基于不同降水年份类型的环境足迹，优化地被稻生产系统的水资源利用，以协同实现碳排放和氮排放的减少

《Agricultural and Forest Meteorology》：Water optimization of ground cover rice production system to synergistically achieve carbon and nitrogen emissions reduction—based on environmental footprints of different precipitation year types

水稻覆盖系统（GCRPS）通过节水减排显著提升可持续性，但其产量受降雨影响（湿年减产3.6%-4.6%）。基于土壤-作物模型（WHCNS）与生命周期评估（LCA），对比分析不同降水年份下常规淹水田（Paddy）与GCRPS的水足迹（WF）、氮足迹（NF）、碳足迹（CF），发现GCRPS全降雨类型下WF降低9%-48%、NF降低8%-69%、CF降低37%-83%，且减排效果不受湿年减产影响。通过情景分析提出优化灌溉策略：湿年保持常规灌溉，正常年采用50%农户灌溉量，干旱年采用75%灌溉量，可在保证产量前提下进一步降低环境足迹。

　　中国作为一个重要的农业用水国家，其农业用水占全国总用水量的61%，其中70%用于水稻生产（Yuan等，2021）。然而，相较于一些更为发达的国家，中国水稻的用水效率相对较低，仅为50%（Yan等，2024）。同时，中国水稻种植过程中化肥氮的使用效率也相对偏低，约为30%–35%，显著低于全球平均水平的39%–45%（Yu等，2022）。这一现象表明，大部分化肥并未被作物有效吸收，而是以活性氮的形式释放到环境中，对生态系统构成潜在威胁（Peng等，2024）。此外，中国水稻田是甲烷（CH?）排放的主要来源之一，占全国总甲烷排放量的约40%。这一显著的排放贡献在推动气候变化方面发挥着关键作用（Abdo等，2024）。因此，发展更加可持续的中国水稻种植系统，减少水资源消耗以及碳（C）和氮（N）排放，成为当前亟需解决的问题。

在这一背景下，中国提出的地面覆盖水稻生产系统（Ground Cover Rice Production System, GCRPS）被认为是一种有效的节水灌溉技术（Tao等，2015）。该技术通过在抬高的田埂上覆盖塑料薄膜，使得水分仅保留在沟渠中，从而避免了田埂被淹（Dong等，2020）。这种做法显著降低了蒸发和排水，有助于实现水资源的节约（Jin等，2016）。同时，当与覆盖措施相结合时，GCRPS还能有效减少氮肥流失（Liang等，2019b）。此外，由于GCRPS缺乏表层的淹水层，从而降低了氮的淋溶风险，进而显著减少了活性氮的排放（Lv等，2019）。对于碳排放而言，采用GCRPS后，水稻田的水分、热量和通风条件发生显著变化，进而抑制了甲烷的产生和排放（Zhang等，2020）。因此，GCRPS无疑是一种更优的水稻生产技术，它集成了水资源节约、碳固存和氮排放减少的功能，优于传统的淹水方法。目前，该技术已在湖北省某些丘陵山区得到推广和应用（Yao等，2019）。

此前的研究已经证明，GCRPS在减少碳和氮排放方面具有显著优势。Xu等（2020b）通过为期两年的田间试验，采用生命周期评估（LCA）方法比较了淹水水稻田和GCRPS的碳足迹（CF）和氮足迹（NF）。研究结果显示，与传统淹水方法相比，GCRPS的碳足迹和氮足迹分别减少了37%–40%和31%–35%。然而，该研究未能考虑气候变化的长期影响，同时也忽略了GCRPS产量变化对碳足迹和氮足迹评估结果的影响。近年来，Ren等（2023）对GCRPS的产量影响进行了研究，发现其受到降水条件的影响。具体而言，在极端降水年份，GCRPS的水稻产量相比传统淹水方法减少了7%–22%。基于这些发现，有必要通过综合农业因素和气象因素，特别是降水条件，重新评估GCRPS的长期环境影响。

