利用边界线方法评估中国主要稻米生产区稻米产量与碳足迹之间的关联

《Agricultural Systems》：Assessing the link between rice yield and carbon footprint with boundary line method in major rice-producing region, China

水稻产量与碳足迹关系及管理优化研究。通过东北三省10个水稻主产县实地调查，结合生命周期评估和边界线分析法，量化发现实际产量（8.03 t ha?1）与理论最大值存在4.98 t ha?1缺口，碳足迹（0.99 kg CO?eq kg?1）较最优水平高36.4%。优化氮（106-189 kg ha?1）、磷（56-152 kg ha?1）、钾（50-175 kg ha?1）施肥，调整淹水期（90-114天）、耕作深度（13-22 cm）、密度（20-26 hill m?2）等管理措施后，可分别减少19.9%产量缺口和30.6%碳足迹缺口。

　　水稻作为全球一半以上人口的主要粮食来源，其生产系统在满足粮食需求的同时，也对温室气体排放产生了显著影响。从2010年至2019年，水稻生产系统释放了25.1至37.5十亿吨甲烷（CH?），占全球人为甲烷排放量的6%至11%。随着全球人口的持续增长和对粮食需求的不断上升，水稻生产面临着提高产量与减少排放的双重挑战。因此，如何在保障高产的同时有效降低碳足迹，已成为实现粮食安全与气候目标协调发展的关键。

当前，水稻生产中存在诸多限制性因素，如过量施肥、不合理的灌溉方式等，这些问题不仅制约了水稻产量的提升，还导致了碳足迹的显著增加。因此，优化水稻生产管理策略，成为解决这一问题的重要途径。近年来，研究者们通过精准施肥、高效灌溉等手段，探索了提升水稻产量与降低环境影响的可能性。例如，间歇性淹水灌溉和减少耕作强度等措施已被证明可以有效降低碳足迹，同时保持甚至提高水稻产量。此外，优化种植密度和氮肥施用时机，也被认为是实现可持续水稻生产的重要策略。

尽管已有大量研究关注水稻生产限制性因素对产量和碳足迹的影响，但在实际应用中仍存在一定的局限性。首先，许多田间试验的管理梯度有限，难以全面反映农民在实际生产中可能采用的多样化管理方式。其次，大多数研究仅关注单一管理措施对产量和碳足迹的影响，缺乏对多种管理措施综合效应的系统分析。这种局限性限制了对关键限制性因素的识别与优化。因此，迫切需要一种系统的方法，能够定量分析水稻产量与碳足迹之间的关系，识别关键限制性因素，并提出优化管理策略，为农民提供科学依据和实践指导。

本研究选取了中国东北地区重要的水稻产区——黑龙江省作为调查区域。黑龙江省位于东北平原，是全国最大的粳稻种植区之一，具有大规模水稻种植和高效农业管理的优势，为本研究提供了理想的实验环境。通过结构化访谈收集了该省十个代表性水稻种植县的农户数据，包括沃昌、方正、抚远、虎林、华川、集东、宁安、饶河、尚志和同江。这些县的选择不仅基于其作为主要水稻种植区的地位，还考虑到不同农业系统的管理实践差异，以确保研究结果的广泛适用性。

调查结果显示，黑龙江省农户在氮肥、磷肥（P?O?）和钾肥（K?O）的施用方面存在显著差异。平均氮肥施用量为150.1千克/公顷，磷肥施用量为67.0千克/公顷，钾肥施用量为88.7千克/公顷，而平均播种量为81.5千克/公顷。同时，水稻的淹水时间平均为110天，超过了50%的合理范围。这些数据表明，农户在生产管理上的差异可能直接影响水稻产量和碳足迹的水平。

通过边界线分析方法，本研究揭示了水稻产量与碳足迹之间的关系。研究发现，当水稻产量超过预测最大值的90%，且碳足迹低于平均预测值的55%时，可以通过调整关键生产限制性因素来显著缩小产量和碳足迹的差距。具体来说，氮肥施用量应控制在106至189千克/公顷之间，磷肥施用量应在56至152千克/公顷范围内，钾肥施用量建议在50至175千克/公顷之间，淹水时间宜在90至114天之间，耕作深度应保持在13至22厘米之间，种植密度和播种量则应控制在20至26株/平方米和42至132千克/公顷之间。如果所有生产限制性因素都调整到这些推荐范围内，预计可将产量差距缩小19.9%，并将碳足迹差距减少30.6%。

研究还指出，氮肥施用量、耕作深度、淹水时间和种植密度是影响水稻产量和碳足迹的主要限制性因素。这些因素与产量和碳足迹之间的关系呈现出抛物线或线性-平台趋势，表明在这些因素的优化过程中，存在一个最佳区间。在该区间内，随着因素的改善，产量和碳足迹都会有所提升，但超过一定阈值后，产量可能不再增加，甚至出现下降，而碳足迹则可能持续上升。因此，找到这些因素的最佳管理范围，对于实现高产、低碳的水稻生产至关重要。

此外，本研究还强调了精准农业技术在水稻生产中的重要性。通过精准施肥、高效灌溉等手段，不仅可以提高水稻产量，还能有效降低碳足迹。精准农业技术的应用，有助于实现资源的高效利用，减少环境负担，从而推动水稻生产的可持续发展。研究结果为未来水稻生产管理提供了有价值的参考，也为相关研究提供了新的思路。

本研究的意义在于，它为实现水稻生产系统的可持续发展提供了科学依据和实践指导。通过定量分析当前水稻产量与碳足迹之间的差距，并识别关键限制性因素，本研究为优化农业生产管理提供了具体的建议。这些建议不仅有助于提高水稻产量，还能有效降低碳足迹，从而在保障粮食安全的同时，减轻对环境的影响。此外，研究结果还为精准农业技术的推广和应用提供了理论支持，有助于推动农业向更加环保、高效的方向发展。

在实施这些优化管理策略时，需要考虑到不同农户的实际情况和管理能力。例如，氮肥施用量的调整需要根据土壤肥力和水稻生长需求进行科学规划，避免过量施用导致的资源浪费和环境污染。同样，淹水时间和耕作深度的优化也需要结合当地的气候条件和土壤特性，以确保管理措施的有效性和可持续性。因此，未来的农业政策和推广工作应注重因地制宜，提供适合不同地区和农户的管理方案。

同时，本研究也指出了当前农业研究中存在的不足之处。一方面，许多研究缺乏对多种管理措施综合效应的分析，难以全面评估不同管理策略对产量和碳足迹的综合影响。另一方面，现有研究在管理梯度的覆盖范围上存在局限，未能充分反映实际农业生产中的多样化管理实践。因此，未来的农业研究应更加注重系统性和综合性，通过多维度的数据分析和实地调研，进一步明确水稻生产中的关键限制性因素，并探索更加有效的管理策略。

总体而言，本研究通过结构化访谈和边界线分析方法，揭示了水稻产量与碳足迹之间的关系，并提出了优化管理策略。这些策略不仅有助于提高水稻产量，还能有效降低碳足迹，为实现高产、低碳的水稻生产提供了科学依据和实践指导。研究结果强调了精准农业技术在水稻生产中的重要性，并为未来农业研究和政策制定提供了新的思路和方向。通过不断优化农业生产管理，我们有望在保障粮食安全的同时，实现农业生产的可持续发展，为应对全球气候变化和资源短缺问题做出积极贡献。