不同机械化秸秆管理方法对水稻生产在环境、能源和经济方面的影响比较

《Agricultural Systems》：Comparison of the environment, energy, and economic impacts of rice production with different mechanized straw management methods

　　成青月|舒传海|史远青|彭正波|刘斌斌|陈琪琪|刘宁|谢洪坤|铁霞娜|陈松|王忠林|孙永健|马军|杨志远
四川农业大学水稻研究所，成都611130，中国

**摘要**
机械化秸秆管理是实现水稻生产全面机械化并解决劳动力限制问题的关键组成部分。如何在推进机械化的同时控制能源消耗和减少环境污染是当前面临的挑战。

**目的**
全面评估不同的机械化秸秆管理方法，并促进水稻生产的绿色转型。

**方法**
本研究评估了四种管理系统的能源、环境和经济影响：免耕覆盖秸秆（NTSM）、常规耕作结合秸秆还田（CTSI）、免耕去除秸秆（NTSR）以及常规耕作去除秸秆（CTSR）。

**结果与结论**
结果表明，NTSM实现了最高的净能量（219,158.62 MJ ha?1–247,202.77 MJ ha?1）和能源利用效率（10.93–12.29）。在NTSM下，秸秆分解增加了CH4排放，使其全球变暖潜力（GWP）相对于NTSR和CTSR分别增加了40.55%–81.25%和12.51%–19.17%。然而，NTSM下土壤有机碳的增加使其成为碳汇，实现了最佳的净GWP。NTSM在经济方面也表现优异，净经济效益比其他处理方法增加了182.08 USD ha?1–565.54 USD ha?1，净生态系统经济效益增加了197.72 USD ha?1–550.22 USD ha?1。

**意义**
NTSM在节能和减排需求与降低成本和提高产量的要求之间取得了最佳平衡。这些发现可以为类似条件下的水稻种植区推广可持续机械化提供参考。

**引言**
作为中国最重要的主食作物之一，水稻的种植历史已超过14,000年（Zhao, 2011）。为了满足人口的食物需求，中国发展了一种集约化的水稻生产系统，该系统以精细耕作和高投入、高产出为特点，提供了大量的粮食。然而，中国的水稻生产面临着多重日益严峻的挑战。首先，随着社会经济的发展，农业劳动力持续减少，导致传统劳动密集型水稻生产系统出现劳动力短缺（Ma and Feng, 2013; Knight et al., 2011）。其次，高农业投入和独特的淹水田条件导致了大量的能源消耗和温室气体（GHG）排放（Zhang et al., 2015a; Linquist et al., 2012; Davidson, 2009）。不断上涨的能源成本和日益严格的环境法规也推动了更可持续的生产方式的需求。虽然机械化长期以来被认为是缓解劳动力限制的有效手段，但节能和减排是现代农业绿色转型的核心目标（Shi et al., 2021）。因此，依赖大量劳动力和资源投入的传统水稻生产系统越来越不适合未来的发展。迫切需要同时促进机械化、能源效率和减排的水稻生产系统，以满足环境友好、简化和效率的要求。

尽管中国的水稻生产在耕作、种植和收获阶段已经实现了90%以上的机械化，但整个过程的机械化率仍然相对较低，约为40%（Huang et al., 2022）。在整个过程的机械化中，秸秆管理的机械化率尤其低，成为主要瓶颈（Luo et al., 2022）。同时，秸秆管理对农业的绿色转型至关重要。传统上，亚洲、非洲和拉丁美洲的许多地区都会焚烧秸秆（Oraby et al., 2025; Taweesan et al., 2025）。这种做法可以快速清理田地以便后续种植，并暂时抑制害虫、疾病和杂草（Yevich and Logan, 2003），但也会引起严重的空气污染和重大的人类健康风险（Romasanta et al., 2017; Huang et al., 2025）。因此，大多数国家已经限制了秸秆焚烧，并实施了政策来鼓励多样化和可持续的秸秆利用（Chen et al., 2017; 《中华人民共和国大气污染防治法》，2018）。

