《Field Crops Research》：Plastic mulching as a sustainability approach for organic rice production in high-altitude areas
編輯推薦：
高海拔有機水稻通過集成塑料膜管理（IPMRM）實現產量提升4.82%、溫室氣體減排31.71%、養分流失減少39-46%及氮肥效率提高110.32%，總成本降低19.84%，驗證了該技術通過優化水熱條件實現多目標協同的可行性。
譚玉嬌|王浩軍|張順濤|呂世華|白建國|唐偉|段忠|徐建國
中國云南大學國際河流與生態安全研究所，昆明650091
摘要
背景與目標
高海拔有機水稻系統面臨著產量、資源利用效率與環境影響之間的持續權衡，而寒冷脅迫和水資源短缺進一步加劇了這一問題。塑料薄膜技術在這些環境中顯示出提高產量和資源利用效率的潛力，但其對高海拔有機水稻這三者之間權衡的系統性影響仍不明確。
方法
進行了一項為期三年的田間實驗，比較了傳統移栽（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）。我們可持續地評估了產量、資源利用效率（肥料利用效率（PFP）和水分利用效率（WUE, IWUE）以及環境影響（稻田養分流失和溫室氣體排放）和經濟效益（總成本和成本構成，經濟效益）。
結果
IPMRM將這些權衡轉化為可測量的協同效應：平均而言，它使兩種種植方式的谷物產量提高了4.82%，同時通過減少31.71%的溫室氣體排放（GWP）和39–46%的養分流失（例如，DTN）來降低環境足跡。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%。
結論
IPMRM有效地將權衡轉化為可測量的協同效應，為未來高海拔有機水稻系統的可持續集約化提供了一種氣候適應性策略。在IPMRM框架下，PMT系統在不同氣候條件下的適應性和穩定性更強，而PMD在水資源受限的環境中具有明顯優勢。
引言
在田間作物生產中實現可持續集約化需要協調以下相互關聯的目標：保持高產量、提高資源利用效率以及減少環境影響（Jhariya等人，2021年；Getahun等人，2024年）。在以水稻為基礎的系統中，這些目標往往難以同時實現，因為傳統淹水管理下的產量增長通常依賴于高外部投入，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）。這些挑戰在高海拔地區（海拔超過1500米）更為嚴重，例如中國西南部的高原湖泊流域（如洱海流域），那里水稻產量的提高受到早季寒冷脅迫、季節性水資源短缺以及保護生態系統需求的限制（Kassem等人，2024年；Kang等人，2025年）。有機農業優先考慮生態系統健康并減少合成投入的使用，已成為全球范圍內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，禁止使用化學肥料對養分管理提出了特殊挑戰，特別是氮的可用性（Kumar等人，2020年）。這主要是因為有機肥料中的氮礦化往往與作物需求不同步，可能影響產量穩定性和肥料利用效率（Fontaine等人，2024年；Justine等人，2024年）。此外，養分釋放的這種不同步性可能會進一步加劇有機系統中的環境影響，特別是在淹水稻田中增加甲烷排放和養分流失（Yuan等人，2018年；He等人，2023年）。因此，開發能夠提高產量、效率并減少高海拔地區和有機系統環境影響的創新栽培策略既緊迫又關鍵。
集成塑料薄膜水稻管理（IPMRM）為這些挑戰提供了一個潛在的解決方案，結合了塑料薄膜、壟作、溝灌和三角形稀植技術（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系統（Guo等人，2018年；Xiao等人，2023年），因為它優化了土壤的水熱條件，這是寒冷條件下有機氮礦化和作物氮吸收的關鍵因素（Govindasamy等人，2023年；Awad等人，2024年）。此外，它降低了蒸發（Jabran等人，2016年），減少了養分侵蝕（Ray和Biswasi等人，2016年），從而提高了作物產量和資源利用效率（Steinmetz等人，2016年），同時減少了環境影響（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，盡管有越來越多的證據表明IPMRM在農藝上具有優勢，但其對有機水稻系統產量、資源利用效率和環境影響的綜合影響，特別是在高海拔地區，仍知之甚少。此外，關于IPMRM是否能夠將產量-效率-環境之間的權衡轉化為可測量的協同效應，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性路徑，也缺乏系統的證據。
為了解決這些關鍵知識空白，在高海拔的洱海流域進行了一項為期三年的田間實驗。選擇該地區作為典型案例有三個原因：（1）它體現了高海拔有機水稻生產的核心挑戰，即在水資源嚴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）它提出了一個關鍵的實際挑戰，即在保持農業生產力的同時保護重要的淡水湖泊生態系統，反映了全球脆弱流域中的類似沖突；（3）該地區經歷明顯的年際和年內降水量變化，為評估氣候適應性提供了自然的實驗環境（Hu等人，2018年；Zhao等人，2023年；Li等人，2024年）。在這種需要協調環境保護和增加農民收入的背景下，本研究提供了理想的實驗環境。本研究的目標是：i）量化IPMRM是否影響高海拔有機系統的產量、資源利用效率和環境結果（CH?排放和養分流失）；ii）評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。這項工作為在脆弱農業生態系統中實現可持續和清潔集約化提供了關鍵的見解，并直接有助于全球管理未來田間作物生產中的權衡。
實驗地點
這項為期三年的田間固定地點實驗于2023年至2025年在云南省大理市萬橋鎮古生村（N25o81', E100o15'）進行。選擇該地點作為研究高海拔有機水稻系統權衡的代表性案例，因為它結合了三個關鍵因素：（1）高海拔脅迫：海拔1971米，接近水稻種植的最高限制，面臨持續的早季寒冷，限制了產量；（2）水資源不平衡：
水稻產量及其可持續性
年際變化、處理方式及其相互作用顯著影響了水稻產量（圖3）。2023年，播種條件干燥但生長季節濕潤，PMT的水稻產量比CT高21.2%，但比PMD低6.8%（P < 0.05）；2024年，降雨量持續且適中但生長季節干燥，PMT的水稻產量顯著高于PMD 3.1%，但比CT低3.4%（P > 0.05）；在最濕潤的年份（2025年），兩種方法
IPMRM在高原有機水稻系統中將權衡轉化為可測量的協同效應
一項元分析表明，塑料薄膜可以在中國實現干季作物生產力與溫室氣體排放之間的權衡（He等人，2018年）；Liu等人（2021年）也發現，塑料薄膜在海拔530米處協同提高了水稻產量、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可能將長期存在的生產力、資源效率和環境可持續性之間的權衡轉化為高海拔有機水稻中的可測量協同效應
結論
這項在高海拔地區（海拔1971米）進行的三年研究表明，IPMRM將高原有機水稻系統中的關鍵權衡轉化為可測量的協同效應，實現了穩定的產量、更高的資源效率并減少了環境影響。我們進一步確定了IPMRM中的兩種互補的氣候適應路徑：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；PMD則側重于水資源
作者貢獻聲明
譚玉嬌：撰寫——原始草稿、方法論、數據分析、概念化。張順濤：撰寫——審稿與編輯、監督、資金獲取。王浩軍：撰寫——審稿與編輯、數據分析、概念化。白建國：數據分析。呂世華：撰寫——審稿與編輯、可視化、監督。唐偉：數據分析。徐建國：撰寫——審稿與編輯、監督、資金獲取、數據分析、概念化。段忠：
資金支持
本研究得到了云南省重大科技項目（編號202202AE090034）、國家自然科學基金（編號32472841）、大理倉‘爾六香農業發展有限公司（編號DLHT-202407077）以及中國博士后科學基金會（編號GZC20241935）的資助。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
