《Field Crops Research》：Plastic mulching as a sustainability approach for organic rice production in high-altitude areas
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高海拔有機(jī)水稻通過(guò)集成塑料膜管理（IPMRM）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升4.82%、溫室氣體減排31.71%、養(yǎng)分流失減少39-46%及氮肥效率提高110.32%，總成本降低19.84%，驗(yàn)證了該技術(shù)通過(guò)優(yōu)化水熱條件實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同的可行性。
譚玉嬌|王浩軍|張順濤|呂世華|白建國(guó)|唐偉|段忠|徐建國(guó)
中國(guó)云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究所，昆明650091
摘要
背景與目標(biāo)
高海拔有機(jī)水稻系統(tǒng)面臨著產(chǎn)量、資源利用效率與環(huán)境影響之間的持續(xù)權(quán)衡，而寒冷脅迫和水資源短缺進(jìn)一步加劇了這一問(wèn)題。塑料薄膜技術(shù)在這些環(huán)境中顯示出提高產(chǎn)量和資源利用效率的潛力，但其對(duì)高海拔有機(jī)水稻這三者之間權(quán)衡的系統(tǒng)性影響仍不明確。
方法
進(jìn)行了一項(xiàng)為期三年的田間實(shí)驗(yàn)，比較了傳統(tǒng)移栽（CT）與兩種集成塑料薄膜水稻管理（IPMRM）方式：帶塑料薄膜的移栽水稻（PMT）和直接播種的帶塑料薄膜水稻（PMD）。我們可持續(xù)地評(píng)估了產(chǎn)量、資源利用效率（肥料利用效率（PFP）和水分利用效率（WUE, IWUE）以及環(huán)境影響（稻田養(yǎng)分流失和溫室氣體排放）和經(jīng)濟(jì)效益（總成本和成本構(gòu)成，經(jīng)濟(jì)效益）。
結(jié)果
IPMRM將這些權(quán)衡轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的協(xié)同效應(yīng)：平均而言，它使兩種種植方式的谷物產(chǎn)量提高了4.82%，同時(shí)通過(guò)減少31.71%的溫室氣體排放（GWP）和39–46%的養(yǎng)分流失（例如，DTN）來(lái)降低環(huán)境足跡。這些收益伴隨著氮利用效率提高了110.32%和總投入成本降低了19.84%。
結(jié)論
IPMRM有效地將權(quán)衡轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的協(xié)同效應(yīng)，為未來(lái)高海拔有機(jī)水稻系統(tǒng)的可持續(xù)集約化提供了一種氣候適應(yīng)性策略。在IPMRM框架下，PMT系統(tǒng)在不同氣候條件下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，而PMD在水資源受限的環(huán)境中具有明顯優(yōu)勢(shì)。
引言
在田間作物生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)集約化需要協(xié)調(diào)以下相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)：保持高產(chǎn)量、提高資源利用效率以及減少環(huán)境影響（Jhariya等人，2021年；Getahun等人，2024年）。在以水稻為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，這些目標(biāo)往往難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)淹水管理下的產(chǎn)量增長(zhǎng)通常依賴(lài)于高外部投入，并伴隨著低氮和水分利用效率以及較高的溫室氣體排放，尤其是甲烷（CH4）（Yang等人，2022年；Yang等人，2017年；Coggins等人，2025年）。這些挑戰(zhàn)在高海拔地區(qū)（海拔超過(guò)1500米）更為嚴(yán)重，例如中國(guó)西南部的高原湖泊流域（如洱海流域），那里水稻產(chǎn)量的提高受到早季寒冷脅迫、季節(jié)性水資源短缺以及保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)需求的限制（Kassem等人，2024年；Kang等人，2025年）。