机械化秸秆管理方法主要分为田间秸秆还田和田间外秸秆移除（Wang et al., 2018; Li et al., 2022）。田间秸秆还田可以通过安装在联合收割机上的粉碎装置在收获过程中将秸秆切碎并均匀分布在田间实现。田间外秸秆移除则依靠打包机及相关收集和运输系统将秸秆从田间转移到下游产业链，转化为饲料、燃料或工业原料，从而实现资源回收和农业残余物的商业化（Li et al., 2023a）。受中国严格法规的推动，秸秆管理正迅速从传统焚烧转向机械化管理。与田间秸秆还田相比，田间外秸秆移除受到高收集成本和下游产业链不稳定的限制（Li et al., 2022）。相比之下，田间秸秆还田由于成本较低和操作简便而得到了更广泛的应用和更高的青睐（Lu et al., 2020）。此外，还田的秸秆可以改善土壤质量，促进绿色和低碳农业发展，从而获得了中国政府的各种政策支持（He et al., 2024）。同时，为了应对农业可持续性的迫切需求，免耕农业得到了大力推广（Pittelkow et al., 2015）。与传统通过耕作将秸秆混入土壤的方法不同，免耕系统将秸秆留在土壤表面（Qi et al., 2022; Qi et al., 2021）。土壤表面的秸秆覆盖层可以减少水分蒸发，缓冲土壤温度波动，并减轻极端气候事件（如高温和干旱）的不利影响（Xiao et al., 2019）。尽管关于秸秆还田的研究很多，但对机械化秸秆管理系统的综合评估仍然有限。此外，结合秸秆还田和免耕农业的系统对环境和产量的影响仍存在争议。大多数相关研究表明秸秆还田可以提高水稻产量（Hu et al., 2016; Huang et al., 2021; Liu et al., 2023），而关于免耕农业的影响则差异很大。Liang et al.（Liang et al., 2016）发现免耕农业下的氮吸收和氮利用效率低于耕作处理，导致水稻产量下降。Huang et al.（Huang et al., 2015）在中国西南部的研究发现，免耕农业对产量没有负面影响，反而显著提高了5.3%。从环境角度来看，免耕农业减少了GHG排放，而秸秆还田的环境影响更为复杂。Huang et al.（Huang et al., 2024）指出，与秸秆移除相比，秸秆还田导致CH4排放增加了129.39%，而N2O排放增加幅度较小（7.76% vs 18.47%）。Ma et al.（Ma et al., 2010）认为秸秆覆盖下的N2O排放可能增加15%至39%，而秸秆还田下则减少3%至18%。因此，不同秸秆还田方法对GHG排放的影响存在争议，但其环境效益显著高于秸秆移除。Sun et al.（Sun et al., 2020）表明，秸秆还田的全球变暖潜力（GWP）低于制浆造纸、发电和焚烧等替代方法。Soam et al.（Soam et al., 2017）通过对印度秸秆利用的全生命周期评估得出了类似结论。从能源角度来看，意大利的一项研究发现，能源投入与耕作强度成正比，免耕农业每单位面积节省了32%的能源（Sartori, 1997）。S?rensen et al.（S?rensen et al., 2014）也证明了免耕农业有效降低了总能源投入。与常规耕作相比，减少耕作通过降低机械使用量有效降低了能源消耗（?arauskis et al., 2017）。通过提高作物产量，秸秆还田可以实现更高的能源利用效率和经济效益（Zhao et al., 2025）。

**总结**
尽管有许多研究探讨了秸秆和耕作管理，但大多数研究仅关注单一维度。很少有研究全面评估不同机械化秸秆管理策略对作物产量、环境、能源消耗和经济成本的影响。因此，本研究旨在：1）评估中国西南地区不同秸秆管理-耕作组合的能源投入和产出，并分析其对水稻生产过程中能源利用效率的影响；2）监测稻田的直接和间接碳排放，讨论不同处理方法的GHG排放强度；3）分析不同处理方法的经济投入和产出，研究其对经济效益的影响；4）进行多角度的综合评估，以确定满足多维要求的治疗方案。这些发现有望为水稻生产系统的评估提供一个全面的框架，并找到一种既能节能又能减排的机械化秸秆管理方法。

**实验地点**
实验于2022年至2024年在中国四川省成都市的一个田地（30°43′ N, 103°52′ E）进行。中国西南地区是主要的水稻生产区之一，也是水稻种植系统和种植结构最复杂的地区之一。位于该地区的成都是中国水稻种植的重要发源地之一。水稻种植实验期间的每日温度和降雨量见补充图1。

**能源投入和产出**
能源输入（EI）和能源产出（EO）如图1所示。稻田生产系统的EO基于干物质积累和产量确定。水稻产量范围为8216.90至9465.12 kg ha?1（补充表3），相应的EO为220,865.01至269,099.54 MJ ha?1。NTSM的EO最高，分别比CTSI、NTSR和CTSR高出0.61%–5.61%、7.12%–8.46%和7.59%–9.22%。

**秸秆管理和耕作方法对能源预算的影响**
NTSM通过高产量实现了最高的能源产出。秸秆覆盖和免耕农业的结合有效提高了农业生产率，从而增加了能源产出。这可能是因为秸秆覆盖通过调节土壤微生物群落改善了栽培层的养分含量，促进了水稻生长（Liu et al., 2023; Hashimi et al., 2023）。免耕农业通过改善土壤结构提高了产量。

**结论**
本研究评估并比较了中国西南地区各种耕作和秸秆管理处理方法的产量、能源、环境和经济效应：免耕覆盖秸秆（NTSM）、常规耕作结合秸秆还田（CTSI）、免耕去除秸秆（NTSR）以及常规耕作去除秸秆（CTSR）。NTSM简化了农业生产程序，减少了机械、燃料和劳动力投入，同时增加了有机物质投入。

**作者贡献声明**
成青月：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、调查、概念化；
舒传海：调查、正式分析；
史远青：调查、正式分析；
彭正波：调查、正式分析；
刘斌斌：可视化、调查；
陈琪琪：调查、正式分析；
刘宁：正式分析；
谢洪坤：调查；
铁霞娜：撰写——审稿与编辑；
陈松：撰写——审稿与编辑；
王忠林：撰写——审稿与编辑；

**资助**
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD2300401, 2023YFD2301901）、四川省自然科学基金（2024NZZJ0003, 2023YFN0046）以及成都市农业科学技术中心计划（NASC2024KY10）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。