《Field Crops Research》：Plastic mulching as a sustainability approach for organic rice production in high-altitude areas
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高海拔有机水稻通过集成塑料膜管理（IPMRM）实现产量提升4.82%、温室气体减排31.71%、养分流失减少39-46%及氮肥效率提高110.32%，总成本降低19.84%，验证了该技术通过优化水热条件实现多目标协同的可行性。
谭玉娇|王浩军|张顺涛|吕世华|白建国|唐伟|段忠|徐建国
中国云南大学国际河流与生态安全研究所，昆明650091
摘要
背景与目标
高海拔有机水稻系统面临着产量、资源利用效率与环境影响之间的持续权衡，而寒冷胁迫和水资源短缺进一步加剧了这一问题。塑料薄膜技术在这些环境中显示出提高产量和资源利用效率的潜力，但其对高海拔有机水稻这三者之间权衡的系统性影响仍不明确。
方法
进行了一项为期三年的田间实验，比较了传统移栽（CT）与两种集成塑料薄膜水稻管理（IPMRM）方式：带塑料薄膜的移栽水稻（PMT）和直接播种的带塑料薄膜水稻（PMD）。我们可持续地评估了产量、资源利用效率（肥料利用效率（PFP）和水分利用效率（WUE, IWUE）以及环境影响（稻田养分流失和温室气体排放）和经济效益（总成本和成本构成，经济效益）。
结果
IPMRM将这些权衡转化为可测量的协同效应：平均而言，它使两种种植方式的谷物产量提高了4.82%，同时通过减少31.71%的温室气体排放（GWP）和39–46%的养分流失（例如，DTN）来降低环境足迹。这些收益伴随着氮利用效率提高了110.32%和总投入成本降低了19.84%。
结论
IPMRM有效地将权衡转化为可测量的协同效应，为未来高海拔有机水稻系统的可持续集约化提供了一种气候适应性策略。在IPMRM框架下，PMT系统在不同气候条件下的适应性和稳定性更强，而PMD在水资源受限的环境中具有明显优势。
引言
在田间作物生产中实现可持续集约化需要协调以下相互关联的目标：保持高产量、提高资源利用效率以及减少环境影响（Jhariya等人，2021年；Getahun等人，2024年）。在以水稻为基础的系统中，这些目标往往难以同时实现，因为传统淹水管理下的产量增长通常依赖于高外部投入，并伴随着低氮和水分利用效率以及较高的温室气体排放，尤其是甲烷（CH4）（Yang等人，2022年；Yang等人，2017年；Coggins等人，2025年）。这些挑战在高海拔地区（海拔超过1500米）更为严重，例如中国西南部的高原湖泊流域（如洱海流域），那里水稻产量的提高受到早季寒冷胁迫、季节性水资源短缺以及保护生态系统需求的限制（Kassem等人，2024年；Kang等人，2025年）。有机农业优先考虑生态系统健康并减少合成投入的使用，已成为全球范围内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，禁止使用化学肥料对养分管理提出了特殊挑战，特别是氮的可用性（Kumar等人，2020年）。这主要是因为有机肥料中的氮矿化往往与作物需求不同步，可能影响产量稳定性和肥料利用效率（Fontaine等人，2024年；Justine等人，2024年）。此外，养分释放的这种不同步性可能会进一步加剧有机系统中的环境影响，特别是在淹水稻田中增加甲烷排放和养分流失（Yuan等人，2018年；He等人，2023年）。因此，开发能够提高产量、效率并减少高海拔地区和有机系统环境影响的创新栽培策略既紧迫又关键。
集成塑料薄膜水稻管理（IPMRM）为这些挑战提供了一个潜在的解决方案，结合了塑料薄膜、垄作、沟灌和三角形稀植技术（Lv等人，2019年；Dong等人，2020年）。值得注意的是，IPMRM特别适合高海拔有机系统（Guo等人，2018年；Xiao等人，2023年），因为它优化了土壤的水热条件，这是寒冷条件下有机氮矿化和作物氮吸收的关键因素（Govindasamy等人，2023年；Awad等人，2024年）。此外，它降低了蒸发（Jabran等人，2016年），减少了养分侵蚀（Ray和Biswasi等人，2016年），从而提高了作物产量和资源利用效率（Steinmetz等人，2016年），同时减少了环境影响（Ray和Biswasi等人，2016年）。