我国稻田甲烷排放的时空特征与减排途径*

唐志伟, 张 俊,2, 邓艾兴, 张卫建,2**

(1.中国农业科学院作物科学研究所 北京 100081; 2.中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心 北京 100081)

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出, 至少到2050年, 大气中温室气体排放的增加仍将导致全球表面温度继续升高。甲烷(CH)是仅次于二氧化碳(CO)的全球第二大温室气体, 在百年尺度内, CH的增温潜势是CO的27.9倍,在大气中存留时长为11.8年。稻田是最重要的人为CH排放源之一, 占全球人为CH排放的10%～13%。我国是世界上最大的水稻(Oryza sativa L.)生产国和稻米消费国, 水稻种植面积占全球水稻种植总面积18.5%。我国稻田CH排放占全球稻田CH排放的21.9%。因此, 在全球气候变暖背景下, 实现水稻丰产和稻田CH减排的协同对于保障国家粮食安全、减缓全球气候变暖以及兑现2060年碳中和的国际承诺具有重要意义。目前关于稻田CH排放的关键过程与主要影响因素的研究比较多, 但针对我国各区域稻田CH排放特征及其减排途径的论述还不充分。张学智等基于CHMOD模型估算了稻田CH的排放量, 结果表明2018年我国稻田CH排放量为6.408×10t, 但对稻田CH排放的关键过程和减排措施论述不够。任万辉等综述了我国近20年来稻田CH的研究现状, 阐述了稻田CH排放的关键过程与主要影响因子, 研究认为稻田CH排放是稻田土壤CH的产生、转化以及传输共同作用的结果,受土壤、温度、农业管理措施、水稻品种等因素的影响, 但对稻田CH减排途径的探讨不多。刘珂纯等基于Meta分析, 总结了稻田CH主要减排措施的技术效应和影响因素, 发现复合种养、适当的施氮水平、有机肥堆沤发酵后还田、施控释肥或配施生物抑制剂、适量生物炭还田、节水灌溉以及少耕免耕等措施有助于稻田CH减排, 但对我国各区域CH排放特征的分析不够。尽管还有不少关于稻田CH影响因素和减排措施的分析研究, 这些研究多侧重于氮肥施用、秸秆还田、水稻品种筛选、节水灌溉、保护性耕作等单个或多个影响因素和减排措施, 对稻田CH排放的主要影响因素和减排措施梳理还不够。为此, 本文量化分析了我国水稻播种面积、稻田CH排放和单位产量CH排放的时空变化特征, 并结合对稻田CH排放关键过程和主要影响因素的总结, 探讨我国水稻丰产减排的技术途径及科技与政策创新建议, 为2020s稻田CH减排提供理论与技术参考。

1 数据来源与计算方法

1.1 数据来源

本文涉及的数据资料主要包括全国各省份(不含港澳台地区)水稻播种面积(单季稻、双季早稻、双季晚稻)、稻谷产量和稻田CH排放因子。播种面积数据来自国家数据中心(http://data.stats.gov.cn/), 稻谷产量数据来源于《中国统计年鉴》, 稻田CH排放因子推荐值来源于《省级温室气体清单编制指南》(表1)。研究年份为2001-2018年, 区域包括华北、华东、华中、华南、西南、东北、西北。

1.2 计算方法

稻田CH排放量是该区域不同类型稻田所产生的CH排放量求和, 具体计算公式如下:

式中: E为稻田CH排放总量(×10t CE) (CE为CO当量, 下同); EF为分类型稻田CH排放因子推荐值(kg·hm) (表1); AD为对应于该排放因子的水稻播种面积(×10hm); 下标i表示稻田类型, 分别指单季稻、双季早稻和双季晚稻; 27.9为CH折算CO当量系数(根据2021年IPCC报告)。

表1 不同区域不同类型稻田CH4排放因子Table 1 Methane emission factors from different types of rice fields in different regions of China kg·hm-2

