智能水稻栽培系统中优化水分管理实现产量可持续性与温室气体减排及能源需求降低的协同效应

推荐：针对中国东部水稻生产面临的高产需求与温室气体排放及能源消耗矛盾，研究人员系统评估了智能精准旱直播(IDS)、无人机播种(UAS)和智能机械移栽(IMT)三种模式。研究发现IDS在保持产量(10.5 t ha-1)的同时，较IMT降低全球增温潜势(GWP)53.7%和能源输入6.8%，为可持续水稻生产提供了优化方案。

　　

随着全球气候变化加剧和能源危机凸显，水稻生产系统正面临产量提升与环境保护的双重挑战。作为全球最大的水稻生产国，中国东部地区传统水稻种植模式存在劳动力成本高、资源利用率低等问题，同时稻田还是温室气体排放的重要来源，其中甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)排放分别占农业排放总量的22%和11%。如何在保障粮食安全的前提下实现减排节能，成为当前农业可持续发展亟待解决的关键问题。

针对这一挑战，扬州大学江苏省作物栽培生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心/水稻产业工程技术研究院的研究团队开展了系统研究。他们在2022-2023年通过田间试验，比较了智能精准旱直播(IDS)、无人机播种(UAS)和智能机械移栽(IMT)三种新型智能栽培模式对水稻产量、温室气体排放和能源预算的影响，相关成果发表在《Agricultural Water Management》上。

研究采用静态箱-气相色谱法监测CH₄和N₂O排放通量，通过qPCR技术测定土壤中甲烷代谢相关基因(mcrA、pmoA)和氮循环功能基因(AOA-amoA、AOB-amoA等)的丰度，并建立了完整的能源投入-产出分析模型。试验在江苏盐城的水稻-小麦轮作系统进行，所有处理均采用控释氮肥(300 kg N ha^-1)，通过远程灌溉系统实现精准水分管理。

在产量表现方面，IMT以11.1 t ha^-1的平均产量位居首位，主要得益于更大的库容量(总小穗数增加6.5-10.9%)。IDS(10.5 t ha^-1)与IMT在2023年的产量差异不显著，且其根系氧化活性(ROA)在分蘖中期较IMT提高22.6-44.5%，表明旱直播模式能促进早期根系发育。

温室气体排放特征显示，IDS的CH₄排放量较IMT降低40.0-69.6%，这与其土壤中mcrA基因丰度降低74.2%以及mcrA/pmoA比值下降27.4%密切相关。尽管IDS的N₂O排放因AOA-amoA和narG基因丰度增加而升高40.4-50.9%，但其全球增温潜势(GWP)仍较IMT降低53.7%，温室气体强度(GHGI)降低50.3%。

能源分析表明，IDS通过集成旋耕播种技术减少耕作环节，使总能源输入(43,171.7 MJ ha^-1)较IMT降低6.8%，其中柴油消耗减少45.7%。其能源利用效率(EUE)提升9.7%，单位产量能耗(SE)降低至3.99 MJ kg^-1，展现出显著的节能优势。

这项研究首次系统评估了三种智能水稻栽培模式的综合效益，揭示了水分管理通过调控土壤微生物群落影响温室气体排放的机制。特别值得关注的是，IDS模式在保证产量接近IMT水平的前提下，实现了温室气体减排和能源效率提升的"双赢"，为东部农村地区提供了一种可行的轻简化生产方案。研究结果不仅为智能农业技术的优化推广提供了理论依据，也为制定气候变化适应性农作制度提供了重要参考。未来研究可进一步探索长期连续种植对土壤微生物群落稳定性的影响，以及通过生长调节剂施用等措施提高旱直播水稻的气候适应性。