优化水肥管理降低中国冬小麦生产的碳与水资源足迹：时空格局与减排增效策略

本研究针对中国冬小麦生产系统水资源短缺与碳排放高的双重挑战，通过构建30年（1991–2020）的时空足迹评估框架，系统解析了碳足迹（CF）与水足迹（WF）的驱动机制。研究发现化肥生产（贡献47%碳排放）与灌溉耗水（蓝水占59%）是关键影响因素，并通过多情景模拟证实有机肥替代、可再生能源灌溉及精准管理可协同实现20.2%的碳减排与3.1%的节水效益，为农业绿色转型提供理论依据与实践路径。

　　

在全球气候变化与水资源约束日益严峻的背景下，农业生产系统面临着维持生产力与减少环境足迹的双重挑战。中国作为世界最大的小麦生产国，冬小麦种植面积占全国耕地的15%，其生产过程中的水资源消耗与温室气体排放对实现国家“双碳”目标具有重要影响。然而，当前农业环境评估方法多局限于单一维度，缺乏对碳-水耦合关系的时空动态解析，更未能有效关联农业实践与多维环境效应，这严重制约了精准减排策略的制定。

针对这一科学难题，由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的科研团队领衔，在《Farming System》发表了题为“Optimizing water and fertilizer management reduces carbon and water footprints for winter wheat production in China”的研究论文。该研究首次构建了覆盖全国22个省区、历时30年（1991–2020）的冬小麦生产系统时空足迹评估框架，通过整合气象观测、农业统计与作物模型数据，系统量化了碳足迹（Carbon Footprint, CF）与水足迹（Water Footprint, WF）的时空演变规律及其驱动机制。

研究采用生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）方法界定系统边界，涵盖农田耕作、灌溉、施肥等直接过程与化肥生产、能源消耗等间接过程。碳足迹计算依据IPCC国家温室气体清单指南，量化了化肥生产（47%）、土壤N₂O直接排放（18%）及柴油燃烧（13%）等关键来源；水足迹计算则通过CROPWAT8.0模型区分蓝水（灌溉）与绿水（降水）消耗，并引入区域特异性灌溉系数。研究进一步采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析多因子交互作用，并设计6类情景模拟减排潜力，包括氮肥减量、有机肥替代、免耕措施、灌溉效率提升及可再生能源利用等策略。

研究结果揭示出显著的时空异质性：全国冬小麦生产年均碳排放达66.6×10⁶ t CO₂eq yr^-1，水资源消耗为112×10⁹ m³ yr^-1。碳排放热点集中于黄淮海平原（河南、山东等主产区），而水资源足迹高值区则出现在宁夏、甘肃等干旱省份。值得注意的是，尽管黄淮海平原排放总量高，但其单位产量足迹（PCF: 0.63 kg CO₂eq kg^-1；PWF: 1.52 m³ kg^-1）相对较低，反映出集约化农业的资源利用效率优势。时间序列分析表明，2001–2020年间通过优化施肥实践实现了碳-水足迹的协同下降，其中化肥减量与产量提升是核心驱动因子。

情景模拟结果显示，单一措施中有机肥替代化学氮肥（S₂）可实现12.2%的减排效果，而灌溉系统可再生能源供电（S₅）减排7.4%。集成策略（S₆）通过结合氮肥优化、免耕与清洁能源，可达成20.2%的碳减排与显著节水效益，凸显技术协同的倍增效应。

讨论部分指出，中国冬小麦生产的碳-水足迹空间分异受“自然-经济”耦合效应驱动：东部高产区的排放主要源于投入密集型管理，而西北干旱区的高水足迹则与灌溉依赖性强相关。南水北调工程通过重新分配水资源，一定程度上缓解了华北平原的蓝水压力，但长期解决方案仍需依赖节水技术推广与能源结构转型。研究强调，光伏灌溉、有机肥替代及保护性耕作等技术的落地需克服小农经营、投资门槛高等社会经济障碍，建议通过补贴政策、合作社服务模式等机制创新推动技术采纳。

该研究的创新性在于突破了传统单维度环境评估的局限，建立了多尺度、多过程的碳-水耦合分析框架，为农业绿色转型提供了量化依据与路径选择。未来研究需整合高分辨率遥感数据与农户调查，细化区域差异化策略，并强化对产业链上游（如农资生产）间接影响的评估，以支撑全链条农业碳中和目标的实现。