1.3 文献收集分析

为进一步总结归纳稻田土壤CH排放的关键过程与影响因素, 本文基于中国知网、Web of Science数据库, 围绕稻田CH排放过程、影响因素、减排途径等收集文献资料, 通过阅读、整理和归纳, 系统总结了稻田CH排放的关键过程、主要影响因素及其影响机制, 以探讨丰产减排技术途径。

2 我国水稻播种面积与稻田CH4排放的时空特征

2.1 我国水稻播种面积的时空特征

从图1可以看出, 2001-2018年我国水稻总播种面积整体呈先降低、后升高、再降低的趋势,其中以2015年水稻播种面积最高(3.078×10hm),2003年最低(2.651×10hm)。2001-2007年, 我国各区域水稻播种面积从高到低依次为华东地区、华中地区、华南地区、西南地区、东北地区、西北地区、华北地区; 2008年起, 西南地区水稻播种面积超过华南地区, 仅次于华东和华中地区; 2010起, 东北地区水稻播种面积超过西南和华南地区, 仅次于华东和华中地区。2018年我国水稻播种面积以华东地区最高(9.684×10hm), 其他区域从高到低依次为华中地区、东北地区、西南地区、华南地区、华北地区、西北地区, 呈现东南高、西北低的趋势。

图1 2001—2018年我国不同区域的水稻播种面积Fig.1 Rice sown areas in different regions of China from 2001 to 2018

2.2 我国稻田CH4排放和单位产量排放的时空特征

从图2a可以看出, 2001-2018年, 我国稻田CH排放总量呈先降低、后升高、再降低的趋势, 其中以2015年稻田CH排放总量最高(1.829×10t CE),2003年稻田CH排放总量最低(1.601×10t CE)。2001-2009年, 我国各区域稻田CH排放总量从高到低依次为华东地区、华中地区、华南地区、西南地区、东北地区、西北地区、华北地区; 2010-2018年, 我国各区域稻田CH排放总量从高到低依次为华东地区、华中地区、华南地区、东北地区、西南地区、西北地区、华北地区。

从图2b可以看出, 2001-2018年, 我国稻田单位产量CH排放总体呈下降趋势, 其中以2003年最高[0.991 kg(CE)·kg], 2018年最低[0.841 kg(CE)·kg]。2001-2018年, 我国各区域稻田单位产量CH排放量由高到低总体依次为华南地区、华中地区、华北地区、华东地区、西北地区、东北地区、西南地区。2018年各区域稻田单位产量CH排放量以华南地区最高[1.246 kg(CE)·kg], 其他各区域由高到低依次为华中地区、华东地区、华北地区、西北地区、东北地区, 西南地区最低[0.606 kg(CE)·kg]。排放量受水稻播种面积、气候条件等因素的影响, 我国各区域稻田CH排放总量和单位产量CH排放量总体呈南高北低的趋势。

图2 2001—2018年我国不同区域稻田CH4排放总量(a)和单位产量CH4排放量(b)特征Fig.2 Total CH4 emission (a) and yield-scaled CH4 emission (b) from rice fields in different regions of China from 2001 to 2018

3 稻田CH4排放的关键过程及其主要影响因素

3.1 稻田CH4排放的关键过程与调控途径

稻田CH排放主要包括土壤CH产生、氧化及其向大气传输3个关键过程(图3)。稻田CH的产生过程主要发生在土壤耕层的厌氧层(2～20 cm)。在极端厌氧条件下, 土壤中的有机物质经厌氧微生物的作用, 水解和发酵后形成乙酸(CHCOOH)、CO和氢气(H)等, 其中CHCOOH、CO/H被CH产生菌利用还原成CH。两种途径对CH产生的贡献在不同的稻田土壤存在差异, 这主要取决于稻田土壤CH产生菌种群的差异, 嗜乙酸CH产生菌偏爱乙酸或乙酸盐, 而嗜氢CH产生菌则首选CO和H作为前体物。多数情况下, 稻田CH产生主要以乙酸途径为主导。

