节水灌溉策略在保障水稻产量同时缓解温室气体排放的全球荟萃分析

《Agricultural Water Management》：Promising water-saving strategies for mitigating greenhouse gas emissions while ensuring rice yield in paddy fields: Evidences from a global meta-analysis

本研究针对水稻田传统淹灌导致的水资源浪费和温室气体排放问题，通过全球荟萃分析系统评估了多种节水灌溉（WSI）策略对水稻产量、CH4、N2O排放、全球增温潜势（GWP）及温室气体强度（GHGI）的影响。结果表明，WSI在维持产量的同时，显著降低了CH4排放（-71.0%）、GWP（-54.7%）和GHGI（-51.7%），但增加了N2O排放（+39.5%）。研究明确了不同WSI类型、气候土壤条件及农艺措施下的最优减排增产组合，并计算出净生态经济效益（NEEB）普遍为正，为应对气候变化、实现水稻可持续生产提供了关键证据和优化路径。

　　

在全球水资源日益紧张和气候变化加剧的背景下，水稻生产面临着巨大的可持续性挑战。作为全球主要粮食作物，水稻生产消耗了约30%的农业用水，同时稻田也是重要的温室气体排放源，贡献了约20%的农业甲烷（CH₄）排放和11%的氧化亚氮（N₂O）排放。传统的水稻淹灌（Flooding Irrigation, FI）模式不仅效率低下，还加剧了水资源短缺和温室效应。尽管各种节水灌溉（Water-Saving Irrigation, WSI） practices 已被广泛应用，但其对水稻产量和温室气体排放的影响在不同地区和研究中存在显著差异，甚至相互矛盾。这种不确定性主要源于复杂的生态环境背景（如气候、土壤特性）和不同的农业管理措施（如施肥、秸秆还田）的交互作用。因此，迫切需要一个全面、系统的评估，以明确WSI在不同条件下的实际效果，并为制定区域优化的水稻生产策略提供科学依据。

为了回答上述问题，扬州大学的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了题为“Promising water-saving strategies for mitigating greenhouse gas emissions while ensuring rice yield in paddy fields: Evidences from a global meta-analysis”的论文。研究团队对2002年至2024年10月期间发表的全球文献进行了系统检索与筛选，最终纳入了108项研究的2277组观测数据，构建了一个全面的数据库。研究采用荟萃分析（Meta-analysis）这一量化文献综述方法，计算了WSI相较于FI对水稻产量、CH₄排放、N₂O排放、GWP（由CH₄和N₂O根据IPCC标准换算）及GHGI（GWP与产量的比值）的响应比（lnR）及其变化。此外，研究还根据灌溉类型（如控制灌溉CI、湿润灌溉WI、浅湿灌溉SI、间歇灌溉IR、交替湿润干燥灌溉AWD及其亚型AWMD和AWSD）、气候条件（温度、降水）、土壤性质（pH、质地、有机碳SOC、全氮TN）、农艺措施（氮肥用量、有机肥、秸秆还田、生物炭施用）以及水稻品种和种植制度等进行了亚组分析，以探究影响WSI效果的关键因素。同时，研究还计算了不同WSI的净生态经济效益（NEEB），综合评估其经济可行性。

主要研究结果

整体效应

与FI相比，WSI整体上维持了水稻产量（+0.8%），同时显著降低了CH₄排放（-71.0%）、GWP（-54.7%）和GHGI（-51.7%），但增加了N₂O排放（+39.9%）。这表明WSI在保障粮食安全和控制总体温室效应方面具有明显优势。

不同节水灌溉类型的效果

不同WSI类型的效果存在差异。在CH₄减排方面，AWD效果最佳（-83.2%），其次为CI（-72.0%）和WI（-66.0%），而IR（-42.3%）和SI（-41.3%）相对较弱。N₂O排放增加最多的是WI（+78.4%）。产量方面，CI、SI和IR分别增产4.5%、3.4%和3.1%，AWD维持产量稳定，而WI导致减产2.5%。在AWD亚型中，交替湿润轻度干燥灌溉（AWMD）在增产（+2.0%）和控制N₂O排放方面优于交替湿润重度干燥灌溉（AWSD）（AWSD减产5.9%），且两者在降低GWP和GHGI方面无显著差异，因此AWMD被认为是更优的选择。

气候与土壤因素的影响

气候和土壤条件显著调节WSI的效果。在气温25-30°C、降水量≤400 mm的条件下，GWP降低幅度最大。土壤pH≤6.5（酸性）时，CH₄减排和GWP降低效果最好，且N₂O增幅最小（+24.5%），同时还能增产1.2%。轻质壤土中的WSI效果普遍优于重质粘土。当土壤有机碳（SOC）含量>20 g kg^-1时，WSI的CH₄减排效果和增产效应（+5.2%）最佳。

农艺管理措施的影响

氮肥施用量是调控CH₄排放的最重要因素（相对重要性17.2%）。虽然高氮（≥250 kg N ha^-1）能带来最大的CH₄减排，但也显著增加了N₂O排放。综合来看，100-150 kg N ha^-1的施氮量能在保证产量增幅的同时，较好地平衡温室气体排放。在有机物料管理中，生物炭改良（Biochar amendment）表现突出，能大幅降低CH₄排放（-112%）和GWP（-84.9%），并增产2.3%。有机肥施用能在不显著增加N₂O排放的前提下减少CH₄，并显著增产7.7%。秸秆还田则会增加CH₄和N₂O排放。

净生态经济效益（NEEB）

所有WSI的NEEB均高于FI，表明其具有环境和经济双重效益。其中，SI的NEEB最高（平均3774 CNY ha^-1），其次为WI、IR、AWD和CI。这主要得益于WSI节省的灌溉水费和因降低GWP而减少的碳成本。

研究结论与意义

本研究通过全球尺度的荟萃分析，有力地证实了节水灌溉（WSI）是实现水稻生产节水减排双赢目标的有效途径。研究不仅量化了WSI对产量和温室气体的整体影响，更重要的是，通过细致的亚组分析，揭示了其效果受灌溉方式、环境背景和田间管理的强烈调控，并明确了最优实践的组合条件（如在酸性、高有机碳的轻质壤土上采用AWMD或CI，配合100-150 kg N ha^-1的氮肥和生物炭施用）。随机森林分析进一步指出，氮肥管理、土壤pH和质地是影响WSI效果的关键变量。

该研究的实践意义在于为不同生态区的稻田管理提供了精准的决策支持。例如，在干旱半干旱地区（低降水）和热带亚热带地区（适宜温度）推广WSI能获得更大的环境效益；通过改良土壤（如增施有机肥或生物炭提高SOC、调节pH）可以增强WSI的减排增产效果。此外，研究也指出WSI推广面临的挑战，如可能增加N₂O排放、对管理技术有一定要求等，并建议通过配套措施（如使用控释肥、硝化抑制剂）来协同解决。

总之，这项研究为应对全球水资源短缺和气候变化提供了重要的科学证据和实践路线图。通过优化选择和区域化配置节水灌溉技术，并整合配套的农艺措施，可以在保障乃至提高水稻产量的同时，显著减少稻田的温室气体排放，推动水稻生产向更加可持续的方向发展。