《npj Sustainable Agriculture》：The tradeoff between increasing productivity and environmental sustainability in super hybrid rice breeding
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为解决超级杂交水稻环境可持续性不明的问题，研究人员开展了以 5 个超级杂交水稻品种为对象，运用 FCNEP 框架评估其在不同氮处理下表现的研究。结果表明品种进化提升产量和利润的同时，增加了氮和碳足迹，凸显两者权衡关系，对指导育种和农业可持续发展意义重大。
研究背景
水稻是全球半数人口的主食，在保障粮食安全方面地位举足轻重。中国凭借超级杂交水稻育种项目的飞速发展，成功维持了自身的粮食安全。然而，随着全球人口增长，极端天气频发，粮食安全面临严峻挑战。超级杂交水稻虽能大幅提高产量，但往往依赖大量化肥和水资源投入，由此引发了一系列环境问题，如肥料过度使用导致的环境污染、水资源消耗加剧等。而此前，尚无研究针对不同农业管理下各阶段代表性超级杂交水稻品种的环境可持续性展开探究。在此背景下，开展此项研究意义重大，旨在深入剖析超级杂交水稻在产量提升与环境可持续性之间的关系，为农业可持续发展提供关键依据。
研究机构与研究内容
长江大学农业学院、MARA 长江中游可持续作物生产重点实验室等机构的研究人员，针对 1999 - 2017 年间培育的 5 个超级杂交水稻品种（LYPJ、YLY1、YLY2、YLY900、XLY900）展开研究。研究运用食物 - 碳 - 氮 - 能源 - 利润（FCNEP）框架，通过在华中四省（湖北、湖南、河南、江西）开展为期 3 年的田间实验，设置 4 种氮处理（0、210、300、390 kg N/ha），全面评估这些品种的产量表现、资源利用效率、环境影响及经济效益，以探究超级杂交水稻育种进展与农业可持续性之间的关系。
研究方法
田间实验 ：在 2015 - 2017 年，于华中四省选定实验地点，依据不同的气候和土壤条件，设置 4 种氮处理水平，种植 5 个超级杂交水稻品种。采用裂区设计，以氮处理为主区，品种为副区，每个小区面积 30 m2，重复 3 次，严格规范种植和管理流程1 2 指标测定
产量及相关指标 ：成熟时，选取植株测定产量（GY），并在特定面积内测定产量构成因素，计算氮农学效率（A E N ? 光合特性 ：在抽穗期特定时间，使用 LI6400XT 便携式光合作用系统测定净光合速率（Pn）、胞间 CO?浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）3 温室气体排放 ：采用静态密闭箱法收集C H 4 ? N 2 ? O 4 生态足迹及经济效益计算 ：依据相应公式计算碳足迹（CF）、氮足迹（NF）、能源足迹（EF）和净经济收益（NP），并运用 FCNEP 框架评估水稻生产系统的可持续性。
研究结果
产量表现 ：环境条件、管理措施及其交互作用显著影响超级杂交水稻的产量。与 LYPJ 相比，YLY1、YLY2、YLY900 和 XLY900 的平均产量分别提高了 15.0%、20.8%、21.6% 和 21.7%。不同品种对氮处理的响应各异，多数品种在 N3 处理下产量最高5 6 产量构成因素 ：不同年份、地点、氮处理和品种间，穗数、每穗颖花数和灌浆率存在显著差异，而千粒重相对稳定。随着育种进程推进，穗数呈下降趋势，每穗颖花数增加，灌浆率和千粒重先升后降7 8 光合特性 ：不同基因型、环境和管理条件下，Pn、Ci、Gs 和 Tr 存在显著差异。增施氮肥可提高这些光合参数，且随着育种进程，最大 Pn 值呈上升趋势9 10 碳足迹与温室气体排放 ：增施氮肥显著增加了超级杂交水稻的 CF 和温室气体排放强度（GHGI）。不同品种间 CF 和 GHGI 差异显著，且总体随育种时间增加11 12 氮足迹 ：超级杂交水稻品种的 NF 呈上升趋势，增施氮肥显著增加了 NF 和氮足迹强度（NFI）。不同品种的 NF 和 NFI 存在差异，YLY2 的 NF 相对较低13 能源足迹 ：5 个超级杂交水稻品种的 EF 呈下降趋势，增施氮肥会显著提高 EF。LYPJ 的 EF 最高，XLY900 的 EF 最低14 净经济效益 ：超级水稻的 NP 呈上升趋势，但在不同地点和氮处理间差异显著。N2 处理下平均 NP 最高，XLY900 的平均 NP 在各品种中最高15 16 FCNEP 综合可持续性与均匀度 ：N2 处理下，品种在食物生产、CF、NF、EF 和 NP 方面表现相对较高且均衡，YLY2 和 YLY1 的综合可持续性和均匀度得分较高17
研究结论与讨论
本研究表明，超级杂交水稻育种虽显著提高了产量，但在环境可持续性方面存在问题，如碳足迹和氮足迹增加。随着育种进程推进，产量提升的同时，环境可持续性得分出现下降，凸显了提高生产力与维持环境可持续性之间的权衡关系。优化管理措施，如精准氮管理和改进灌溉方式，对减少生态足迹、提高环境可持续性至关重要。同时，未来超级杂交水稻育种应注重平衡产量提升与环境保护，培育高产、低环境影响的品种。然而，本研究存在一定局限性，如氮足迹和 EF 计算依赖理论模型，部分数据测量缺失。后续研究需开展更精确的测量和长期试验，以进一步提高研究的准确性和可靠性，为农业可持续发展提供更有力的支持。该研究成果发表于《npj Sustainable Agriculture》，为全球超级杂交水稻育种和农业可持续发展策略的制定提供了重要参考。
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