机械侧深施肥协同控释肥驱动水稻低碳高效生产的集成研究

《Agriculture》：Mechanical Side-Deep Fertilization Synergizes with Controlled-Release Fertilizer to Drive Low-Carbon and High-Efficiency Rice (Oryza sativa L.) Production Manman Yuan, Jiabao Wang, Gang Wu, Jian Jin, Yegong Hu, Chuang Liu, Qi Miao, Pingping Wu and Yixiang Sun

本文通过为期两年的田间试验，系统评估了机械侧深施肥结合控释肥(SD-CRF)模式对水稻产量、能源消耗、碳足迹及经济效益的综合影响，并与传统农作模式(FPP)及表面撒施控释肥模式(S-CRF)进行对比。研究结果揭示了SD-CRF在显著提高产量(增产>9.2%)、降低生产碳强度(CIP)及提升能量利用效率(EUE)方面的协同优势，验证了其为实现高产、高效、低碳的可持续水稻生产提供了可行的技术路径。

　　

引言：农业低碳转型的迫切需求与技术创新

在全球气候变化挑战日益严峻的背景下，减少碳排放并提高生产能效是实现农业碳中和的核心路径。作为全球近半数人口的主粮，水稻(Oryza sativa L.)生产过程中的肥料施用、机械作业等环节伴随着大量能源消耗与碳排放，成为实现农业碳中和的关键调控对象。中国长三角作为主要水稻产区，其产量占全国35%，但当前农民实践模式(FPP)下，机插率仅为55–65%，氮肥施用量高(180–220 kg N ha^?1)，导致水稻碳足迹高达0.8–1.0 kg CO₂-eq kg^?1。氮肥输入占总碳输入的25–30%，其频繁的表施会引发强效温室气体N₂O排放(N₂O的温室效应是CO₂的298倍)、NH₃挥发及径流损失，加剧气候变暖与水污染。与此同时，农村劳动力短缺加速了生产机械化(如机械插秧、侧深施肥)，但机械燃油与化肥生产排放也影响着稻田的能源消耗与碳足迹。控释肥(CRF)与机械侧深施肥被认为是提高水稻生产效率和减少排放的关键技术。CRF通过包膜技术将氮素释放期延长至90–120天，减少了施肥频率，提高了氮肥利用率，并能将N₂O排放降低20–49%。机械侧深施肥实现了插秧与肥料深施(5–6 cm土层)同步，可减少NH₃挥发40%，CH₄排放降低12–44%，并将氮肥利用率提高15–20%。然而，现有研究多关注单项技术的减排效应，缺乏对“一次性CRF施用+侧深施肥+机械插秧”这一集成技术体系下，系统评估其对全生命周期能源流与碳收支，特别是协同影响的研究。为此，本研究在长三角典型稻区开展了为期两年的田间试验，旨在通过量化不同模式的能量输入输出、碳足迹及经济效益，明确机械化水稻生产碳排放的关键驱动因子，并评估机械侧深施用CRF在降低能耗与碳足迹方面的协同效应。

材料与方法：系统量化能源、碳与经济综合效益

试验于2019和2020年在安徽省明光市进行，该地区属北亚热带气候。试验设置了三种施肥/栽培模式，各3次重复：农民实践模式(FPP)、表面撒施控释肥配合机插秧(S-CRF)以及侧深施用控释肥配合机插秧(SD-CRF)。各处理在种植方式与施肥措施上存在主要差异。为便于机械化操作，每种模式设一个大区(20 m × 80 m)，每个大区内平均间隔6.7米划分出3个重复，每个重复面积536 m²。与 详细说明了各模式的管理措施与资源消耗。

研究系统计算了涵盖种子、化肥、农药、柴油、电力、机械、灌溉水及劳动力的能源消耗/输入，并利用能量系数计算了各处理的总能量输入。能量输出则基于水稻籽粒和秸秆产量及其能量系数确定。随后计算了净能量(NE)、能量利用效率(EUE)、能量生产率(EP)和比能(SE)等指标。列出了各项能量系数、碳排放系数与经济成本。

碳收支估算方面，总碳输入基于从播种到收获的各项田间投入计算，并使用碳系数进行转换。碳输出计算为水稻籽粒和秸秆产量与其各自碳系数的乘积之和。研究定义了以每千克稻谷为功能单位的生产碳强度(CIP)，并计算了碳利用效率(CUE)、碳可持续指数(CSI)等参数，以有效研究碳预算。

为精确评估水稻生产的能源消耗与环境影响，研究采用了数据包络分析(DEA)这一非参数方法来量化不同农业生产系统的生态效率。在经济分析中，依据当地市场价格评估了不同栽培模式的经济学效益，计算了总收入、净收入及益本比。最后，采用单因素方差分析和Tukey多重比较检验分析了处理间的差异，并利用Pearson相关法分析了参数间的关系。

