本研究由济宁大学工程系（Department of Engineering, Jining University）的Guolong Zhang、Quanlin Wu、Quansen Wu以及西北农林科技大学农学院（College of Agronomy, Northwest A&F University）的Wanrui Han共同完成，其中Wanrui Han为通讯作者。该研究成果发表于学术期刊《Industrial Crops & Products》2026年第253卷，文章编号为124598，并于2026年10月17日在线发表，可通过DOI编号10.1016/j.indcrop.2026.124598进行访问。

在全球气候变化的背景下，极端气候事件特别是持续升温对小麦产量构成了严重威胁。中国作为全球最大的小麦生产国之一，其小麦生产系统同时面临着气候风险与氮肥管理效率低下的双重挑战。氮肥的合理施用被认为可以在一定程度上缓解气候变暖对小麦产量的不利影响，然而在气候条件持续变化的背景下，氮肥施用的最优策略仍是一个尚未被充分理解的问题。该研究的主要科学目标在于：第一，量化长期气候变异与氮肥施用对小麦产量的影响；第二，揭示不同气候条件下氮肥施用效率的适应性变化规律，从而为制定具有气候适应性的氮肥管理策略提供科学依据。

为了实现上述研究目标，作者构建了一个覆盖中国三大主要小麦种植区（冬麦区WR、春麦区SR及冬春麦兼种区W-SR）的长时序面板数据集，时间跨度为1954年至2020年。研究数据包括来自中国气象局和气象数据网的352个气象站点的逐日最低温度、最高温度及降水量观测数据，同时整合了省域尺度的小麦产量记录和氮肥施用量数据。研究中利用逐时气温重建和余弦曲线插值方法计算了三个关键气候指标：生长度日（Growing Degree Days, GDD）、极端度日（Extreme Degree Days, EDD）以及生长季累积降水量（Precipitation, PRCP）。其中，GDD代表作物生长季内介于基础温度和最优温度之间的累积热量暴露，而EDD则表示超过最优生长温度阈值的累积热量暴露。研究采用固定效应面板模型（Fixed-effects Panel Model）作为核心分析工具，控制了省份固定效应和年份固定效应，以消除不同地区土壤、地形等不随时间变化的潜在混杂因素以及技术进步等时间趋势的影响。建模过程中，作者采用逐步回归策略，依次引入气候变量、氮肥施用量、气候与氮肥的交互项以及氮肥施用量的二次项，通过比较赤池信息准则（Akaike Information Criterion, AIC）、贝叶斯信息准则（Bayesian Information Criterion, BIC）和模型解释力（R-squared）来选择最优模型。最终确定的最优模型（模型5）不仅包含了GDD、EDD、PRCP和氮肥施用量的主效应，还纳入了氮肥施用量与各气候变量之间的交互作用项以及氮肥施用量的二次项，以捕捉氮肥施用的非线性效应及其对气候敏感性的调节作用。研究进一步通过偏导数方法计算了小麦产量对各解释变量的敏感性，并以产量变化百分比的形式进行标准化表达。同时，利用二次方程的极值点推导出最优氮肥施用量的计算公式，从而能够评估不同气候条件下最优施氮量的动态变化特征。

