在双季稻田中，利用乙烯与绿肥相结合的方法来提高水稻的产量、经济效益和能源利用效率

《Field Crops Research》：Using ethylene combined with green manuring to enhance rice productivity, economic benefit, and energy efficiency in double-rice paddy field

水稻双季种植中，绿肥结合乙烯处理可提升产量与经济效益，同时降低甲烷排放和碳足迹，其中早季和晚季均施乙烯处理（GE eh/lh）效果最优，可持续性指数达1.20-1.47倍。

　　

孙金鑫|周国鹏|常丹娜|刘瑞|刘晗|马正博|梁婷|刘佳|邹春琴|曹卫东

中国农业科学院农业资源与区域规划研究所，农业农村部高效利用耕地国家重点实验室，北京 100081，中国

摘要

背景

绿肥可以显著提高粮食产量和土壤肥力，但可能会增加稻田中甲烷（CH₄）的排放风险。因此，有必要制定策略来减少稻田中的 CH₄排放，同时保留绿肥的固有优势。

目标

本研究旨在通过结合使用绿肥和乙烯来开发更清洁、更可持续的稻米生产方法。

方法

进行了一项为期两年的田间试验，包括冬季休耕（CK）、使用绿肥（GM）、在早稻期和晚稻期分别结合使用乙烯（GE_ef、GE_lf）以及同时使用乙烯的两个稻季（GE_eh/lh），并调查了水稻产量、CH₄排放量和能源效率等指标。

结果

与 CK 相比，绿肥显著提高了年水稻产量、净收入、净能量和土壤有机碳固存率，分别增加了 5.7%–12.0%、804–2227 元/公顷、16.4–28.3 GJ/公顷和 1893–2023 公斤二氧化碳当量/公顷；同时，CH₄排放量增加了 27.8%–110.2%，碳足迹增加了 6.3%–44.6%。三种乙烯处理方法显著降低了年 CH₄排放量和碳足迹，分别降低了 34.5%–55.2% 和 26.5%–45.6%。值得注意的是，GE_eh/lh 处理方法的年净收入和能源利用效率最高，同时实现了最低的温室气体排放量和碳足迹。GE_eh/lh 处理方法的可持续性评估指数最高，是其他处理方法的 1.20–1.47 倍。

结论

在双季稻种植系统中，结合使用乙烯和绿肥，特别是 GE_eh/lh 处理方法，可以提高水稻生产力、经济效益和能源利用效率，同时减少碳足迹。

意义

该研究为在中国南方双季稻种植区提高水稻产量并减少 CH₄排放提供了一种潜在的实践方法。

引言

水稻（Oryza sativa L.）作为中国的主要粮食作物，占全球水稻总产量的 29%（FAOSTAT，2020）。稻田被认为是温室气体（GHG）排放的主要来源，分别占农业甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）总排放量的约 22% 和 11%（IPCC，2021；EPA，2022）。为了满足日益增长的食物需求，过度使用了化学肥料和农业机械，导致能源消耗增加和温室气体排放增加（Wu 等，2017）。化肥的使用导致温室气体排放增加了 20.1%、24.2% 和 43.5%，土壤酸化以及土壤质量下降（Tadesse 等，2024；Zhang 等，2022；Zhao 等，2019）。因此，需要开发能够在减少能源消耗的同时提高水稻产量和土壤质量的农业实践。

绿肥是提高双季稻种植系统产量和改善土壤质量的重要方法（Zhang 等，2017；Zhou 等，2025）。在中国，绿肥的潜在种植面积为 1148 万公顷，占稻田总面积的 37%（Cao 等，2023）。豆科绿肥不仅有助于大气氮（N）的固定（49 公斤/公顷），还能促进土壤有机碳（SOC）的固存（119 公斤/公顷），从而提高中国南方稻田的水稻产量和土壤质量（Fan 等，2023；Zhou 等，2025）。最近的研究表明，绿肥通过减少对化学肥料的依赖来降低能源投入，并通过增加能源产出来提高净能量（Huang 等，2023；Zhang 等，2023）。然而，绿肥对温室气体排放的影响仍需进一步研究（Raheem 等，2019）。基于 508 对配对数据的荟萃分析表明，绿肥的使用使稻田中的 CH₄排放量增加了 100%–103%（Lou 等，2024）。许多研究表明，长期水淹条件下，绿肥通过增加碳底物的可用性促进了甲烷菌的生长，从而增加了 CH₄排放（Lee 等，2010；Ma 等，2024）。然而，绿肥对稻田土壤中 N₂O 排放的影响尚不清楚。一些研究表明，绿肥通过提高氮利用效率和减少氮损失来减少 N₂O 排放（Daba 等，2025；Yang 等，2022；Zhu 等，2012），而其他研究则认为绿肥通过促进氮矿化来增加 N₂O 排放（Tang 等，2015；Zhong 等，2021）。因此，在稻-稻-绿肥种植系统中，迫切需要节约能源和减少温室气体排放。

