这是一篇由 Jinxin Sun、Guopeng Zhou 等作者合作完成的原创性研究论文，发表于《Field Crops Research》期刊（第340卷，2026年，文章编号 110369）。主要作者单位包括：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所（中国耕地利用技术国家工程研究中心）、中国农业大学资源与环境学院、安徽农业大学资源与环境学院、山西农业大学资源与环境学院、云南省农业科学院农业环境资源研究所、江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所。通讯作者为 Guopeng Zhou、Chunqin Zou 和 Weidong Cao。

学术背景 本研究属于农业可持续发展、作物栽培与农田生态学交叉领域。中国是全球最大的水稻生产国，但水稻田也是温室气体排放的重要来源，尤其是甲烷。在保障粮食安全的压力下，化肥和农机的大量使用导致了高能耗和温室气体排放增加。绿肥还田作为一种传统实践，已被证实能显著提高水稻产量和土壤肥力，但其引入的额外碳源可能会大幅增加稻田甲烷排放，这一矛盾限制了绿肥技术在低碳农业中的广泛应用。因此，开发既能保留绿肥益处又能有效抑制稻田甲烷排放的策略，对于发展清洁、可持续的水稻生产体系至关重要。

乙烯作为一种植物激素，已有盆栽试验表明其能显著降低甲烷排放，但其在田间尺度、特别是在双季稻-绿肥轮作系统中的长期效应、对系统生产力、经济效益和能量平衡的综合影响尚不清楚。本研究旨在填补这一空白，通过为期两年的田间试验，探究绿肥与乙烯（通过乙烯利释放）不同施用策略的整合效果，以期构建一种在提高水稻产量和经济效益的同时，降低碳足迹的可持续农业实践。

研究方法与详细流程 本研究设计严谨，包含一个为期两年（2023年4月至2025年4月）的双季稻田间定位试验，地点位于中国江西省高安市。试验共设置5个处理：冬季休闲处理（CK）、单施绿肥处理（GM）、绿肥+早稻季施用乙烯（GEef）、绿肥+晚稻季施用乙烯（GElf）、绿肥+双季稻季均施用乙烯（GEeh/lh）。每个处理设3次重复，随机区组排列。

1. 试验系统与田间管理：试验采用稻-稻-绿肥（紫云英）轮作系统。绿肥于每年10月初播种，在次年早稻移栽前10-15天（盛花期）翻压还田，还田量为每公顷22500公斤干物质。早稻和晚稻的氮磷钾化肥按当地推荐量施用，其中氮肥按基肥:分蘖肥 = 6:4的比例分施。乙烯通过施用乙烯利（ethephon）来提供，其在土壤中分解释放乙烯。GEef和GElf处理分别在早稻或晚稻季基肥时一次性施用22.5 kg ha⁻¹乙烯利；GEeh/lh处理则在早稻和晚稻季基肥时各施用11.25 kg ha⁻¹。所有处理的田间水分管理等措施保持一致。
2. 数据监测与采集：
   • 产量与经济效益：记录各小区水稻籽粒和秸秆产量。基于当地市场价格、各项投入成本（种子、肥料、农药、机械、人工、乙烯利等），计算总产值、总成本、净收入及益本比。
   • 温室气体通量：采用静态箱-气相色谱法，在整个试验周期（包括水稻季和冬季）高频次监测甲烷和氧化亚氮的排放通量。根据通量数据计算累计排放量。
   • 能量平衡分析：将农业生产中的所有投入（如化肥、农药、柴油、电力、人工等）和产出（籽粒、秸秆）根据能量当量系数转换为能量值，计算能量输入、能量输出、净能量、能量利用效率、能量生产力和比能量等指标。
   • 碳足迹评估：采用生命周期评估方法，核算系统的碳足迹。包括直接温室气体排放、农资生产与田间作业等间接温室气体排放，并扣除土壤有机碳固存带来的碳汇。最终以单位面积碳足迹、单位产量碳足迹和单位能量产出碳足迹三种形式表达。
   • 辅助机理研究：试验还测定了土壤氧化还原电位、土壤有效养分、水稻根系形态与活性、土壤甲烷氧化潜力和产甲烷潜力、以及相关功能微生物（pmoA和mcrA基因）的丰度，以解释乙烯影响温室气体排放的潜在机制。
   • 可持续性综合评价指数：为进行多指标综合比较，研究选取了水稻产量、净收入、能量利用效率、单位面积碳足迹等13个关键指标，通过标准化处理和变异系数加权，计算出一个综合的可持续性评价指数，用以量化各处理系统的整体可持续性表现。
3. 数据分析：采用双因素方差分析检验年份和处理对各项指标的显著性影响，并用最小显著性差异法进行多重比较。数据分析和图表绘制使用SPSS和Origin软件完成。