研究结果显示，在1954至2020年间，中国三大麦区的氮肥平均施用量分别为：冬春麦兼种区70.62 kg N ha⁻¹，冬麦区63.53 kg N ha⁻¹，春麦区23.46 kg N ha⁻¹。小麦产量与氮肥施用量的空间分布存在一定的对应关系，产量较高的冬春麦兼种区对应较高的氮肥投入，而产量较低的春麦区氮肥投入也相对较少。在气候指标方面，三大麦区的GDD和EDD均呈现显著的上升趋势，其中冬麦区和冬春麦兼种区的增温速率尤为突出。从模型比较结果来看，仅包含气候变量的模型仅能解释中国小麦产量变异的约24%，而加入氮肥施用量后解释力提升至约66%，进一步引入气候与氮肥交互项及氮肥二次项后，模型解释力达到约77%。模型显示EDD对小麦产量具有显著的负向影响，且该负效应在高温条件下比GDD的正效应更加突出。氮肥施用量与小麦产量之间呈现出显著的倒U型二次关系，表明存在一个最优施氮量阈值。特别值得注意的是，EDD与氮肥施用量的交互项为负值，说明在高氮肥投入条件下，极端高温对小麦产量的不利影响会被放大。与之相反，GDD与氮肥施用量的交互项为正，表明充足的氮素供应能够改善小麦对适度增温的生理响应，提高产量敏感性。从区域气候影响的贡献来看，气候趋势对小麦产量变化的贡献普遍大于氮肥施用趋势的贡献。在冬麦区和春麦区，气候变化的综合效应分别导致小麦产量下降4.96%和6.94%，其中EDD上升是造成产量损失的最主要气候因子。而在冬春麦兼种区，由于GDD和降水量的增加在一定程度上抵消了EDD上升的负面影响，小麦产量反而提高了3.57%。当综合考虑气候与氮肥施用趋势的联合贡献时，冬麦区、春麦区和冬春麦兼种区的小麦产量变化分别为-5.26%、-6.94%和1.31%。在氮肥施用对气候敏感性的调节作用方面，研究将氮肥施用量按照上下四分位数划分为高氮组和低氮组。结果显示，高氮肥投入显著增强了各麦区小麦产量对EDD的负敏感性，同时显著提高了对降水量增加的正敏感性。在冬麦区和冬春麦兼种区，高氮肥投入甚至将小麦产量对GDD的负敏感性逆转为正敏感性，说明氮素营养状况在调节小麦对气候变暖的响应中发挥着关键作用。基于二次方程极值分析，研究计算出在平均气候条件下，冬春麦兼种区的最优氮肥施用量最高，为168 kg N ha⁻¹，其次是冬麦区的163.47 kg N ha⁻¹，春麦区最低，仅为65.93 kg N ha⁻¹。在不同气候情景组合下，最优施氮量表现出规律性的变化：在冬麦区和冬春麦兼种区，最优施氮量通常随降水量和GDD的增加而上升，但随EDD的升高而下降。在湿润、温暖且低EDD的条件下，冬春麦兼种区和冬麦区的最优施氮量分别可达到210.26 kg N ha⁻¹和194.37 kg N ha⁻¹。而在春麦区，当EDD较低时，最优施氮量随降水量和GDD的增加而提高；但在高EDD条件下，最优施氮量反而随GDD的增加而降低，且在温暖干燥且高EDD的情景下最低，仅为14.62 kg N ha⁻¹。

综合来看，本研究系统阐明了气候因子与氮肥施用之间的交互作用在决定小麦产量中的重要性。研究结果表明，气候变异对小麦产量的影响显著大于氮肥施用趋势的影响，且不同麦区之间存在明显的空间异质性。氮肥施用量不仅直接影响小麦产量，还通过调节小麦对温度、降水量和极端高温的敏感性而间接影响产量形成过程。这为理解不同气候条件下氮肥利用效率的变化机制提供了新的证据，也为制定具有气候适应性的氮肥管理策略提供了重要的定量参考依据。研究的核心价值在于将气候变量与氮肥管理的交互效应纳入统一的分析框架，揭示了“一刀切”的施氮策略在不同气候区域中的局限性，强调了分区域、分气候情景优化施氮方案的必要性。该研究的亮点主要包括：第一，利用长时间序列（1954—2020年）和多区域面板数据，系统量化了气候和氮肥施用对小麦产量的独立贡献及交互效应；第二，通过固定效应面板模型和二次方程极值分析，实现了对最优施氮量在不同气候情景下动态变化的定量评估；第三，发现了高氮肥投入加剧极端高温对小麦产量不利影响而增强降水正效应的差异化调控机制，这一结果对于优化氮肥管理实践具有直接的指导意义。此外，研究也指出其分析框架中尚未纳入土壤性质、灌溉制度、播期调整、病虫害管理及CO₂施肥效应等因素，这些限制因素需要在未来研究中进一步拓展和深化。总体而言，该研究为在全球气候变化背景下实现小麦生产的高产高效与可持续发展提供了重要的科学支撑。