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我们通过小程序科研零时差追踪到: 「Agriculture, Ecosystems and Environment」近期发表题为“Integrating straw return with biodegradable film mulching reduces carbon footprint while increasing economic benefit in a garlic-rice rotation system”的文章。第一单位为「南京农业大学」。
doi: https://doi.org/10.1016/j.agee.2026.110278
作者邮箱：zhulq@njau.edu.cn, sunhwjaas@163.com
标签：#气候变化 #蒜稻轮作 #碳中和 #生命周期评价 #碳足迹 #净生态系统经济效益
cover本文内容速览：
- 1. 提出科学问题
- 2. 文章的主要结论
- 3. 分析过程和方法
- 4. 研究的局限性
1. 提出科学问题
1.1 研究领域现状
在全球气候变化背景下，农业生态系统的温室气体减排与土壤碳汇能力提升是研究核心。秸秆还田作为增加土壤有机碳的常用手段，在水稻轮作系统中却往往会显著诱导甲烷排放。与此同时，塑料地膜覆盖技术虽然能提高作物产量，但传统聚乙烯（PE）地膜带来的残膜污染以及对气体扩散的阻碍作用，增加了环境负担。目前，生物降解地膜被认为是替代 PE 地膜的有效选择，但在大蒜-水稻这种高强度的集约化轮作体系中，秸秆还田与生物降解膜耦合对全生命周期碳足迹及经济效益的综合影响尚缺乏系统研究。
1.2 本文要解决的关键科学问题
- • 问题 1: 秸秆还田耦合生物降解膜对大蒜和水稻生长期内 CH4 和 N2O 排放的动态影响及其权衡关系是什么？
- • 问题 2: 在纳入废弃物处置阶段（如残膜处理、秸秆焚烧/还田）后，该组合模式在全生命周期框架下的单位面积碳足迹与产量规模碳足迹表现如何？
- • 问题 3: 如何通过构建净生态系统经济效益（NEEB）框架，评价该模式在兼顾产量稳定性、环境减排与农户收益方面的可持续性？
1.3 研究的理论/现实意义
本研究通过两年的田间试验，系统定量了蒜-稻轮作系统中新型覆盖管理模式的减排增汇潜力。理论上，它深化了对降解膜降解产物与秸秆相互作用对土壤碳、氮循环影响的认知；实践上，研究确定的“秸秆还田+生物降解膜”组合为集约化农田系统实现绿色低碳转型提供了可推广的技术路径，对制定区域农业减排政策具有重要参考价值。
2. 文章的主要结论
研究表明，秸秆还田与生物降解膜（SR-BM）的集成是实现蒜-稻轮作系统可持续发展的优化策略。
- • 结论 1: 相比于传统的秸秆还田耦合 PE 地膜模式（SR-PM），SR-BM 显著增强了蒜季土壤对甲烷的吸收能力，并有效抑制了秸秆诱导的 N2O 排放峰值。
- • 结论 2: 在全生命周期视角下，SR-BM 模式通过避免 PE 残膜处理过程中的能源消耗，较 SR-PM 降低了 10.2% 的温室气体总排放量。
- • 结论 3: SR-BM 实现了最高的土壤有机碳固存速率（ΔSOC），其单位产量的碳足迹和经济规模碳足迹分别较对照组降低了 52.2% 和 61.6%。
- • 结论 4: 综合评估显示，SR-BM 具有最优的净生态系统经济效益（NEEB），成功平衡了高额的生物降解膜成本与环境减排收益，实现了生态与经济的“双赢”。
3. 分析过程和方法
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本研究采用了基于生命周期评价（LCA）框架的综合分析方法，旨在揭示蒜-稻轮作系统在不同管理策略下的环境与经济表现。研究的逻辑链条从田间微观通量观测延伸至区域宏观效益评价。
首先，作者建立了包含三个阶段的全生命周期评价边界（Figure 1）：第一阶段为物资生产阶段，涵盖化肥、农药、地膜及柴油生产过程中的碳排放；第二阶段为农田生产阶段，包括机械作业耗能、水肥管理引起的直接 CH4 和 N2O 排放，以及间接 N2O 排放，并特别计入了土壤有机碳变化（ΔSOC）作为碳汇；第三阶段为废弃物处置阶段，针对未还田秸秆的电厂焚烧处理及 PE 残膜的回收加工进行核算。这种全边界的核算方式避免了仅关注田间排放而忽略工业补偿的局限性。
▲Figure 1. 蒜-稻轮作系统碳足迹分析的系统边界，涵盖了从原料生产到废弃物处置的全过程。在田间监测方面，作者采用了静态箱-气相色谱法对两年的完整轮作周期进行连续观测。数据清晰展示了温室气体排放的季节性动态（Figure 2 & 3）。研究发现，在蒜季，由于降解膜在后期发生破裂，改善了土壤通气性，使得 SR-BM 处理下的 CH4 吸收能力显著强于 SR-PM。而在稻季，秸秆分解虽然诱导了 CH4 排放高峰，但生物降解膜的残留物与秸秆形成的复杂交互作用，通过调节土壤氧化还原状态，在一定程度上缓解了排放强度。
▲Figure 2. 不同秸秆和地膜处理下，蒜-稻轮作系统两年内的 CH4 通量动态及累积排放量。
▲Figure 3. 不同处理下 N2O 的动态排放特征，揭示了施肥和覆膜对氧化亚氮排放的激发效应。在数据展示和结果分析上，作者通过分阶段贡献图（Figure 4）拆解了总排放量的来源。结果指出，在秸秆不还田的系统中，废弃秸秆处置是主要的排放源；而在秸秆还田系统中，氮肥生产和使用成为了核心排放项。这一拆解逻辑帮助读者直观理解为何管理模式的转变能显著改变系统的碳平衡结构。
▲Figure 4. 温室气体排放量在物资生产、农田生产及废弃物处置三个阶段的分布情况。为了综合评价环境影响，研究引入了多维度碳足迹指标（Figure 7）。除了常规的单位面积碳足迹（CF），还计算了产量规模碳足迹（Yield-scaled CF）和经济规模碳足迹（Economic-scaled CF）。这种多指标体系揭示了：尽管生物降解膜的生产成本较高，但由于其对产量和固碳量的显著提升，其经济效率指标反而表现最优。
▲Figure 7. 土壤固碳量（ΔSOC）与各类碳足迹指标（面积、产量、经济规模）的综合对比。最后，作者构建了净生态系统经济效益（NEEB）框架（Figure 8），通过将碳排放的环境成本货币化（设定碳价），与农田的净经济收益进行耦合。相关性分析和 Mantel 检验进一步解析了影响 NEEB 的关键驱动因素。结果表明，产量提升和土壤固碳是驱动系统可持续性提高的主要力量，而降解膜成本虽高，但在 NEEB 评价体系下被温室气体减排收益所弥补。
▲Figure 8. 净生态系统经济效益（NEEB）及其与各环境、经济参数之间的关联分析。4. 研究的局限性
尽管 SR-BM 表现出显著的优势，但其推广仍面临挑战。首先，生物降解地膜的采购成本约为传统 PE 膜的两倍，这在没有政府补贴的情况下会显著降低农户的直接经济动力。其次，本研究是在特定的温带半湿润气候区进行的，由于生物降解过程高度依赖于土壤温湿度和微生物活性，该模式在干旱或严寒地区的普适性仍需更多跨区域试验的验证。此外，降解膜产生的微塑料及其对深层土壤氮循环的长远影响，在两年的短周期试验中尚未得到完全揭示。
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