在水资源管理方面，农民通常仅在GCRPS的沟渠中灌溉，直到达到最大容量。这种做法可能会加剧由于降雨导致的产量下降的风险（Liu等，2013）。此外，农民不合理的灌溉实践可能会加剧GCRPS中的甲烷排放、氮淋溶和流失，尤其是在降雨量较高的时期（Song等，2021；Ren等，2024）。因此，为了适应不同的降水条件，GCRPS的水资源管理策略需要进行优化。这将有助于进一步减少对环境的负面影响，同时确保水稻产量的安全。

土壤-作物系统模型可以用于评估不同农业系统在不同气候条件下的农业和环境影响。此外，这些模型还能为不同的田间管理策略提供优化指导，包括灌溉和施肥管理。近年来，Liang等（2017）、Liang等（2019b）对传统的水稻土壤-作物系统模型（Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator, WHCNS）进行了改进，使其能够更好地模拟GCRPS中的土壤水分、温度和氮的处理过程，以及水稻的生长情况。本研究的目标是：（i）通过整合WHCNS模型的输出与生命周期评估方法，评估不同降水年型下传统淹水水稻田和GCRPS的产量、水资源足迹（WF）、氮足迹（NF）和碳足迹（CF）；（ii）确定不同降水年型下的最佳水资源管理策略。本研究的结果将为在中国丘陵山区实现更加可持续的GCRPS提供有价值的水资源优化技术。

本研究的试验地点位于中国资阳市雁江区的一个试验田（104°34′ E，30°05′ N）。该地区年均降水量为966 mm，年均气温为16.8 °C。在水稻移栽前后，气温明显较低，年均气温约为11.2 °C。季节性降水变化显著，高达80%的年降水量集中在夏秋季。相反，春末的降水相对较少。这些气候条件为研究GCRPS在不同降水年型下的表现提供了重要的背景信息。

在模型性能方面，与土壤水文参数、碳和氮转化以及作物遗传参数相关的验证参数详见表S4。图S8展示了模拟值与实测值之间的线性回归关系，涵盖了校准年和评估年的结果。回归方程的斜率接近1，决定系数（R2）超过0.90，且P值低于0.01，表明存在显著的线性关系。这些结果验证了模型在模拟GCRPS和传统水稻田的农业和环境影响方面的可靠性。

在不同降水年型对GCRPS水资源足迹（WF）的影响方面，蒸散发（ET）是影响WF的主要因素，对水分消耗起主导作用，并在很大程度上决定了WF的大小（Li等，2018b）。此前的研究已经确认，GCRPS的蒸散发量低于传统水稻种植方式。Bouman等（2005）发现，GCRPS的蒸发量比传统方法低32%，从而显著降低了ET。Jin等（2016）也发现，与传统方法相比，GCRPS的蒸发、蒸腾和ET在整个生长过程中都较低。这一现象表明，GCRPS在减少水资源消耗方面具有显著优势，特别是在降水较多的年份，其节水效果更为明显。

本研究还分析了不同降水年型对GCRPS氮足迹（NF）和碳足迹（CF）的影响。结果表明，与传统水稻种植方式相比，GCRPS在所有降水年型下均能显著减少NF和CF。特别是在湿润年份，GCRPS的产量略有下降，但这一产量下降并未影响其对NF和CF的显著减少效果。这一发现突显了GCRPS在水资源节约和温室气体排放减少方面的优越性，即使在降雨较多的年份，其环境效益依然显著。

此外，研究还探讨了不同降水年型下，采用不同灌溉策略对GCRPS的环境影响。结果显示，与本地农民的灌溉实践相比，雨养灌溉、灌溉量为农民实践的50%和75%的策略在湿润、正常和干旱年份中对产量的影响较小，同时还能显著减少水资源足迹、氮足迹和碳足迹。这些策略在不同降水条件下表现出良好的适应性，有助于实现水资源的优化管理，同时确保水稻产量的稳定。