图3 稻田CH4排放的关键过程Fig.3 Key processes of methane emission from rice fields

稻田CH的氧化分为好氧氧化和厌氧氧化, 其中以好氧氧化为主。好氧氧化主要发生在土壤和灌溉水交界面的好氧层和水稻根系泌氧区的根际好氧区; 厌氧氧化主要发生在土壤耕作厌氧层, 受微生物种间直接电子传递的影响。CH氧化细菌和硝化细菌是土壤中消耗CH的两种主要微生物, 前者氧化CH的速率显著高于后者, 因此, 土壤CH的氧化主要由CH氧化细菌完成。稻田产生的大部分CH(70%～90%)在穿过土壤表层的好氧层和水稻根际好氧区两个氧气较为富集的区域时被氧化, 只有少部分未被氧化的CH传输至大气。

稻田CH主要通过水稻植物体内部的通气组织、冒气泡和水中液相扩散3种途径传输至大气, 其中水稻植株通气组织是稻田CH最主要的传输通道(80%以上)。只有当土壤中CH含量积累到一定程度, 并且CH在土壤、水层及水稻植株的传输途径中被较少地氧化, 并且3种排放途径较为通畅时, 才会出现较大的CH排放量。

3.2 影响稻田CH4排放的主要因素及其作用机制

稻田CH排放的主要影响因素有水稻品种、土壤特性、气候条件、农艺措施等(图4)。不同水稻品种间CH排放量存在显著差异, 高生物量的杂交稻品种一般通气组织较为发达, 因此, 排放量低于低生物量的常规稻品种。稻田CH排放与植株的通气组织、地上部与根系形态及其生理、当季光合产物和生物量等有关。提高收获指数可以减少水稻根系分泌的有机物, 从而减少CH产生菌所需的底物, 以此减少CH产生。多熟制种植是我国的重要耕作模式之一, 在水旱两熟或多熟制种植模式中,旱地作物种植次数越多, 水稻季CH排放就越少。因此, 作物周年CH排放量的高低主要取决于周期内旱地种植季的时间长短。耕作方式通过影响土壤理化性质和生物学过程直接或间接地影响CH排放,少耕或免耕保持了土壤原有的孔隙结构, 可以促进CH氧化。

图4 影响稻田CH4排放的主要因素及其作用机制Fig.4 Main factors affecting methane emission from rice fields and their underlying mechanisms

土壤特性也是稻田CH排放的主要影响因子,包括土壤水分、有机质、氧化还原电位(Eh)、酸碱度(pH)、质地等。CH产生菌的生长繁殖需要严格厌氧环境, 所以水分管理是影响土壤CH产生、氧化以及排放的决定性因素。土壤不同干湿程度影响了土壤好氧和厌氧区域的空间大小, 田间水层的深浅控制了CH氧化与扩散的途径, 淹水时间的长短决定了稻田土壤Eh的高低。在一定条件下,CH产生量和排放量随土壤有机质含量的增加而提高, 稻田CH排放通量受土壤有机碳、易矿化有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳的间接影响。土壤氮含量也能显著影响稻田CH排放, 但其效应取决于土壤氮素和有机质含量, 目前尚无定论。在厌氧发酵系统中, 厌氧微生物最适宜生长繁殖的C/N比为20～30∶1, 因此, 当稻田土壤C/N比过高, CH产生菌的生长受到有效氮的制约, 投入无机氮可提高CH排放; 反之, CH产生菌的生长受到碳源的限制, 继续投入无机氮反而会减少CH排放。土壤Eh主要受水分影响, 若土壤长期处于淹水状态, 土壤通透性变差、还原性增强, Eh下降, CH排放增加。土壤pH可影响CH产生菌的活性和土壤有机质的分解速率。当pH高于8.75或低于5.75时, CH产生菌的生长繁殖将受到抑制, 稻田CH排放会急剧减少甚至不产生CH排放。土壤质地主要影响土壤氧气含量和有机质的分解速率, 壤质和砂质土壤的CH排放显著低于黏质土壤。气候条件主要通过光辐射和降雨量影响土壤温度和水分, 进而影响CH排放。气温影响土壤温度, 进而通过影响植物体氧气消耗、土壤微生物活性、有机质发酵分解速度等来影响CH产生与传输速率。在全球气候变暖的背景下, 大气中CO浓度升高会显著增加CH排放, CO浓度升高和温度上升对稻田CH排放的影响具有累加效应。最新研究发现, 在CO浓度升高的条件下, 随着秸秆还田年限的延长, 稻田CH排放有降低的趋势。