主要研究结果 1. 生产力与经济效益：与CK处理相比，GM处理显著提高了年水稻产量（5.7%-12.0%）和净收入（804-2227 CNY ha⁻¹）。这表明绿肥还田确实具有显著的增产增收效果。在GM基础上，GEeh/lh（双季施乙烯）处理在2024年进一步显著提高了水稻产量（较GM处理增加5.3%）和净收入。所有绿肥处理都因增加了绿肥种子、翻压人工和机械投入而提高了成本，但增产带来的收入提升完全覆盖了成本增加，并实现了更高的净收益。 2. 温室气体排放：GM处理显著增加了年甲烷累积排放量（较CK增加27.8%-110.2%），证实了绿肥增加甲烷排放的风险。然而，三种乙烯施用处理（GEef， GElf， GEeh/lh）均能大幅降低甲烷排放，其中GEeh/lh处理效果最显著，在2023和2024年分别使甲烷排放较GM处理降低50.0%和59.8%，其排放水平甚至与CK处理无显著差异。对于氧化亚氮，GM处理本身具有降低排放的趋势，而乙烯施用会轻微增加其排放，但变化不显著。在综合温室效应方面，甲烷排放贡献了全球增温潜势的70%以上，是主导因素。因此，乙烯处理通过大幅削减甲烷排放，显著降低了系统的全球增温潜势和温室气体排放强度。 3. 能量效率：在能量投入中，化肥（尤其是氮肥）占比最高。GM处理通过增产提高了能量产出和净能量，从而提升了能量利用效率。GEeh/lh处理获得了最高的能量产出和净能量，其能量生产力和能量利用效率也处于最高水平，而比能量（生产单位产量所需的能量）最低，表明该处理在能量利用上最为经济高效。 4. 碳足迹：GM处理虽然提高了土壤有机碳固存速率（年固存1893-2023 kg CO₂-eq ha⁻¹），但由于甲烷排放激增，其单位面积和单位产量的碳足迹均显著高于CK处理（增加6.3%-44.6%）。乙烯处理的引入彻底扭转了这一局面。与GM处理相比，所有乙烯处理都显著降低了单位面积碳足迹（26.5%-45.6%）。特别值得注意的是，GEeh/lh处理实现了最低的碳足迹指标，其单位产量碳足迹和单位能量产出碳足迹甚至低于CK处理，表明该技术模式在获得高产的同时，实现了更低的碳排放强度。 5. 可持续性综合评价：雷达图清晰显示，GM处理在增产、固碳方面有优势，但在甲烷排放和碳足迹方面是劣势。而GEeh/lh处理则在产量、净收入、能量效率等方面表现优异，同时在温室气体排放和碳足迹方面表现最好，达到了“高产、高效、低碳”的相对均衡状态。最终的可持续性评价指数定量证实了这一点：GEeh/lh处理的指数值最高，是其他处理的1.20至1.47倍。

结论与价值 本研究得出的核心结论是：在双季稻-绿肥系统中，将绿肥还田与乙烯（通过乙烯利在双季稻季施用）相结合，特别是在早、晚稻两季均适量施用乙烯的策略，能够协同提高水稻生产力、经济效益和能量利用效率，同时显著降低甲烷排放和系统碳足迹，是一种可持续的清洁农业生产模式。

其科学价值在于： 1. 首次在田间尺度系统评估了乙烯施用对稻-稻-绿肥系统综合表现的影响，明确了乙烯在削减绿肥引起的甲烷排放方面的巨大潜力。 2. 从生命周期角度，全面量化了该整合模式对环境（碳足迹）、经济（净收入）和能量（效率）的三重影响，为多目标协同的农业系统设计提供了范例。 3. 初步揭示了乙烯的作用机制：通过改善水稻根系通气组织形成和根系氧化活性，增强了土壤的甲烷氧化能力，并抑制了产甲烷过程。

其应用价值在于： 1. 为南方双季稻区提供了一种具体可行的“减污降碳、提质增效”的农田管理技术选项，即“绿肥还田 + 双季适量施用乙烯利”。 2. 研究结果为农业技术推广人员和政策制定者推动绿色低碳稻作发展提供了重要的理论依据和数据支持。

研究亮点 1. 研究视角新颖：首次将植物激素乙烯作为一种主动的温室气体减排调控因子，与传统的绿肥技术进行整合研究，为解决绿肥应用的“环境悖论”提供了创新思路。 2. 评估体系全面：超越了单一产量或排放指标，构建了囊括“产量-经济-能量-环境-土壤”的多维综合评价体系，特别是引入了可持续性综合评价指数，使不同技术模式的优劣对比更加直观和科学。 3. 机理与效应结合：在观测宏观效应的同时，测定了根系形态、土壤微生物功能基因等微观指标，为解释乙烯的减排效应提供了生理生态学证据，增强了研究的深度。 4. 实践指导性强：研究基于两年田间试验，提出的“双季施用”策略考虑了乙烯利在土壤中分解快的特点，具有较好的可操作性和实际应用前景。

其他有价值的讨论 论文在讨论部分也坦诚指出了本研究的局限性并对未来研究进行了展望：例如，本研究未尝试在施用乙烯的同时减少化学氮肥用量，而绿肥本身具有替代部分氮肥的潜力，未来研究可以探索“绿肥+减氮+乙烯”的三元协同模式，有望进一步降低能耗和成本。此外，长期施用乙烯对土壤非靶标微生物和生态系统的潜在风险、乙烯与其他植物激素的互作等，也需要在未来研究中加以关注和评估。这些思考体现了研究的严谨性和前瞻性。