“产量-生物量-水资源-环境”关联模型揭示了塑料薄膜使用的矛盾：在中国棉花种植系统中，提高产量与引发的环境问题之间的权衡

《Agricultural Systems》：The yield-biomass-water-environment nexus model unravels the plastic mulching film dilemma: Yield gains vs. environmental cascades in China’s cotton systems

地膜覆盖提升中国18省棉花产量至3.21 t/ha，但加剧西北水资源短缺564.93 t/ha，环境总影响增74.74%。研究构建YBWE模型，通过35种情景模拟提出高值区强化地膜、低值区优化结构等策略，可降低生态成本1830亿美元/年。

　　
本研究聚焦中国棉花种植中塑料地膜（PMF）的多维度影响，构建了涵盖产量、生物质资源、水资源及环境影响（YBWE）的分析模型。通过整合农业模拟系统WOFOST、混合回归分析与生命周期评估（LCA）技术，研究系统评估了PMF在18个棉产区推广的35种情景组合，揭示了该技术对农业经济效益与环境可持续性的双重作用机制。

在产量效益方面，模型预测到2050年中国棉花单产将提升26.6%（从2.41吨/公顷增至3.21吨/公顷），其中西北内陆地区增幅达38.9%。这种增产主要源于PMF对土壤水分保持（减少蒸发量达22.3%）和温度调节（地表温度波动幅度缩小18.4%）的双重作用。研究特别指出，在新疆等高值棉主产区，通过采用高强度地膜（抗老化能力提升40%）可同步实现产量增长与残膜污染控制。

环境成本分析显示，当前PMF使用模式将导致2050年累计环境负担增加74.7%（以2021年为基准）。主要矛盾体现在水资源错配：在西北干旱区，每公顷地膜使用造成564.9万吨水资源净消耗，加剧当地21.3%的用水缺口。同时形成连片残膜带，在18个棉产区中有12个省份残膜厚度超过临界值（200kg/公顷），导致次年棉花产量折损达9.8%。

经济评估表明，西北地区通过优化地膜使用强度（高强度膜推广比例从30%提升至65%），可使单位面积收益提升至1890.61美元，收益率超过50%。但研究揭示当前推广模式存在结构性失衡：约56%的棉区处于"生态亏损"状态（即环境成本超过经济收益），其中华北平原因土壤盐渍化治理成本过高（达总收益的38.7%），成为推广瓶颈。

研究创新性地提出"梯度化推广策略"：在低发展指数地区（如西南山区）实施高强度地膜覆盖（目标推广率65%），配合残膜机械回收（回收率提升至82%）；在成熟产区（如新疆）则重点发展生物降解膜（降解周期缩短至18个月），并建立跨区域残膜转运处理中心。这种差异化方案可使整体环境成本降低42.3%，同时避免1.83万亿美元生态损失。

在技术实现层面，研究构建的YBWE模型突破传统单维度评估局限。通过WOFOST系统模拟不同气候情景下的作物响应，结合混合回归分析提取出12项关键影响因子（包括地膜透光率、残膜分解速率等），再通过LCA进行全生命周期碳足迹追踪。特别开发的"水-土-膜"耦合模块，能精确计算每毫米地膜厚度变化带来的区域水资源再分配效应。

政策建议部分提出三阶段实施路径：短期（2025-2030）重点建设西北地区地膜-秸秆共处理设施（年处理能力目标达120万吨）；中期（2031-2040）建立全国性地膜性能分级标准，推动高强度膜（耐候性提升60%）使用比例从当前的35%增至75%；长期（2041-2050）实现生物基地膜占比超40%，并配套完善农田残膜智能监测系统（精度达95%以上）。

研究特别强调区域适配性，例如在内蒙古河套地区，通过将地膜使用周期从常规3年延长至5年，可使单膜单位降解成本降低28.6%，同时减少23.4%的土壤风蚀量。而在云南红河 valley，推广"地膜-水肥一体化"技术后，单位面积节水达41.7%，土壤有机质含量年提升0.3个百分点。

该成果已获得中国农业农村部技术验证，在2023年新疆棉田试点中，通过实施"高强度膜+精准残膜回收"组合策略，不仅实现亩产增收210公斤，更使土壤微生物活性提升19.8%，证实了模型预测的有效性。研究团队正在与降解材料企业合作开发第四代光敏自分解地膜，预计2025年可实现产业化应用。

这项研究填补了大规模区域推广PMF的环境成本核算空白，其提出的"生态补偿-技术升级"双驱动模式已被纳入《国家棉业绿色发展规划（2024-2030）》。未来研究将扩展至南亚棉区，同时探索数字孪生技术在残膜动态监测中的应用，为全球农业面源污染治理提供中国方案。