直接播种水稻消除了育苗管理和移栽的需求，成为移栽水稻的一种有前景的替代方案（Kumar等人，2019年；Muhammad等人，2020年；Xiong等人，2024年）。然而，尽管有越来越多的证据表明IPMRM在农艺上具有优势，但其对有机水稻系统产量、资源利用效率和环境影响的综合影响，特别是在高海拔地区，仍知之甚少。此外，关于IPMRM是否能够将产量-效率-环境之间的权衡转化为可测量的协同效应，以及带塑料薄膜的移栽和直接播种水稻在不同气候条件下的适应性路径，也缺乏系统的证据。
为了解决这些关键知识空白，在高海拔的洱海流域进行了一项为期三年的田间实验。选择该地区作为典型案例有三个原因：（1）它体现了高海拔有机水稻生产的核心挑战，即在水资源严重短缺和寒冷胁迫的条件下，在接近最高海拔限制（1950–2200米）的地方种植水稻；（2）它提出了一个关键的实际挑战，即在保持农业生产力的同时保护重要的淡水湖泊生态系统，反映了全球脆弱流域中的类似冲突；（3）该地区经历明显的年际和年内降水量变化，为评估气候适应性提供了自然的实验环境（Hu等人，2018年；Zhao等人，2023年；Li等人，2024年）。在这种需要协调环境保护和增加农民收入的背景下，本研究提供了理想的实验环境。本研究的目标是：i）量化IPMRM是否影响高海拔有机系统的产量、资源利用效率和环境结果（CH?排放和养分流失）；ii）评估在不同降水模式下带塑料薄膜的移栽和直接播种水稻的表现。这项工作为在脆弱农业生态系统中实现可持续和清洁集约化提供了关键的见解，并直接有助于全球管理未来田间作物生产中的权衡。
实验地点
这项为期三年的田间固定地点实验于2023年至2025年在云南省大理市万桥镇古生村（N25o81', E100o15'）进行。选择该地点作为研究高海拔有机水稻系统权衡的代表性案例，因为它结合了三个关键因素：（1）高海拔胁迫：海拔1971米，接近水稻种植的最高限制，面临持续的早季寒冷，限制了产量；（2）水资源不平衡：
水稻产量及其可持续性
年际变化、处理方式及其相互作用显著影响了水稻产量（图3）。2023年，播种条件干燥但生长季节湿润，PMT的水稻产量比CT高21.2%，但比PMD低6.8%（P < 0.05）；2024年，降雨量持续且适中但生长季节干燥，PMT的水稻产量显著高于PMD 3.1%，但比CT低3.4%（P > 0.05）；在最湿润的年份（2025年），两种方法
IPMRM在高原有机水稻系统中将权衡转化为可测量的协同效应
一项元分析表明，塑料薄膜可以在中国实现干季作物生产力与温室气体排放之间的权衡（He等人，2018年）；Liu等人（2021年）也发现，塑料薄膜在海拔530米处协同提高了水稻产量、水分利用效率并减少了温室气体排放。我们的研究初步证明，IPMRM可能将长期存在的生产力、资源效率和环境可持续性之间的权衡转化为高海拔有机水稻中的可测量协同效应
结论
这项在高海拔地区（海拔1971米）进行的三年研究表明，IPMRM将高原有机水稻系统中的关键权衡转化为可测量的协同效应，实现了稳定的产量、更高的资源效率并减少了环境影响。我们进一步确定了IPMRM中的两种互补的气候适应路径：PMT作为一种以韧性为先的策略，在不同的降水条件下保持一致的表现；PMD则侧重于水资源
作者贡献声明
谭玉娇：撰写——原始草稿、方法论、数据分析、概念化。张顺涛：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。王浩军：撰写——审稿与编辑、数据分析、概念化。白建国：数据分析。吕世华：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。唐伟：数据分析。徐建国：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析、概念化。段忠：
资金支持
本研究得到了云南省重大科技项目（编号202202AE090034）、国家自然科学基金（编号32472841）、大理仓‘尔六香农业发展有限公司（编号DLHT-202407077）以及中国博士后科学基金会（编号GZC20241935）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
