基于 Emergy 分析方法，对长江中下游地区干直播、湿直播以及移栽稻-小麦轮作系统的可持续性进行全面评估

《Field Crops Research》：Comprehensive evaluation of sustainability of dry direct-seeded, wet direct-seeded, and transplanted rice-wheat rotation systems in the middle and lower reaches of the Yangtze river based on emergy analysis

水稻小麦轮作系统中三种模式（DR-W、WR-W、TR-W）的可持续性评估基于emergy分析，结果显示TR-W产量最高但资源消耗大，DR-W在资源利用效率和可持续性指标上更优。提出优先推广DR-W并加强节水技术。

　　
水稻小麦轮作系统的可持续性评估与优化路径研究

一、研究背景与核心问题
中国长江流域作为全球重要的双季稻种植区，承担着全国60%-70%的水稻产量和重要的小麦生产任务。传统高投入模式虽能维持较高产量，但存在资源过度消耗、地下水超采、化肥利用率偏低（普遍低于30%）等突出问题。研究聚焦于干法直播（DR-W）、湿润直播（W-R-W）和移栽稻（TR-W）三种典型模式，旨在通过系统化评估建立可持续的轮作体系。

二、研究方法创新
采用 emergy（能量 m?t）分析法构建多维度评估体系，突破传统单一指标局限。通过全球基准值1.20×102? sej/yr的统一换算标准，将光能、化学能、机械能等异质资源转化为等价太阳能，实现系统间可比性。结合主成分分析（PCA）降维处理与隶属函数模型，建立包含8个关键指标的综合评价矩阵，涵盖资源输入强度、环境负荷密度、系统自维持能力等核心维度。

三、关键研究发现
1. 产量结构差异
移栽稻体系（TR-W）通过优化分蘖结构（有效分蘖率提升22-35%），实现水稻单产提高5.05-18.46%，小麦单产增加1.66-13.06%。干法直播（DR-W）通过精简播种量（减少15-20%），在保证水稻产量前提下显著降低资源消耗。

2. 资源代谢特征
研究揭示系统存在显著的资源依赖差异：湿润直播需额外投入23-35%的灌溉能源；移栽体系柴油消耗降低40%，但配套机械投入增加8-12%。氮肥投入效率呈现梯度差异，DR-W系统氮肥利用系数达0.38，显著高于W-R-W（0.29）和TR-W（0.31）。

3. 环境负荷优化
DR-W系统通过精准播种（误差率<3%）和分蘖控制技术，使单位面积氮肥当量排放减少28-34%，地下水虚拟消耗量下降至1.2×102? sej/ha的基准值的82%。湿润直播系统因持续灌溉导致环境足迹扩大19-25%。

4. 系统可持续性排序
综合评价显示：DR-W（0.78）> TR-W（0.65）> W-R-W（0.53）。关键指标对比显示，DR-W在能量转化效率（提升18.7%）、环境强度（降低27.3%）、系统韧性（波动系数0.15）等维度表现最优，其净 emergy 增量达1.2×102? sej/ha·yr。

四、技术经济优化路径
1. 水资源管理革新
建议推广"间歇灌溉+土壤墒情监测"技术组合，在水稻生长期关键时段（分蘖期至幼穗分化期）实施精准灌溉，可降低20-30%的灌溉能耗。试点区域数据显示，该技术使地下水位回升速率提高0.8m/季。

2. 肥料增效技术
研发基于光谱分析的氮肥智能施用系统，通过无人机航拍（分辨率0.5m×0.5m）实时监测叶绿素含量，将氮肥利用率提升至42-48%，较传统方法提高35-40个百分点。

3. 机械作业优化
针对移栽体系高能耗特点，建议开发模块化插秧机（作业效率≥1.2ha/h），配套研发可降解地膜（覆盖面积减少15%），形成"机械-材料-工艺"协同优化体系。

五、政策实施建议
1. 建立动态补贴机制
根据评估结果，对DR-W模式实施每亩200-300元的专项补贴，重点覆盖中低产田改造（每亩需投资1200-1500元）。建议设立3年过渡期，对采用新技术的农户给予50%的机械购置补贴。

2. 环境指标交易体系
构建基于 emergy 环境足迹的碳汇交易市场，将 DR-W 系统较传统模式减少的28%氮氧化物排放量化为碳信用额度（约0.25tCO?e/ha·yr），允许交易给高排放行业。

3. 技术推广网络建设
依托长江流域13个农业科技推广站，建立"技术包-培训-认证"三位一体服务体系。重点推广北斗导航精准播种（误差率<2.5%）、智能灌溉中控系统（响应时间<5分钟）等5项核心技术的集成应用。

六、学术价值与产业影响
本研究首次将系统动力学模型与 emergy 分析结合，揭示水稻分蘖动态与氮素循环的耦合机制。计算表明，当分蘖数控制在18-22株/穴时，系统 emergy 投入产出比达到最优（1.35:1）。研究成果已应用于湖北襄阳、湖南岳阳等8个试验区的技术推广，示范区内平均减少化肥用量12.7%，灌溉水耗下降19.3%，同时保持稻麦双季总产量稳定在10200-11500kg/ha。

七、未来研究方向
建议后续研究重点关注：1）气候变化情景下系统脆弱性评估；2）微生物群落 emergy 值与土壤肥力关系；3）全生命周期碳排放核算模型构建。特别是要深入探究水稻分蘖期（4-6叶龄）的光能利用效率拐点现象，这对优化栽培制度具有重要指导意义。

该研究为长江流域双季稻区提供了可量化的技术改进路径，其建立的可持续性评估模型已应用于全国13个省份的农业政策制定，相关成果被农业农村部《绿色农业技术指南》2025版收录，对实现粮食安全与生态保护的双赢目标具有重要实践价值。