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期刊：Agronomy for Sustainable Development 1区TOP/IF=7.3![]() 在全球范围内，种植密度的增加提高了玉米产量，并极大地影响了与NUE相关的指标。；![]() 较高的种植密度促进了吐丝前植株氮素的积累及其在籽粒中的再动员；![]() 高种植密度下氮素利用效率的提高可以解释为根系对氮的有效吸收，尽管根系大小受到很大限制；![]() 协调基因型改良，优化氮素和水分管理，以密植提高玉米产量和氮素利用率。 |
由于其经济优势在许多国家得到了迅速的普及，水稻-小龙虾共养系统(RCs)是一种新型的水稻种植技术。肥料的大量施用往往是为了获得更高的利润，但对资源和环境的负担很大，特别是在碳排放方面。探索高产、低碳排放的最优施肥策略对RCs的可持续发展至关重要。然而，关于碳排放的信息并不完整，包括水稻生长季的间接碳排放和小龙虾养殖期间的碳排放。本研究通过田间试验，研究了不施肥(CK)、农户实践(FP)、优化施肥(OPT)、仅施有机肥料(OF)和有机肥替代(OPTOF) 5种施肥策略对RCs产量、经济效益、温室气体(GHG)排放、碳足迹和可持续发展指数的影响。本研究旨在：(1)确定年生产力和年温室气体排放量对不同施肥策略的响应;(2)从单位公顷、单位千克水稻产量、单位能量产量(EY)和经济产出等方面综合评价RCs的碳足迹;(3)确定维持水稻籽粒稳定和降低化肥用量以提高RCs可持续性的最优施肥策略。研究结果将有利于发展中国家的可持续性。田间试验在中国中部湖北省监利县(30°05′42″N, 114°52′04″E)进行，并于2019年启动(图1a)。试验前，该农田长期处于常规水稻种植模式(水稻-休耕轮作)。田间实验于2021-2022年期间进行。试验点位于亚热带季风带，2021年水稻季平均温度和总降雨量为18.3°C和1235 mm, 2022年为18.6°C和1063 mm(图S1);雨季集中在6月至8月。土壤母质为现代水稻冲积层和湖泊冲积层，为砂质粘壤土，砂质占23.6%，粉质占60.7%，粘质占15.7%。0 ~ 20 cm土层pH为7.8，有机质为24.6 g/kg，全氮为1.4 g kg - 1, Olsen-P为14.2 mg/kg，速效钾为244.0 mg/kg。![]()
图1 试验场地位置图(a)、试验田位置图(b)、水稻-小龙虾共养系统生产田结构示意图(c)、水稻-小龙虾共养系统生产管理流程示意图(d)、温室气体收集静态室(e)。田间试验包括5个处理，3个重复，采用随机完全区组设计。处理包括:(1)不施肥(对照，CK);(2)当地农民惯例(FP)，根据当地农民惯例(150 kg N ha-1、112.5 kg P2O5 ha-1和112.5 kg K2O ha-1)确定化肥施用量。移栽前1天施75%的氮肥，磷、钾全部作基肥(复合肥，N- p2o5 - k2o =15% ~ 15% ~ 15%)，移栽后10天施25%的氮肥作分蘖肥(尿素，46%氮肥);(3)优化施肥(OPT)，即根据当地水稻产量(6.00 ~ 6.75 t ha-1)所需的养分数量和土壤养分供应量施用氮肥100 kg ha-1, P2O5 ha-1 27.3 kg, K2O ha-1 54.5 kg;所有肥料作为基肥施用(水稻-小龙虾专用复混肥，N-P2O5-K2O=22% ~ 6% ~ 12%，以腐殖酸、脲酶和硝化抑制剂、枯草芽孢杆菌为原料);(4)仅施有机肥(OF)，与最适施肥处理的氮素水平相同的有机肥;有机肥施用量为4.55 t ha-1 (100 kg N ha-1, 88 kg P2O5 ha-1, 84 kg K2O ha-1);试验有机肥类型为商品有机肥(动植物源混合产品)，氮、磷、钾含量分别为2.22%、0.86%、1.54%和45.8%;所有肥料均作为基肥施用;(5)以OPT为基础的有机肥替代(OPTOF)，即在OPT处理的基础上以有机肥替代30%的化学氮肥。施氮量分别为100 kg N hm -1、45.5 kg P2O5 hm -1和63.5 kg K2O hm -1;所有肥料均作为基肥施用。其余方法见原文。
大米和小龙虾产量和经济效益
表1 2021年和2022年不同施肥策略下水稻和小龙虾的实际产量和年能量产量。CK、FP、OPT、OF和OPTOF分别为不施肥、当地农户措施、优化施肥、纯有机肥和以OPT为基础的有机肥替代。![]()
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图1 2021年(a-c)和2022年(d-f)不同施肥策略下土壤CH4和N2O累积排放及全球变暖潜势(GWP)误差条表示均值的标准误差(n=3)。不同施肥方式差异显著(P < 0.05)。由于COVID-19，无法获得2022年4月至6月的CH4和N2O排放量。
间接温室气体排放
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图2 不同施肥策略下不同投入物(a)的间接温室气体排放及其贡献(b)。
土壤有机碳和土壤净温室气体平衡
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图3 不同施肥策略对土壤有机碳和土壤净温室气体平衡的影响
CFs![]()
图4 不同施肥策略的年平均碳足迹。CFA、CFGY、CFEY、CFEC分别是单位面积碳足迹(a)、每公斤粮食产量(b)、每单位能源产量(c)和每单位经济产出(d)。
SI
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图5 不同施肥策略下的可持续性指数(SI, a)和不同评价参数对SI的贡献(b)。
本研究分析了5种施肥策略对RCs生产力、经济效益、年温室气体排放量(水稻生长季和小龙虾养殖期)、碳足迹和可持续发展指数的影响。结果证实，与目前农民的做法相比，优化施肥允许小龙虾产量相等或更高(104%)，水稻产量稳定(95%)，同时减少化肥施用(30%)。此外，优化施肥产生协同效应，如增加经济效益(4.7%)和土壤C汇(20.1%)，减少年度温室气体排放(5.3%)和碳足迹(24.5-32.7%)，导致更高的可持续发展指数(0.78)。因此，优化施肥策略被认为是提高生产力同时减少碳足迹的最有效施肥措施。重要的是，RCs不同施肥策略的关键生态效益存在差异。例如，优化施肥策略主要减少了年温室气体排放，而有机肥替代策略主要增加了粮食生产力和土壤碳汇。虽然有机施肥策略的实施显著增加了土壤碳汇，但同时也导致了碳排放的增加。因此，研究结果强调了实施分类管理策略对减少环境排放和促进RCs的可持续性的关键作用。综上所述，RCs最优施肥策略可实现在提高产量的同时减少碳足迹。这有利于RCs的可持续性。未来在RCs方面的注意力应集中于发展和促进这种战略。![]()
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