绿肥替代化肥协同降低双季稻系统碳氮足迹并提升净生态系统经济效益的研究

针对双季稻系统过度依赖化学氮肥(CNF)导致的温室气体排放增加、氮素利用率(NUE)低下及经济效益下降等问题，研究人员通过长期田间试验探究绿肥(GM)替代CNF对碳足迹(CF)、氮足迹(NF)及净生态系统经济收益(NEEB)的影响。结果表明，20%CNF替代(GN80)可提升产量12.2%-99.1%，降低年CF达28.2%，同时减少NF损失37.5%，为可持续稻作提供优化方案。

　　

在中国这个全球最大的水稻生产国，双季稻种植系统正面临严峻挑战。农民为追求高产，每年每公顷施用高达550-600公斤的化学氮肥(CNF)，导致土壤酸化、温室气体排放激增，活性氮(Nr)通过挥发、淋溶等形式大量流失。更棘手的是，这种粗放模式虽短期提升产量，却造成氮素利用率(NUE)持续走低，形成"增产依赖施肥-施肥加剧污染"的恶性循环。如何破解这一困局？中国国家观测研究站（湖南祁阳）的科研团队通过15年田间试验，在《Journal of Cleaner Production》发表重要成果，揭示绿肥(GM)替代部分CNF可协同实现经济效益与环境效益双赢。

研究采用生命周期评估法，设置6种处理：不施氮肥(N0)、常规施肥(N100)、N100+GM(GN100)、80%N100+GM(GN80)、60%N100+GM(GN60)及单施GM(GN0)。通过测定水稻产量构成、氮素吸收效率、CH₄/N₂O排放通量等指标，结合经济收益分析，系统评估不同施肥策略的综合效应。

产量与氮素利用效率
GN80处理表现最为亮眼：相比传统施肥(N100)，20%CNF替代使早、晚稻年均产量提升12.2%，收获指数(HI)提高20.8%，氮回收效率(RE_N)飙升148%。这得益于GM改善土壤碳氮比，促进微生物对矿质氮的固定，实现氮素缓释与作物需求同步。

碳氮足迹调控机制
GN80使单位面积CF降低24.1%，其中CH₄减排贡献率达68%。有趣的是，GN80与GN60处理显示CF与NF呈正相关，而N100与GN100则呈现此消彼长关系，表明适度替代可打破"减排必减产"的魔咒。NF分析显示，GN80使NH₃挥发减少27.7%，NO₃^-淋溶降低31.3%，关键在于GM维持了土壤氮库平衡。

经济效益突破
净生态系统经济收益(NEEB)计算显示，GN80较N100增加129%，这归因于化肥成本下降与溢价生态收益叠加。尤其值得注意的是，GN80的产量尺度CF(kg CO₂-eq/kg grain)比GN0降低50%，证明其"高产低碳"优势。

该研究首次阐明GM替代CNF通过"土壤微生物调控-养分循环优化-排放协同抑制"三重机制，实现双季稻系统可持续发展。提出的20%替代方案已被纳入湖南省耕地质量提升技术规程，为长江流域水稻主产区绿色转型提供实证支撑。未来需进一步解析GM品种选择与翻压时机对减排效果的调控规律，推动"碳氮协同管理"从理论走向实践。