图 1：研究工作流程示意图。自下而上的过程包括三个步骤。首先，根据 462 篇同行评审文章（7,912 个观测数据）构建水稻产量和氮损失的田间试验。其次，开发亚区域模型，并用于根据经济效益和 NEEB 确定 ON 和 EON。第三，估算 ON 和 EON 下全国水稻产量、氮消耗和氮损失，并与相应的安全水平进行比较。自上而下的方法包括三个步骤，用于分析亚区域 ON 和 EON 的不确定性。首先，通过基于 31,601 个产量观测数据的站点年份模型量化小农的潜在风险。其次，评估亚区域净效益以优化亚区域氮肥策略。第三，量化激励小农施用最佳氮肥的潜在补贴。
图2：中国不同亚区域重点区域对不同氮肥施用策略的绩效响应。施氮量、水稻产量和氮损失的单位分别为千克/公顷氮、毫克/公顷氮和千克/公顷氮损失。早稻和晚稻属于双季稻种植制度，主要分布在中国中部和南部地区。误差线表示施氮量上限和下限以下的值（FN为平均值±标准差，ON和EON的盈利施氮量在2.47/公顷范围内）。
图3：2018年种植区不同亚区域不同氮肥施用策略的效果。种植面积来自参考文献49。a、水稻产量、氮肥消耗量和总氮损失。b 、每个亚区域在不同氮施用策略下空气传播（NH 3挥发和 N 2 O 排放）和水传播（淋溶和径流）氮损失和阈值。在a中，误差线代表氮肥施用量上下限的产量和肥料消耗量（FN 为平均值±标准差，ON 和 EON 的有利施氮量范围在 2.47 公顷-1以内），深红色垂直线分别代表 2030 年中国水稻生产需求量（2.18 亿吨；陈等人16）、中华人民共和国农业农村部27公布的水稻肥料氮消耗量阈值（3.9–5.1 亿吨，范围以灰色显示）和氮损失的环境阈值（1.01 亿吨，根据 FN 的范围，上限和下限（以灰色显示）在 0.72 至 1.35 亿吨之间）。在b中，所有氮损失均根据氮环境阈值（深红色圆圈，范围以浅粉色显示）进行了标准化。
图 4：将 N 用量降低至最佳水平时经济指标变化的分布。结果基于31,601个田间氮肥效应试验。以农民实际施氮量（150% MN）作为对照氮水平。灰色阴影表示正向影响类别（相对于农民实际施氮量增加），白色阴影表示负向影响类别（相对于农民实际施氮量减少）。误差线表示最佳施氮量的上下限结果（对于ON和EON，盈利施氮量在2.47美元/公顷以内）。
图 5：将 N 施用量降低至最佳水平对生态可持续性、粮食安全和经济可持续性指标的影响。本研究结果基于31,601个田间氮肥效应试验。以农民实际施氮量（150% MN）作为对照氮水平。其效果见补充表4。氮平衡是在秸秆还田情景下进行的。数值以平均值±标准差*表示，NS分别表示P < 0.05和P > 0.05（Tukey显著性差异检验）。