《Field Crops Research》：Achieving co-benefits in enhancing rice productivity and mitigating the eco-environmental impacts through root zone precision nitrogen management in large-scale farms
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水稻种植系统根区精准氮管理（RN）技术对农学及环境效益的影响评估。通过三年田间试验发现，RN较传统施肥提升产量4.0-11.6%，净利润16.6-32.3%，同时降低氮足迹57.1-57.9%和碳足迹38.0-38.2%，生态系统经济效益增加122.3-152.5%。最佳施氮量为300 kg/ha。
王斌|横山所罗门|穆罕默德·艾哈迈德·阿克拉姆|陈晓琴|王一柳|穆罕默德·伊尔凡|卢新源|扎玉杰|卢建军|王惠艳
中国科学院土壤科学研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，南京 211135，中国
摘要
在大规模水稻种植系统中，提高作物产量需要大量的肥料、水和能源投入，这导致了较高的环境成本和较低的生态指数。本研究旨在通过生命周期评估（LCA）来评估最近开发的根区精准氮（N）管理技术对农业生产和可持续性的潜在影响。在2021年至2023年的三年期间，我们在淮海农场进行了为期三年的田间试验，该农场是一个大规模的种植基地。结果表明，与农民的传统做法（FP）相比，精准氮管理技术在农场经济和环境方面更为有效：它提高了粮食产量（4.0–11.6%）、净收益（NR）（16.6–32.3%）和能源生产力（11.2–13.9%）。同时，精准氮管理技术减少了单位产量的氮足迹（57.1–57.9%）和净收益足迹（63.1–64.9%），这得益于NH?、N?O和CH?排放的减少。由于劳动力、生态系统和人类健康成本的降低，生态系统经济效益（EEB）增加了122.3–152.5%。研究发现，每公顷施用300公斤氮的精准氮管理方案在其综合效益方面最为合适。这些结果表明，通过精准氮管理技术优化肥料施用可以成为促进大规模水稻农场可持续性的有效策略。此外，这项技术也有望应用于其他作物系统和低产地区。
引言
集约化农业系统面临着在资源与能源日益紧张的情况下确保全球粮食安全和最大化经济效益的双重挑战。作为主食，水稻是全球粮食安全的基石，占世界耕地面积的11%，提供了超过20%的膳食热量（FAO，2024年）。然而，其生产系统伴随着巨大的环境成本：水稻田导致了全球10%–15%的人为甲烷排放（IPCC，2021年），而氮肥的使用占全球农田N?O排放的11%和农业氮损失的18%（Guo等人，2022年；He等人，2024年）。这些影响源于厌氧土壤中的甲烷生成条件与过量氮输入的协同作用（Cai等人，2023年）。此外，在耕地减少、全球气候变化和劳动力短缺的背景下，农业能源消耗持续增加以满足不断增长的人口需求。然而，这种对能源密集型农业投入（包括肥料、灌溉、改良种子和人工劳动）的依赖带来了重大挑战。这些做法不仅加剧了公共卫生问题，增加了经济负担，还降低了经济回报和整体能源利用效率。为了解决这些紧迫问题，并应对全球和国家层面的能源限制及劳动力短缺，迫切需要减少能源投入并提高能源效率。
在中国，农业劳动力的数量和结构变化推动了大规模农业企业的快速发展（Yu等人，2020年）。然而，这些系统的农业管理仍处于起步阶段。与小农户模式相比，为了维持长时间内的高产量，人们不得不依赖资源密集型做法（如过度施肥和灌溉），导致资源利用效率低下和氮、碳损失增加，成为大规模水稻生产可持续性的主要制约因素。
为了解决这些问题，综合养分管理策略（如精准氮管理（Zhou等人，2025年）、基于土壤测试的施肥（Ahmad等人，2025年）和控释肥料（Dun等人，2025年）在发展中国家推动了可持续集约化的显著进展。中国的零增长肥料行动计划使全国肥料使用量减少了12.3%（2015–2023年），同时水稻产量增加了8.7%（NBSC，2024年）。然而，这些优化的施肥方法仍面临挑战，包括高劳动强度、较高的管理成本、频繁的施肥需求和较低的养分利用效率（Cohn等人，2017年）。它们的经济可行性仍不足以满足简化的大规模现代农业系统的需求。因此，在大规模农场管理单元中，开发能够有效减少资源与能源投入的同时提高产量的精准施肥系统对于实现水稻生产的可持续性和减缓全球气候变化具有双重战略意义。
