优化直播水稻的氮释放模式：生命周期评估

《European Journal of Agronomy》：Optimizing nitrogen release patterns for direct-seeded rice: A life cycle assessment

精准氮肥释放模式对水稻生产效益与环境的影响研究。通过ROPV指标划分不同缓释氮肥（CRNFs）释放模式，发现平衡双峰释放模式（BDRM）在提高直接插秧水稻（DSR）产量（与尿素对照相当）的同时，减少氮素流失37.2%，降低温室气体排放16.2%，并提升生态经济效益187.5%。研究提出基于ROPV的标准化设计原则，为精准匹配作物氮需求提供理论支撑。

　　

Xinao Tang|Bo Lu|Xiaoyue Jiang|Zhengyang Wu|Ziyu Li|Yuhui Wang|Jie Sun|Hao Wu|Maomao Sun|Bin He|Shen Gao|Zhengrong Jiang|Yanfeng Ding|Weiwei Li|Zhenghui Liu|Haoyu Qian|Ganghua Li

南京农业大学三亚研究院，江苏省现代作物生产协同创新中心，南京农业大学作物生理生态与生产管理重点实验室，中国南京210095

摘要

控释氮肥（CRNFs）能够提高氮（N）的吸收量并减少氮损失，但直接播种水稻（DSR）的最佳一次性施肥释放模式仍不明确，不同CRNFs在整个生长周期内的效益也未得到充分量化。2023–2024年，我们通过盆栽和田间试验，从生命周期评估（LCA）的角度，研究了不同施肥方案下的产量、能源使用、氮和碳足迹、净利润以及净经济效益。我们提出了“峰值比率”（ROPV）作为表征CRNF释放特性的指标，即早期分蘖期（TS）的最大日氮释放率与后期抽穗期（PI）的最大日氮释放率之比。根据ROPV将CRNFs分为不同的释放模式；平衡双峰释放模式（BDRM）最符合DSR各生长阶段的氮需求。两年的田间结果表明，BDRM生产的谷物产量与分次施用尿素相当，同时氮吸收量增加了6.5%。LCA分析显示，BDRM减少了37.2%的活性氮损失和16.2%的温室气体排放。氮和碳足迹分别减少了39.3%和19.0%；净经济效益增加了187.5%，净能量增加了4.3%。一次性施肥还降低了劳动力成本，使净利润增加了20.3%。总体而言，ROPV在0.80–1.15范围内的CRNFs可以同时提高DSR系统的产量和环境性能，基于ROPV的设计原则有助于开发符合氮需求的专用CRNFs。

引言

尽管氮肥对全球粮食安全至关重要，但中国的农业中氮肥使用量普遍过量，导致严重的环境和健康风险（Chen等人，2014；Kanter等人，2020；Wu等人，2022）。因此，开发既能最大化作物生产力又能减轻环境风险的可持续氮管理策略已成为中国农业的紧迫任务。

控释氮肥（CRNFs）具有逐渐释放养分和可调节释放时间的特点，为精准氮管理提供了有前景的方法（Shen等人，2017；Irfan等人，2018；Ye等人，2020）。通过使氮供应与作物需求同步，CRNFs可以提高氮吸收量并减少环境影响（Zhang等人，2015）。此外，混合使用的CRNFs可以减少施肥次数，降低劳动力成本，并在降低成本的同时提高产量（He等人，2023）。

研究表明，CRNFs可以有效减缓硝酸盐（NO₃^--N）淋溶、氨（NH₃）挥发以及甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的排放，从而减少碳和氮的损失（Ke等人，2018；Jiang等人，2020；Liu等人，2020；Xu等人，2023）。然而，现有研究存在关键局限性：大多数研究仅关注农业生产过程，通常针对单一的活性氮（Nr）损失途径或单一的温室气体（GHG）排放。实际上，CRNFs的生产过程以及其他农业活动的排放也不容忽视。因此，需要采用生命周期评估（LCA）框架来全面评估CRNFs应用的经济性能、环境影响和生态效应（包括氮损失和温室气体排放）。

LCA是一种成熟的工具，通过将资源投入和污染物输出转化为影响指标，来量化产品整个生命周期的环境负担（Werf等人，2020；Wang等人，2025a；Wang等人，2025b）。在农业系统中，从摇篮到田间的LCA框架能有效评估农场层面的环境影响。本研究中的系统边界包括农业投入品（如化肥和其他农用化学品）的上游生产、农场内的田间操作（如机械使用和能源消耗）以及直接的田间排放（如NH₃和N₂O）。农场之外的过程（如农场外运输、收获后加工、分销和废物处理）被排除在外，因为这些过程不受肥料配方的影响，且在不同处理方式下影响相似（ISO，2006a；ISO，2006b）。例如，Xu等人（2022）应用ISO 14040和14044 LCA标准评估了稻麦轮作系统中的活性氮损失和温室气体排放，Zhang等人（2021）使用相同的标准表明，CRNFs在小麦中减少了氮和碳足迹（NF & CF），同时不损害净生态系统经济效益（EEB）。