结果：SD-CRF在产量、能效、低碳与经济上全面占优

水稻生产力：在所有栽培模式中，2019年的籽粒和秸秆产量均高于2020年。侧深施用控释肥模式(SD-CRF)获得了最高的平均籽粒产量(8954 kg ha^?1)和秸秆产量(8762 kg ha^?1)，与S-CRF相比，籽粒和秸秆产量分别显著增加了9.2%和8.8%。

能量输入与利用：FPP的平均能量输入最高(3.78 × 10¹⁰J ha^?1)，而S-CRF和SD-CRF的平均能量输入相同(3.69 × 10¹⁰J ha^?1)。与FPP相比，S-CRF和SD-CRF使化肥能量输入降低了15.3%，劳动力能量输入分别降低了36.7%和40.0%，但柴油和机械能量输入分别增加了19.7%和3.9%。在能量利用方面，与FPP和S-CRF相比，SD-CRF显著提高了总能量输出、净能量(NE)、能量利用效率(EUE)和能量生产率(EP)，平均增幅分别为8.6%和9.0%、10.9%和10.8%、11.3%和9.1%、14.0%和9.3%。同时，SD-CRF的比能(SE)较FPP显著降低了12.3%。

碳足迹：FPP在2019和2020年的平均碳输入最高(1112 kg CO₂-eq ha^?1)，而S-CRF和SD-CRF的平均碳输入分别为1087和1086 kg CO₂-eq ha^?1。总碳输入的差异主要由劳动力、化肥、柴油和机械的碳贡献变化所驱动。在这四个碳源中，化肥碳输入(22.2–26.2%)是仅次于灌溉水的第二大贡献者。SD-CRF的碳输出显著高于FPP和S-CRF，平均增幅分别为8.4%和9.0%。SD-CRF的碳利用效率(CUE)和碳可持续指数(CSI)较FPP分别提高了10.1%和12.9%，较S-CRF分别提高了9.1%和10.7%。同时，SD-CRF的生产碳强度(CIP)较FPP和S-CRF分别降低了9.7%和8.2%。DEA分析显示，FPP和SD-CRF在两年内的碳效率得分均为1.00，平均比S-CRF高8.0%。

经济效益：FPP的投入成本在两年中均为最高，平均为1960 USha^?1。S?CRF和SD?CRF的经济投入接近，平均分别为1606和1546USha^?1。劳动力投入成本最高，其次是化肥投入成本。与FPP相比，S-CRF和SD-CRF使劳动力经济投入的贡献降低了24.6%和25.8%，但使化肥经济投入的贡献增加了26.0%和30.9%。SD-CRF的总收入显著高于FPP和S-CRF，在2019和2020年平均分别增加了9.2%和11.3%。与FPP相比，S-CRF和SD-CRF使净收入分别增加了47.6%和81.8%，益本比分别增加了24.4%和37.4%。单参数敏感性分析显示，CRF价格和稻谷价格是影响SD-CRF经济优势的高度敏感参数。当CRF价格上涨至$0.60 kg^?1(较基线上涨33.3%)时，净收入将较基线下降18.2%，其相对于FPP的经济优势消失。双参数敏感性分析进一步勾勒出SD-CRF经济可行的范围：CRF价格 ≤ $0.62 kg^?1且稻谷价格 ≥ $0.33 kg^?1。

参数间关联：能量利用效率(EUE)与能量输出、净能量(NE)、能量生产率(EP)、碳输出、碳利用效率(CUE)、碳可持续指数(CSI)、总收入、净收入、益本比及籽粒产量均呈正相关。生产碳强度(CIP)则与上述多数指标呈负相关。净收入与能量输出、NE、EUE、EP、碳输出、CUE、CSI及总收入均呈正相关。

讨论：SD-CRF的优势、挑战与推广路径

提高能量利用效率：研究表明，尽管SD-CRF增加了机械和柴油的投入，但其降低了总能量输入，增加了总能量输出，从而提高了能量利用效率(EUE)。这主要得益于三个因素：机械插秧时同步侧深施肥将施肥与插秧作业一体化，替代了人工，大幅提高了工作效率；CRF的精准施用不仅将化肥用量减少了41 kg ha^?1，还节省了163 h ha^?1的追肥人工；含有控释氮肥和钾肥的CRF确保了水稻生长后期的稳健生长，从而提高了产量。值得注意的是，SD-CRF下劳动力投入急剧下降，而柴油/机械投入小幅上升，劳动力能量输入的减少是以柴油能量输入的增加为代价的。因此，在应用机械化水稻栽培时，应注意优化柴油投入量并提高机械利用效率，以进一步增强节能效果。SD-CRF的总能量输入高于泰国、印度和菲律宾等国的水稻生产，这很可能与中国采用机械化收割有关。化肥和柴油是两大主要能量输入源，占总能量输入的61.7–62.1%，优化化肥和燃料投入对于降低水稻生产的整体能耗至关重要。尽管SD-CRF的能量利用效率(EUE)低于华中地区不同的水稻实践模式，这主要是由于SD-CRF的能量输入较高。未来需在SD-CRF基础上，通过育种高产高效水稻品种、提高农业机械效率、使用生物有机肥提升地力等措施，在减少能源消耗的同时降低环境影响。

