水稻与全球变暖

张田勘

目前，除去工业、汽车排放等人类活动，全球主要温室气体约有30%来源于农业。温室气体包括甲烷、二氧化碳、氧化亚氮等，这些气体进入大气后会导致气候变暖，从而造成灾害频发。甲烷是位于二氧化碳之后的第二大温室气体，对全球温室效应的贡献率为20%，其中稻田排放的甲烷约占人为甲烷排放总量的11%。另外，稻田还是氧化亚氮的主要排放源之一，氧化亚氮是第三大温室气体，对全球温室效应的贡献率为6%～8%。这些数据表明，水稻或多或少与气候变暖有关，但是以水稻产生的温室气体分量来看，又未必是导致全球变暖的主要原因。

最近，中国农业科学院研究团队发表于《环境研究通讯》上的一篇论文指出，中国水稻的种植北界在30年的时间内向北方的高纬度地区迁移了近25千米。导致这一变化的主要原因是全球变暖。现在科学界的主流意见认为，人类活动应对全球变暖问题负主要责任，同时，种植水稻可能是导致全球变暖的原因之一。

水稻是全球最主要的粮食作物，世界50%以上的人口以稻米为主食。预计到2050年，在现有水稻种植面积基础上，全球水稻产量仍需提高30%左右才能满足未来人口增长和经济发展对稻米的需求。

同时，水稻也是中国人的主要食粮，超过一半的中国人以大米为主食。国家统计局的数据显示，2020年，全国粮食播种面积116768千公顷，其中谷物播种面积97964千公顷。谷物包括水稻、小麦和玉米。其中，水稻种植面积为30076千公顷，总产量为21186万吨；小麦种植面积为23380千公顷，总产量为13425万吨；玉米种植面积为41264千公顷，总产量为26067万吨。

中国的水稻无论是种植面积还是产量，都高于其他两类谷物，这也符合中国有超过一半人口主要吃大米的饮食习惯。不过，水稻种植北界向北迁移显然不应由水稻承担主要责任，因为人类的工业生产、汽车排放和其他人类活动对气候变暖的影响更大。但是，水稻种植北移涉及粮食安全，是福还是祸，在短时间内难以判断，但至少应当引起关注。此前，由于气候变化，其他农作物也出现了种植区域向北方高寒地区迁移的情况。不过，这些研究有的是采用气象模拟条件作为参数，有的是采用水稻分布情况分析水稻种植可能向北迁移，但都难以得出现实中的水稻种植区域向北迁移的真实情况。

此次中国研究人员发表的论文采用了更能反映真实情况的研究方法。研究团队使用中高空间分辨率遥感影像反演的长时间序列水稻时空分布数据集，利用核密度估计算法提取并定量分析了水稻种植北界的分布及演变规律，得出了中国水稻种植实际向北迁移的结论。具体情况为，在过去30年间，中国水稻种植北界向高纬度地区平均迁移了24.93千米，最大迁移距离为88.01千米；向高海拔地区平均迁移了39.15米，最大迁移距离为117.08米。

水稻种植北界向北扩展有多种原因，如收益、农业政策、灌溉条件、旱育稀植技术等，但对水稻种植北界区域水稻扩张起主要作用的是气温增高，平均温度每升高1%，水稻种植北界区域的水稻种植面积将增加2.24%。

从表面上看，水稻种植面积扩大是一件好事，因为种植面积扩大，水稻的产量也会增加，能为更多的人提供食粮，因此对于粮食安全有益。气候变化不只影响中国，也影响到其他国家的水稻种植，如果这种情况在全球都一样，也会增加全球的水稻种植面积。这对于全球以大米为主食的35亿人也是一件大好事。但是，另一方面，气温升高，也有可能造成水稻减产和水稻品质降低，这一涨一消之间，可能会抵消水稻种植面积向北扩增带来的收益。

美国北卡罗来纳州立大学的研究团队近期发表在美国《国家科学院院刊》上的一项研究显示，温暖的夜晚会改变水稻的生物节律，导致数百个基因比平时表达得早，而其他数百个基因比平时表达得晚。这些因素会让水稻的生物钟失控，因而可能导致水稻减产。此前国内外一些研究表明，气温升高对水稻的产量和营养都有负面影响。在平均气温上升1℃时，水稻的生育期将缩短约15天。水稻分蘖速度会由于生育期缩短而加快，造成有效分蘖减少，引起水稻穗重和总干重下降，降低水稻产量。同样，小麦、玉米等作物的产量也会受气温升高的影响。

气候变暖还会直接影响水稻的质量和外观。在水稻开花至成熟阶段，持续高温可明显缩短水稻的成熟天数，收割后的稻米籽粒会出现充实不良、籽粒不饱满、胚透明度低和精米率降低，同时米粒无光泽。此外，水稻灌浆结实期间气温较高，收获后的水稻煮出来的米饭较硬。反之，如果水稻灌浆结实期间气温凉爽，昼夜温差大，其做成的米饭味道更香。另外，受高温影响的大米，营养成分也较低。

通过这些科学研究结果可以看出，即便水稻排出的温室气体对全球变暖只有少量的作用，也不应当忽视。在水稻产量越来越高并能较好解决人们吃饭问题时，下一个要考虑的目标就是减少水稻的温室气体排放。这对于提高水稻的产量和质量都有益处，也能对粮食安全做出进一步贡献。

解决之道仍在于科学，方法之一是种植节水水稻。2019年，上海市农科院生态研究团队和上海市农业生物基因中心针对安徽省亳州、蚌埠、滁州、淮南、合肥、安庆、铜陵7个地区种植的节水抗旱稻进行了两年的碳减排效益评估。结果表明，传统水稻种植模式改为节水抗旱稻旱管种植模式后，稻田主要温室气体成分甲烷的排放量降低97%。

雖然水稻的淹灌式种植改为旱管种植模式后，另一种温室气体氧化亚氮的排放略有增加，但综合温室气体（包括甲烷和氧化亚氮）减排达92%。实验证明，在确保水稻产量的前提下，该模式是目前已知稻田甲烷减排效果最好的方法。

解决方法之二是改良水稻种子。把其他作物的基因转移到水稻中，可能既减少水稻的碳排放，又能提高水稻产量并增加稻米的营养。中国研究人员发现，把大麦的基因SUSIBA2转移到水稻中，就能起到这种作用。将SUSIBA2基因转移至水稻后，这一基因在水稻中的表型明显，不仅实现了稻粒淀粉含量升高，颗粒饱满，还大幅度降低了水稻种植过程中的甲烷排放。这是第一种既高产又能降低甲烷排放的大米，为稻田温室气体排放问题提供了可持续的解决方案。

依靠科学，可以既解决全球人口的吃饭问题，也可以减少种植水稻造成的温室气体排放，熊掌和鱼也可兼得。