直接播种水稻（DSR）占中国水稻种植面积的约三分之一（Wang等人，2020），是CRNFs应用的重要生产系统。然而，混合CRNF配方的开发仍主要依赖经验性调配来近似目标释放曲线，这使得不同研究之间的配方难以进行比较，阻碍了可复制设计标准的建立。为解决这一问题，我们提出了关键生长阶段氮释放率的峰值比率（ROPV）作为混合CRNFs的定量设计指标，提供了一个标准化参数，便于统一比较和可复制的配方开发。这一指标的提出基于以下机制：在机器插秧的水稻系统中，CRNFs在分蘖期（TS）和抽穗期（PI）通常表现出双峰释放模式，这与作物氮需求的“双峰”模式相匹配：TS期的氮释放促进分蘖生长，而PI期的氮释放增加每穗的小穗数；这两种效应共同增加了总小穗数，从而提高了谷物产量（Ke等人，2022；Liu等人，2023；Wang等人，2025a；Wang等人，2025b）。相比之下，DSR的氮吸收模式具有早期吸收缓慢、中后期需求强烈的特点（Ali等人，2015）。因此，为DSR设计的CRNFs不仅需要在关键阶段确保氮供应，还需要在TS和PI之间重新分配释放峰值的相对强度，使释放特性与其“早期缓慢、后期强烈”的需求模式相匹配。使用ROPV作为设计标准可以降低肥料氮释放与作物氮需求不匹配的风险，避免因关键阶段氮供应不足或非关键时期释放过量导致的产量和效率损失，从而提高产量稳定性及氮利用率（Golden等人，2009）。

总体而言，建立并采用基于ROPV的定量设计指标将有助于DSR系统中CRNFs的精准配方设计和标准化评估。同时，这一概念为其他具有明显阶段特定氮需求的作物提供了可转移的框架，有助于制定可比较和可扩展的CRNF配方优化指南。

基于初步研究，2023–2024年我们进行了盆栽和田间试验，目的如下：（i）确定DSR中一次性施用CRNF的适当ROPV；（ii）量化不同CRNFs对DSR系统生命周期碳和氮性能的影响；（iii）识别能够平衡经济效益和生态效益的肥料类型。这些发现有望支持DSR的可持续和清洁生产，并为肥料创新提供理论基础。

实验地点和肥料

盆栽实验于2023–2024年在南京农业大学丹阳试验站进行。水稻生长季节期间，2023年的平均温度为25.4°C，2024年为26.9°C。年降水量分别为1363.2毫米和923.0毫米。每日平均光合有效辐射分别为496.9微摩尔每平方米（2023年）和533.2微摩尔每平方米（2024年）（图S1）。试验土壤为粘壤土，pH值为6.4，含有18.7克每千克有机质，1.4克每千克……

谷物产量和氮吸收

BDRM的处理效果与CK相当，而PrSRM、SDDRM、DDRM和PoSRM的产量较低，这是由于小穗数显著减少。与CK相比，PrSRM、SDDRM、DDRM和PoSRM两年平均总小穗数分别减少了34.3%、17.0%、10.6%和5.3%（表1，S9）。

田间结果验证了上述发现。BDRM处理的效果与CK相当。相比之下，PrSRM和PoSRM的产量显著较低。

不同释放模式的CRNFs对DSR产量和氮吸收的影响

通过引入ROPV来量化CRNFs的释放率特性，我们发现保持ROPV在0.8到1.15之间（BDRM）时，产量与CK相当（图3A）。这一结果归因于双峰释放模式：TS期的早期释放峰值促进了有效分蘖的形成，PI期的第二个峰值增加了每穗的小穗数，从而使供应与水稻的“双峰”氮需求同步（表1，表S9；Ke等人，2022）。

结论

本研究根据ROPV对CRNFs进行了分类。结果表明，ROPV在0.8–1.15范围内的BDRM型肥料能够满足DSR整个生长期的氮需求，从而实现最高的谷物产量和氮吸收量。同时，它们通过降低施肥成本显著提高了经济效益。此外，BDRM处理显著减少了生命周期内的活性氮损失和温室气体排放，降低了氮和碳足迹（NF & CF），提高了净生态系统经济效益（EEB），并显示出更高的净能量输出。

作者贡献声明

Bin He： 数据整理。Shen Gao： 数据整理。Zhengrong Jiang： 监督、正式分析。Xinao Tang： 写作——初稿撰写、调查、正式分析、数据整理、概念构思。Yanfeng Ding： 监督、概念构思。Bo Lu： 调查、概念构思。Li Weiwei： 监督、方法论研究、资金筹集。Xiaoyue Jiang： 调查、数据整理。Zhenghui Liu： 概念构思。Zhengyang Wu： 调查、数据整理、概念构思。Haoyu Qian：

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了三亚亚洲湾科技城管理局研究项目（SKJC-2023–02–004）、海南省重点研发计划（科技 commissioner）（ZDYF2024KJTPY009）、简化水稻育苗技术应用研究（Hnky2024ZD-27）以及国家重点研发计划（2023YFD2302600）的支持。