降低碳足迹：在本研究中，三种栽培模式碳足迹的主要输入来源是灌溉水、化肥、柴油和机械投入，分别约占总碳输入的45%、25%、15%和13%。与之前的研究相比，化肥碳输入比例下降了38%，而柴油和机械碳输入比例分别上升了50%和160%。这表明，机械和柴油碳输入的增加有助于减少化肥碳输入。然而，需要更高效的节能机械和合理的田间管理来平衡机械、柴油和化肥的碳输入，从而降低水稻栽培的碳足迹。FPP和SD-CRF一致的DEA结果(效率得分均为1.00)支持了这一观点，尽管两者投入结构差异巨大，SD-CRF以更少的非可再生投入实现了相似或更高的产量，显示出更低的碳强度、更高的经济效益和更好的环境可持续性。此外，灌溉碳输入已位居总碳输入之首，提高水分利用效率是减少灌溉相关碳输入的主要途径。干湿交替灌溉(AWD)等水分管理策略通过改变土壤氧化还原电位，可比持续淹水更有效地将CH₄排放减少30–50%。SD-CRF可通过提高氮肥利用率来减少与肥料相关的N₂O排放。因此，AWD与SD-CRF相结合，可以实现直接温室气体排放和资源消耗碳输入的双重减少。未来研究将比较不同的灌溉制度及其与SD-CRF的协同作用，以优化可持续水稻种植的碳足迹和能源效率。

提高生产力与经济效益：与FPP相比，S-CRF虽然减少了插秧劳动力投入，但增加了机械和燃料成本，导致总投入成本相近，且水稻产量未有显著增加，因此未能带来比FPP更高的经济效益。相比之下，SD-CRF的净收入和益本比均显著高于S-CRF和FPP。主要原因是SD-CRF综合应用了“一次性CRF施用+侧深施肥+机械插秧”技术，不仅提高了籽粒产量和总收入，还降低了经济投入。SD-CRF的劳动力经济投入较FPP降低了41.5%。此外，由于CRF生产工艺的改进和用量的减少，生产成本得以降低，因此SD-CRF下的化肥经济投入并未增加。机械和柴油成本的增加幅度也适中。CRF价格是决定农民采用SD-CRF技术的关键因素，本研究中的价格为$0.45 kg^?1。进一步估算表明，当CRF价格达到$0.60 kg^?1时，施用SD-CRF的优势将消失。因此，通过技术创新和规模化生产降低CRF的生产成本，对于SD-CRF的推广应用至关重要。本研究使用的CRF以聚氨酯包膜，这种合成聚合物在土壤中降解周期长，长期施用可能导致微塑料累积，改变土壤孔隙结构和水力传输效率，进而影响作物根系生长和养分吸收。目前，多种可降解包膜材料(包括天然高分子基材料、合成可降解高分子材料和无机矿物材料)已应用于CRF生产，可作为合成高分子包膜的有效替代品，降低SD-CRF技术应用带来的环境风险。为促进更广泛的采用，需要加强免费技术培训和现场指导；引入覆盖成本30–50%的政府机械补贴；建立统一的农村CRF配送网络以确保稳定供应；并优先推广使用可降解包膜CRF。

结论：迈向气候智能型水稻生产的可行路径

本研究证明，机械侧深施肥与控释肥的协同集成(SD-CRF)是促进长三角地区水稻低碳高效生产的有效策略。具体而言，与农民实践模式(FPP)相比，SD-CRF使籽粒产量提高了11.3%，总能量输入降低了2.5%；与表面撒施控释肥模式(S-CRF)相比，产量提高了9.2%，能量输入降低了2.4%。通过深施肥和持续释放养分的优化管理，SD-CRF减少了对频繁人工追肥的依赖，提高了氮肥利用率，并减轻了温室气体排放和劳动密集型操作。与这些低碳高效优势相一致，SD-CRF还将生产碳强度(CIP)较FPP和S-CRF分别降低了9.7%和8.2%。在经济上，其净收入较FPP显著提高了81.8%，益本比提高了37.4%。综上所述，这些数据证实，SD-CRF通过降低劳动力成本和获得更高的市场回报，在减少能源消耗和碳足迹的同时，提高了籽粒产量和经济收益。这些成果平衡了农业生产率、能源效率和温室气体减排，使SD-CRF成为气候智能型水稻生产的可行解决方案。未来研究应细化农艺实践并提高机械效率，以最大化协同效益，促进规模化应用，并为全球可持续粮食系统和碳中和目标做出贡献。