作为世界水稻生产大国，中国以占全球19%的种植面积生产了占全球32%的水稻。目前水稻种植仍然以大水大肥模式为主。大量施肥造成了较为严重的稻田氮磷面源污染；同时，在常规淹水灌溉（fi）模式下，水稻灌溉需水量大，约占全国年灌溉用水总量的65%。在当前人口增长和水环境退化的大背景下，水稻生产不仅需要保证产量，同时还需应对水资源短缺以及水稻生产引发的各种环境问题。
中国科学院测量与地球物理研究所环境灾害评估团队副研究员庄艳华、研究员张亮、中级 李思思等与中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、北京大学等单位合作，从国家尺度分析了中国节水灌溉的综合效益及应用潜力。目前浅湿（swi）、间歇（ii）、控制（ci）和蓄雨灌溉（rgi）是中国常见的稻田节水灌溉模式。浅湿灌溉的主要特点是，除晒田和人工排水外，田间建立浅水层；间歇灌溉主要表现为浅水层和无水层交替；控制灌溉是除返青期和分蘖初期田间建立水层外，其余生育期处于无水层状态；蓄雨灌溉是在不影响水稻生长的前提下，最大程度利用雨水灌溉，且常与其他节水灌溉模式结合应用。该研究基于多点田间研究数据重点从节水、增产和氮素径流流失负荷削减3个方面对比分析了不同模式的综合效益。
控制灌溉具有最佳的节水效果和氮素径流流失减排效果，平均节水率和污染负荷削减率可达35.12%和54.97%；其次是蓄雨灌溉、浅湿灌溉和间歇灌溉。整体而言，节水率和污染负荷削减率呈显著正相关（图1a）。由于田埂的存在，长期低水位或无水位运行使节水灌溉在面源污染控制方面具有“控源增汇”的双重功能，一方面，可大大降低径流排水几率、延缓暴雨后田间排水时间、削减高浓度田面水排放量，起到“控源”作用；另一方面，可增加田间水储存“空间”，从而提高稻田容纳雨水、灌溉来水甚至消纳生活污水的潜力，起到“增汇”作用。从增产效果看，蓄雨灌溉增产效果最佳，平均增产率可达11.82%，其次是浅湿灌溉（8.12%）和间歇灌溉（5.40%）；控制灌溉增产效果不太显著，平均增产率为0.79%。整体而言，增产率随节水率增加呈“先增后减”趋势（图1b）。相比于淹水灌溉，适度的节水灌溉可改善土壤透气性、促进根部发育并提高水肥利用效率等，从而增加水稻产量；但当节水率增加到一定程度，会因缺水型水分胁迫导致增产效率降低、甚至减产。
图1 常见节水灌溉模式不同效率之间的变化关系：
a. 污染负荷削减率与节水率；b. 增产率与节水率
节水灌溉普遍适宜于水肥保持能力强、气候湿润、地下水位较高以及地势平坦等区域。通过分析不同节水灌溉模式的适用条件和特点，本研究构建了中国节水灌溉模式识别指标体系，共包括土壤、气候水文、地形和目标效率4类及土壤质地、土壤肥力、土壤盐碱度、降水、地下水位、地类/坡度和综合效益7项指标。基于指标体系和gis空间分析技术，绘制了4种节水灌溉模式潜在的应用空间分布图（图2）。中国约94.19%的稻田区域适宜实施节水灌溉，应用潜力大。其中，浅湿灌溉分布最为广泛，适宜于约90.03%的稻田区域；其次是控制灌溉和间歇灌溉，适宜于约23.33%的稻田区域；蓄雨灌溉的适宜范围约占4.16%。5.81%的稻田区域因土壤盐碱化和肥力低下等因素不适宜实施节水灌溉。在中国全面实施节水灌溉的情况下，在国家尺度上可节水约22.06-26.41%、削减氮素径流流失负荷约31.11-39.11%、增产约5.39-6.87%。
图2 中国稻田节水灌溉模式潜在的应用空间分布图
稻田节水灌溉的多功能符合《2030年可持续发展议程》多项发展标准，在确保水稻稳产增产的同时，可有效缓解水资源短缺、控制面源污染；同时，还被证实有利于控制稻田温室气体排放、降低病虫害风险等，值得在全国推广应用。 上述研究成果以effects and potential of water-saving irrigation for rice production in china于2019年3月5日正式发表于国际学术期刊agricultural water management（）。该研究得到国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会和农业部面源污染控制重点实验室等资助。