有機(jī)農(nóng)業(yè)優(yōu)先考慮生態(tài)系統(tǒng)健康并減少合成投入的使用，已成為全球范圍內(nèi)提高收入的流行方式（Reganold和Wachter，2016年；Wittwer等人，2021年；Babajani等人，2023年）。然而，禁止使用化學(xué)肥料對(duì)養(yǎng)分管理提出了特殊挑戰(zhàn)，特別是氮的可用性（Kumar等人，2020年）。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥料中的氮礦化往往與作物需求不同步，可能影響產(chǎn)量穩(wěn)定性和肥料利用效率（Fontaine等人，2024年；Justine等人，2024年）。此外，養(yǎng)分釋放的這種不同步性可能會(huì)進(jìn)一步加劇有機(jī)系統(tǒng)中的環(huán)境影響，特別是在淹水稻田中增加甲烷排放和養(yǎng)分流失（Yuan等人，2018年；He等人，2023年）。因此，開(kāi)發(fā)能夠提高產(chǎn)量、效率并減少高海拔地區(qū)和有機(jī)系統(tǒng)環(huán)境影響的創(chuàng)新栽培策略既緊迫又關(guān)鍵。
集成塑料薄膜水稻管理（IPMRM）為這些挑戰(zhàn)提供了一個(gè)潛在的解決方案，結(jié)合了塑料薄膜、壟作、溝灌和三角形稀植技術(shù)（Lv等人，2019年；Dong等人，2020年）。值得注意的是，IPMRM特別適合高海拔有機(jī)系統(tǒng)（Guo等人，2018年；Xiao等人，2023年），因?yàn)樗鼉?yōu)化了土壤的水熱條件，這是寒冷條件下有機(jī)氮礦化和作物氮吸收的關(guān)鍵因素（Govindasamy等人，2023年；Awad等人，2024年）。此外，它降低了蒸發(fā)（Jabran等人，2016年），減少了養(yǎng)分侵蝕（Ray和Biswasi等人，2016年），從而提高了作物產(chǎn)量和資源利用效率（Steinmetz等人，2016年），同時(shí)減少了環(huán)境影響（Ray和Biswasi等人，2016年）。直接播種水稻消除了育苗管理和移栽的需求，成為移栽水稻的一種有前景的替代方案（Kumar等人，2019年；Muhammad等人，2020年；Xiong等人，2024年）。然而，盡管有越來(lái)越多的證據(jù)表明IPMRM在農(nóng)藝上具有優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)有機(jī)水稻系統(tǒng)產(chǎn)量、資源利用效率和環(huán)境影響的綜合影響，特別是在高海拔地區(qū)，仍知之甚少。此外，關(guān)于IPMRM是否能夠?qū)a(chǎn)量-效率-環(huán)境之間的權(quán)衡轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的協(xié)同效應(yīng)，以及帶塑料薄膜的移栽和直接播種水稻在不同氣候條件下的適應(yīng)性路徑，也缺乏系統(tǒng)的證據(jù)。
為了解決這些關(guān)鍵知識(shí)空白，在高海拔的洱海流域進(jìn)行了一項(xiàng)為期三年的田間實(shí)驗(yàn)。選擇該地區(qū)作為典型案例有三個(gè)原因：（1）它體現(xiàn)了高海拔有機(jī)水稻生產(chǎn)的核心挑戰(zhàn)，即在水資源嚴(yán)重短缺和寒冷脅迫的條件下，在接近最高海拔限制（1950–2200米）的地方種植水稻；（2）它提出了一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)際挑戰(zhàn)，即在保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的同時(shí)保護(hù)重要的淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)，反映了全球脆弱流域中的類(lèi)似沖突；（3）該地區(qū)經(jīng)歷明顯的年際和年內(nèi)降水量變化，為評(píng)估氣候適應(yīng)性提供了自然的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（Hu等人，2018年；Zhao等人，2023年；Li等人，2024年）。在這種需要協(xié)調(diào)環(huán)境保護(hù)和增加農(nóng)民收入的背景下，本研究提供了理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本研究的目標(biāo)是：i）量化IPMRM是否影響高海拔有機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)量、資源利用效率和環(huán)境結(jié)果（CH?排放和養(yǎng)分流失）；ii）評(píng)估在不同降水模式下帶塑料薄膜的移栽和直接播種水稻的表現(xiàn)。這項(xiàng)工作為在脆弱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和清潔集約化提供了關(guān)鍵的見(jiàn)解，并直接有助于全球管理未來(lái)田間作物生產(chǎn)中的權(quán)衡。