乙烯是一种通过 ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸）合成酶和 ACC 氧化酶的催化作用合成的植物激素，通过调节根系生长来调控植物的抗逆性和作物产量（Habben 等，2014；Dubois 等，2018）。在淹水条件下，乙烯刺激程序性细胞死亡，促进通气组织的形成，从而维持水稻根系的生长（Geng 等，2023；Yamauchi 等，2022）。值得注意的是，乙烯在控制 CH₄排放中起作用。最近的一项研究表明，在盆栽实验中，乙烯显著减少了 90% 的 CH₄排放，尽管实验周期相对较短（Cho 等，2022）。然而，一些研究表明，乙烯可以通过竞争性地结合到 CH₄ 单加氧酶的活性位点上来抑制甲烷氧化菌和 CH₄ 向甲醇的转化（Bu 等，2019；Zhou 等，2013）。CH₄ 的氧化被认为是调节 CH₄排放的关键过程，90% 的 CH₄ 可以被甲烷氧化菌氧化（Krüger 等，2002；Rajendran 等，2024）。先前的研究表明，乙烯通过增强水稻根系的通气组织和提高土壤氧化还原电位来促进氧气的运输（Yamauchi 等，2018；Yuan 等，2023）。然而，稻田土壤中较高的氧气含量可能会通过创造更适宜的硝化作用和反硝化作用条件来增加 N₂O 的排放风险（Li 等，2024；Yamauchi 等，2022）。目前尚不清楚乙烯是否会导致净温室气体排放效应，关于在稻-稻-绿肥种植系统中施用乙烯的能源效率和碳足迹（CF）的研究也很少。

通过生命周期评估（LCA）来评估 CF 是一种量化总温室气体排放（包括直接和间接温室气体排放）以及 SOC 固存的全面方法（Ma 等，2024；Yadav 等，2017）。能源投入，包括化肥、农药、机械和劳动力，对提高水稻产量尤为重要（Singh 等，2019）。然而，这些投入通常会导致温室气体排放的增加（Du 等，2023；Talukder 等，2019）。因此，能源利用效率对于推进可持续农业至关重要。此外，经济效益是水稻农民和政策制定者发展环境可持续农业系统的主要驱动力（Xi 等，2024）。因此，对经济效益、能源利用效率和 CF 的全面评估有助于指导更清洁的农业生产实践的发展。

量化乙烯施用持续时间对能源利用效率和温室气体排放的影响对于制定节能和减少温室气体排放的策略以及评估稻-稻-绿肥种植系统的经济效益至关重要。乙烯释放剂乙烯酚在稻田土壤中迅速分解，限制了乙烯的可用时间。我们假设，与冬季休耕相比，使用绿肥可以提高水稻产量，但同时会刺激 CH? 排放；而适当的乙烯酚施用策略可以在双季稻种植系统中有效提高水稻产量并减少 CH? 排放。为此，进行了一项为期两年的田间实验，以测量水稻产量、温室气体排放、经济效益、能源和 CF。本研究的目标如下：（1）评估乙烯对温室气体排放的影响；（2）量化经济效益、能源和 CF；（3）计算可选乙烯施用期的可持续性评估指数。这些发现为结合使用绿肥和乙烯以促进更可持续的农业实践提供了理论基础。

实验设计

本研究中的稻-稻-绿肥种植系统实验于 2023 年 4 月至 2025 年 4 月在中国江西省高安市进行（115°7′34″ 东经；28°15′21″ 北纬）（图 S1）。实验地点的平均温度为 19°C，年平均降水量为 1400 毫米。基本土壤性质如下：SOC 21.5 克/千克；总氮 1.71 克/千克；总磷 0.62 克/千克；有效磷 38.2 毫克/千克；有效钾 133 毫克/千克；pH 值 6.11

水稻产量和经济效益

在所有处理组中，2023 年的水稻产量范围为 14,401 至 15,879 公斤/公顷，2024 年为 14,538 至 16,271 公斤/公顷（图 1a，1b）。与 CK 相比，绿肥使 2023 年的水稻产量增加了 4.4%–10.3%，2024 年增加了 6.3%–11.9%。与 GM 处理组相比，GE_eh/lh 处理组在 2024 年显著提高了水稻产量 5.3%。在所有经济投入中，劳动力占总经济投入的比重最大（57.3%），其次是柴油（8.2%）和氮

水稻产量和经济效益

2023 年绿肥使水稻产量增加了 4.4%–10.3%，2024 年增加了 6.3%–11.9%（图 1a，1b），这归因于土壤质量指数提高了 0.73–1.02，植物氮吸收增加了 14.6%–30.7%（图 S5，S6），与先前的研究结果一致（Gao 等，2023；Zhou 等，2025）。值得注意的是，2024 年 GE_eh/lh 处理组的水稻产量比 GM 处理组高 5.3%。这种增加可能是由于乙烯的应用促进了水稻根系的活性（Sun 等，2025

结论

绿肥不仅显著提高了水稻生产力并使土壤有机碳（SOC）固存率增加了 6.8%，即 1893 公斤二氧化碳当量/公顷年，还增加了 CH₄排放量和碳足迹，分别增加了 110.2% 和 44.6%。与单独使用绿肥的处理组相比，结合使用乙烯的绿肥在 2023 年显著减少了 33.8%–50.0% 的 CH₄排放量，在 2024 年减少了 35.0%–59.8% 的 CH₄排放量。同时，单位面积和单位能量产量的碳足迹分别减少了 26.5%–45.6%

CRediT 作者贡献声明

孙金鑫：撰写——原始草案、方法论、调查、数据分析、概念化。周国鹏：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论、数据分析。常丹娜：监督、数据分析、概念化。刘瑞：方法论、数据分析、概念化。刘晗：软件、方法论、调查。马正博：方法论、数据分析、数据管理。梁婷：调查、数据管理。刘佳：项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2021YFD1700200）、国家自然科学基金（32573148、32202609）、安徽省自然科学基金（2508085Y024）、安徽省教育厅自然科学研究项目（2025AHGXZK20075）、中央公益性科研机构基础研究基金（CAASZDRW202417）以及CARS-绿肥专项基金（CARS-22）的财政支持。