长江流域水稻种植系统可持续生产策略：基于田间试验与农户调查的综合评估

《Frontiers in Plant Science》：Strategies for sustainable crop production in the Yangtze River Basin of China: insights from field experiments and farm surveys

　　

摘要 引言： 长江流域以水稻为基础的种植系统多种多样。目标： 然而，先前的大多数研究主要集中在提高单一系统的产量、资源利用效率或减少碳排放方面，对不同系统之间的全面比较研究较少。方法： 为解决这一知识空白，本研究开展了一项为期两年的田间试验，并结合对190名农户的调查，对该地区四种系统——稻-休闲（RF）、稻-绿肥（RG）、稻-小麦（RW）和稻-油菜（RR）——的可持续性绩效指数（SPI）进行了评估。结果表明，在试验和调查中，RR和RW系统均比RG和RF系统获得了更高的产量。结果与结论： 在试验中，RR、RW和RG系统的平均稻谷当量产量分别比RF系统高出124.5%、86.2%和13.3%（RF为9.34 t ha-1）；在调查中则分别高出66.9%、58.2%和2.8%（RF为8.96 t ha-1）。RR和RW系统还表现出更高的净能量、辐射利用效率和积温生产效率。尽管RR和RW系统产生了更高的碳成本和农业成本，但其优越的籽粒产量带来了比RF和RG系统更高的净经济收入、净生态系统经济预算和效益成本比。此外，在试验中，RR、RW和RG系统的碳排放强度分别比RF系统（102.2 kg CO2eq GJ-1）低31.3%、28.5%和8.1%；在调查中，对应降低幅度分别为22.3%、39.4%和25.8%（RF为85.7 kg CO2eq GJ-1）。总体而言，尽管环境影响相当或略有增加，但RR和RW系统表现出更高的SPI，具有更高的生产力、资源利用效率和经济效益。

一、研究背景与科学问题

随着气候变化和资源短缺问题日益严峻，全球作物生产受到显著影响。据估计，气候变化导致全球作物产量每十年约减少1%。与此同时，世界人口激增，到2035年，全球作物产量需增加1.16亿吨才能满足粮食需求。提高农业生产力是保障粮食安全的关键措施，但这往往伴随着资源消耗增加和大量温室气体排放。农业生产作为陆地生态系统的重要组成部分，其产生的温室气体约占全球总排放量的13.8%。

长江流域是中国重要的粮、油生产基地，在水稻收获后的冬季，主要有稻-休闲（RF）、稻-绿肥（RG）、稻-小麦（RW）和稻-油菜（RR）四种种植模式。尽管轮作和间作等种植制度能够提升单位面积作物产量、改善资源利用效率并减少温室气体排放，但目前大多数研究聚焦于优化单一系统，缺乏对不同系统间综合性能的系统比较。此外，由于冬季作物栽培技术不佳、收益不高，加上农村人口老龄化、劳动力短缺、农资成本上升等因素，导致冬季撂荒现象严重，光热资源被浪费。因此，迫切需要明确不同冬季作物引入后，在增加产量的同时，是否能够带来更高的经济效益、资源利用效率和环境可持续性。

二、研究方法与技术路线

为全面评估四种水稻种植系统的性能，研究人员采用了田间试验与农户调查相结合的方法。田间试验于2022年至2024年在安徽省合肥市巢湖县的一块农田进行，采用随机完全区组设计，设置四个重复，每个小区面积为1466.7 m²，分别实施RF、RG、RW和RR四种种植模式。为弥补单点试验的局限性，研究人员同期在试验田所在县及邻近两个县的33个乡镇、103个村庄，通过随机抽样方式对190名农户进行了问卷调查，收集了地块位置、面积、作物产量、栽培管理实践及各项农业投入等信息。

研究中使用了多项关键技术指标进行分析：

1. 1.
   食物安全评估：计算稻谷当量产量和能量产量。
2. 2.
   资源利用效率评估：通过生命周期评价方法计算净能量、能源生产率、辐射利用效率（RPE）和积温生产效率（TPE）。
3. 3.
   环境影响评估：采用生命周期评价法核算碳足迹（CF），包括直接和间接温室气体排放。直接温室气体（CH₄和N₂O）在田间试验中使用静态箱法采集并通过气相色谱仪分析；农户调查中的直接温室气体排放则通过DNDC（反硝化-分解）生物地球化学模型模拟获得，并使用田间实测数据对模型进行了校准和验证。
4. 4.
   经济效益评估：计算净经济收入（NEI）、净生态系统经济预算（NEEB）和效益成本比。
5. 5.
   可持续性综合评价：通过归一化和加权处理上述四个维度的指标，构建可持续性绩效指数（SPI）。

三、主要研究结果

3.1 食物安全

研究表明，不同种植系统间的稻谷当量产量存在显著差异。在两年试验中，RR系统的稻谷当量产量最高（20.97 t ha^-1），分别比RF、RG和RW系统显著高出124.5%、98.1%和20.6%。农户调查数据也呈现出相同趋势：RR > RW > RG > RF。在能量产量方面，RR和RW系统均显著优于其他系统，但两者之间无显著差异。冬季种植小麦、油菜或绿肥均显著提高了后续水稻的籽粒产量、总干物质重和总氮吸收量。

3.2 资源利用效率

与RF和RG系统相比，RR和RW系统表现出更高的净能量、辐射利用效率（RPE）和积温生产效率（TPE）。这表明引入高价值冬季作物虽然增加了农业投入，但也显著提升了整个系统对光、温、能等资源的转化效率。

3.3 环境影响

尽管RR和RW系统的总碳足迹（CF）更高，但其碳排放强度（GHGI，即单位能量产出的碳排放）却更低。在试验中，RR、RW和RG系统的GHGI分别比RF系统低31.3%、28.5%和8.1%；在调查中，分别低22.3%、39.4%和25.8%。这说明，虽然这些集约化系统总排放量增加，但由于其产出更高，单位能量的环境代价反而更小。

3.4 经济效益

RR和RW系统虽然农业成本更高，但因其卓越的籽粒产量，带来了比RF和RG系统更高的净经济收入（NEI）、净生态系统经济预算（NEEB）和效益成本比。

3.5 可持续性综合评价

通过对食物安全、资源利用、环境影响和经济效益四个维度进行标准化评分并加权求和，计算出各系统的可持续性绩效指数（SPI）。结果显示，RR和RW系统的SPI显著高于RF和RG系统，表明这两种系统在整体可持续性方面更具优势。

四、结论与意义

研究结论指出，稻-油菜（RR）和稻-小麦（RW）系统虽然在环境影响方面与稻-休闲（RF）和稻-绿肥（RG）系统相当或略有增加，但它们展现出更高的生产力、资源利用效率和经济效益，从而获得了更高的综合可持续性绩效指数（SPI）。因此，在长江流域推广稻-油和稻-麦轮作模式，是兼顾粮食安全、资源高效利用和经济增收的有效途径。该研究为区域农业政策制定和种植结构调整提供了科学依据，有助于推动农业向更加可持续的方向发展。