精准氮管理技术作为一种有前景的策略，通过单次基础肥料施用来简化养分管理流程，同时提高作物产量和氮利用效率（NUE）。该技术将肥料精准施用于活跃的根系生长区，外围区域则作为辅助养分区和养分损失拦截区，从而最小化养分损失（Liu等人，2017年）。实证田间验证表明，精准氮管理技术通过提高分蘖存活率和谷物重量，使主要谷物作物（水稻、小麦和玉米）的产量提高了5%以上（Jiang等人，2018a；Song等人，2022年；Song等人，2023年）。除了农业效益外，精准氮管理还带来了显著的环境效益，例如与传统尿素施用相比，洪水中氮浓度显著降低，氨挥发量接近不施用氮肥的对照组水平（Wang等人，2025年）。Deng等人（2019年）报告称，将尿素施用于距水稻根区5–10厘米处，分别减少了49–76%、55–81%和57–69%的CH?、N?O和CO?排放。在大规模水稻农场中，对肥料、燃料和电力的高度依赖增加了生产成本和能源消耗，而活性氮和温室气体排放则产生了巨大的外部生态系统和人类健康成本。因此，评估根区精准氮管理技术不仅需要传统的农业指标（产量、氮利用效率），还需要能源利用指标和生态系统经济效益（EEB），以衡量盈利性与环境影响之间的权衡。
尽管有越来越多的证据表明精准氮管理技术在农业表现上有效——特别是在提高农业生产力和氮利用效率以及减少氮损失方面（Niu等人，2020年；Ding等人，2024年），但其更广泛的环境影响——尤其是在上游和运营生命周期阶段——仍不为人所充分了解。因此，进行全面的环境影响评估对于将精准氮管理技术置于可持续农业和气候缓解框架内至关重要。生命周期评估（LCA）是一种评估产品生命周期各阶段环境负担的方法标准，可将资源消耗和排放转化为标准化的影响指标（Van der Werf等人，2020年；Xu等人，2020b）。尽管精准氮管理技术在中国作物生产中具有显著的经济和环境协同效应，但目前的评估主要依赖于基于文献的统计分析，缺乏将LCA与直接排放测量相结合的综合性田间实验。
作为中国重要的水稻种植区，江苏省北部的淮海农场（面积超过6667公顷）代表了一个高投入的集约化系统。这里的氮肥施用量比小农户高出50%以上（Song等人，2022年），但由于快速的灌溉-排水循环，仍发生了大量的氮损失。在这种高养分和高水分需求的条件下，精准氮管理的综合影响对产量、经济可行性和生态平衡的影响仍不明确。我们的核心目标是确定精准氮管理技术是否能够在保持或提高大规模移栽水稻产量的同时，减少氮损失和环境足迹。能源利用和生态系统经济效益作为补充指标，有助于确定适用于精准氮管理的合理氮肥施用量。这项研究为理解精准氮管理如何减少环境足迹、提高生态系统服务价值以及实现可持续水稻生产系统提供了理论和实证基础。
实验地点
实验于2021年6月至2023年10月在中国江苏省盐城市淮海农场进行（34°16′N，119°57′E）（图S1）。该地点位于淮河流域下游，属于亚热带湿润季风气候，年平均气温为13.5°C，年平均降水量约为910毫米。土壤类型为粘壤质淋溶土，0–20厘米土层的基线物理化学性质详见表S1。
作物产量和经济收益
在三个水稻生长季节中，随着肥料投入量的增加，粮食产量先上升后下降（图2A）。N0处理组的平均产量为4.95吨/公顷。与N0处理组相比，所有氮处理组均显著提高了粮食产量，其中RN-N375处理组的产量最高。在225、300、375和450公斤/公顷的氮肥施用量下，精准氮管理处理组的产量分别提高了10.3%、11.6%和9.5%。
精准氮管理对水稻产量、经济收益和氮利用效率的影响
精准氮管理是一种有效的养分管理策略，能够提高氮的吸收和作物产量（Jiang等人，2018b）。在相同的氮肥施用量下，精准氮管理处理组的产量显著高于传统做法（FP），这一结果与Liu等人（2017年）的研究结果一致。产量提高的原因在于精准氮管理减少了土壤与肥料之间的接触面积，从而减少了氮的固定，并集中了养分供应。
结论
精准氮管理通过减少氮肥损失和满足作物生长阶段的营养需求，改善了农业、经济和环境表现。与传统做法相比，精准氮管理使产量提高了4.0–11.6%，净收益提高了16.6–32.3%。同时，它通过抑制N?O、NH?和CH?的田间排放，减少了生命周期内的氮损失和温室气体排放。因此，精准氮管理显著降低了单位产量的氮足迹（57.1–57.9%）和氮足迹强度（38.0–38.2%）。
作者贡献声明
卢建军：写作——审稿与编辑、方法论、研究、资金获取、数据分析。扎玉杰：写作——审稿与编辑、研究、数据分析。王惠艳：写作——审稿与编辑、方法论、资金获取、概念构建。横山所罗门：写作——审稿与编辑、研究、数据分析。王斌：写作——初稿撰写、方法论、研究、数据分析。陈晓琴：写作——审稿与编辑、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