在农业实践中，水资源的合理利用和管理对于实现可持续发展目标至关重要。GCRPS作为一种创新的水稻生产系统，通过减少水分蒸发和排水，提高了水资源的利用效率。同时，其减少氮肥流失和活性氮排放的效果，有助于改善生态环境质量。然而，由于降水条件的不确定性，GCRPS的产量可能会受到一定影响，特别是在降雨量较高的年份。因此，为了实现更高效的水资源管理，需要结合农业实践和气象条件，特别是降水变化，对GCRPS的水资源管理策略进行优化。

本研究采用的WHCNS模型，经过改进后能够更准确地模拟GCRPS中的水分、温度和氮的处理过程，以及水稻的生长情况。通过整合该模型的输出与生命周期评估方法，研究人员能够全面评估不同降水年型下GCRPS和传统水稻种植方式的环境影响。研究结果表明，GCRPS在所有降水年型下均能显著减少水资源足迹、氮足迹和碳足迹，但其产量在湿润年份会略有下降。这表明，虽然GCRPS在节水和减排方面表现出色，但在某些降水条件下，其产量优势可能受到一定限制。

为了进一步优化水资源管理策略，研究人员还探讨了不同降水年型下的最佳灌溉方案。结果显示，雨养灌溉、灌溉量为农民实践的50%和75%的策略在不同降水条件下均能有效减少环境足迹，同时对产量的影响较小。这些策略不仅有助于提高水资源的利用效率，还能在一定程度上降低温室气体排放，提高农业生产的可持续性。

在农业和环境管理领域，水资源的合理利用是实现可持续发展的关键。随着气候变化的加剧，降水模式的变化对农业生产的影响日益显著。因此，有必要对不同降水条件下的农业实践进行深入研究，以制定更加科学和合理的水资源管理策略。GCRPS作为一种创新的水稻生产系统，为实现水资源节约和温室气体减排提供了新的思路。然而，其产量受到降水条件的影响，特别是在湿润年份，产量可能会略有下降。因此，如何在确保产量的同时，实现更高效的水资源利用，成为当前研究的重要方向。

本研究的结果表明，GCRPS在不同降水年型下均能显著减少水资源足迹、氮足迹和碳足迹，但其产量在湿润年份会受到一定影响。这一发现突显了在降水条件变化较大的情况下，GCRPS的环境效益依然显著，但其产量优势可能受到一定限制。因此，在制定水资源管理策略时，需要综合考虑降水条件、农业实践和环境影响，以实现最佳的平衡。

此外，本研究还强调了水资源优化在GCRPS中的重要性。通过采用不同的灌溉策略，如雨养灌溉和灌溉量为农民实践的50%和75%，可以在不同降水条件下有效减少环境足迹，同时确保产量的稳定。这些策略不仅有助于提高水资源的利用效率，还能在一定程度上降低温室气体排放，提高农业生产的可持续性。因此，在未来的研究和实践中，应更加重视水资源的优化管理，以实现农业生产的绿色转型。

综上所述，本研究通过整合WHCNS模型的输出与生命周期评估方法，评估了不同降水年型下GCRPS和传统水稻种植方式的环境影响。研究结果表明，GCRPS在所有降水年型下均能显著减少水资源足迹、氮足迹和碳足迹，但其产量在湿润年份会略有下降。这一发现为优化GCRPS的水资源管理策略提供了科学依据，同时也为实现农业生产的可持续发展提供了新的思路。通过采用雨养灌溉和灌溉量为农民实践的50%和75%的策略，可以在不同降水条件下有效减少环境足迹，同时确保产量的稳定。这些策略不仅有助于提高水资源的利用效率，还能在一定程度上降低温室气体排放，提高农业生产的可持续性。因此，在未来的研究和实践中，应更加重视水资源的优化管理，以实现农业生产的绿色转型。