實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)
這項(xiàng)為期三年的田間固定地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)于2023年至2025年在云南省大理市萬(wàn)橋鎮(zhèn)古生村（N25o81', E100o15'）進(jìn)行。選擇該地點(diǎn)作為研究高海拔有機(jī)水稻系統(tǒng)權(quán)衡的代表性案例，因?yàn)樗Y(jié)合了三個(gè)關(guān)鍵因素：（1）高海拔脅迫：海拔1971米，接近水稻種植的最高限制，面臨持續(xù)的早季寒冷，限制了產(chǎn)量；（2）水資源不平衡：
水稻產(chǎn)量及其可持續(xù)性
年際變化、處理方式及其相互作用顯著影響了水稻產(chǎn)量（圖3）。2023年，播種條件干燥但生長(zhǎng)季節(jié)濕潤(rùn)，PMT的水稻產(chǎn)量比CT高21.2%，但比PMD低6.8%（P < 0.05）；2024年，降雨量持續(xù)且適中但生長(zhǎng)季節(jié)干燥，PMT的水稻產(chǎn)量顯著高于PMD 3.1%，但比CT低3.4%（P > 0.05）；在最濕潤(rùn)的年份（2025年），兩種方法
IPMRM在高原有機(jī)水稻系統(tǒng)中將權(quán)衡轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的協(xié)同效應(yīng)
一項(xiàng)元分析表明，塑料薄膜可以在中國(guó)實(shí)現(xiàn)干季作物生產(chǎn)力與溫室氣體排放之間的權(quán)衡（He等人，2018年）；Liu等人（2021年）也發(fā)現(xiàn)，塑料薄膜在海拔530米處協(xié)同提高了水稻產(chǎn)量、水分利用效率并減少了溫室氣體排放。我們的研究初步證明，IPMRM可能將長(zhǎng)期存在的生產(chǎn)力、資源效率和環(huán)境可持續(xù)性之間的權(quán)衡轉(zhuǎn)化為高海拔有機(jī)水稻中的可測(cè)量協(xié)同效應(yīng)
結(jié)論
這項(xiàng)在高海拔地區(qū)（海拔1971米）進(jìn)行的三年研究表明，IPMRM將高原有機(jī)水稻系統(tǒng)中的關(guān)鍵權(quán)衡轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的產(chǎn)量、更高的資源效率并減少了環(huán)境影響。我們進(jìn)一步確定了IPMRM中的兩種互補(bǔ)的氣候適應(yīng)路徑：PMT作為一種以韌性為先的策略，在不同的降水條件下保持一致的表現(xiàn)；PMD則側(cè)重于水資源
作者貢獻(xiàn)聲明
譚玉嬌：撰寫(xiě)——原始草稿、方法論、數(shù)據(jù)分析、概念化。張順濤：撰寫(xiě)——審稿與編輯、監(jiān)督、資金獲取。王浩軍：撰寫(xiě)——審稿與編輯、數(shù)據(jù)分析、概念化。白建國(guó)：數(shù)據(jù)分析。呂世華：撰寫(xiě)——審稿與編輯、可視化、監(jiān)督。唐偉：數(shù)據(jù)分析。徐建國(guó)：撰寫(xiě)——審稿與編輯、監(jiān)督、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念化。段忠：
資金支持
本研究得到了云南省重大科技項(xiàng)目（編號(hào)202202AE090034）、國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)32472841）、大理倉(cāng)‘爾六香農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司（編號(hào)DLHT-202407077）以及中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)（編號(hào)GZC20241935）的資助。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
