷、氧化亚氮及农资投入对单位面积碳足迹的贡献比例，以及各类农资投入所对应的单位面积碳足迹
图3：不同土壤质量水平和施氮量下的水稻产量及单位面积碳足迹碳足迹
图4：各水稻亚区40年的平均成本与收益
图5：各水稻亚区实现产量、环境、经济和可持续性目标时，施氮量和土壤质量指数的空间变化
图6：产量目标、环境目标、经济目标和可持续性目标的结构方程模型
图7：实现产量、环境、经济和可持续性目标后，可持续性指数的相对变化（%）
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