4 我国稻田CH4的减排途径

4.1 稻田CH4减排的主要技术途径

水稻丰产与稻田CH减排协同的主要技术途径包括优质丰产低CH排放品种、低CH排放稻作技术和CH减排产品等(图5)。首先是选用优质丰产低CH排放的水稻品种。研究表明, 在土壤有机质含量高的条件下(＞2.1%), 高产水稻品种显著减少了稻田CH排放。我国水稻主产区稻田土壤有机质含量均比较高, 属于中高产稻田, 因此, 选用高产水稻新品种, 均可实现丰产与减排的协同。收获指数高、通气组织发达的水稻品种CH排放量较低, 可作为低CH排放品种的筛选指标。

图5 水稻丰产与稻田CH4减排协同的主要技术途径Fig.5 Main technical approaches for the win-win target of high rice yield and less methane emission

其次是应用优质丰产低CH排放的稻作技术。在水分管理方面, 节水灌溉技术可明显减少CH排放, 为适应机械化收获, 前期淹水、中期烤田、后期干湿交替至水稻收获的水分管理方式已成为一项减少温室气体排放的重要农业措施。因此, 未来的控水减排需要考虑水稻生育前期, 在确保水稻丰产前提下, 实现CH的大幅度减排。在肥料运筹上, 优化氮肥施用量和土壤培肥技术创新可有效降低CH排放, 比如测土配方施肥或施用控释肥, 以及施用腐熟有机肥、绿肥秸秆联合还田、秸秆好氧还田等。在种植模式上, 实行水旱两熟或多熟制种植,并适当提高旱地作物的种植频率可实现减排增收。少免耕也有促进CH氧化和阻碍CH传输的双重作用, 可在农业机械操作不便的地区适当采用。稻田复合种养可通过动物的活动促进CH氧化, 有利于稳产减排, 但稻渔综合种养需要控制沟坑比例, 保障水稻生产面积。

另外, 还可以施用CH减排产品。比如CH抑制剂可在不影响水稻产量的前提下, 通过减少产CH底物或抑制CH产生菌活性来减少稻田CH排放量,如AMI-AR2等。土壤调理剂主要包括电子受体、生物炭、石灰和增氧剂等。电子受体主要降低了CH厌氧氧化过程中CH底物浓度, 从而减少稻田CH排放, 如硫酸铵等。生物炭可通过提高稻田土壤孔隙度和CH氧化菌的活性来减少CH的产生,不过生物炭施用过量会引起当年土壤氮素固定, 因此, 在当年需要适当提高氮肥用量或优化前期和后期氮肥施用比例。施用石灰可促进土壤有机质的分解和降低CH产生菌的丰度, 通过减少CH产生菌所需的底物和影响CH产生菌的活性, 以此减少稻田CH排放。增氧剂施入稻田后, 与水发生反应产生氧气, 从而抑制CH产生菌且增强CH氧化菌的活性, 进而减少CH排放, 如过氧化钙等, 但要考虑增氧剂的经济可接受性。微生物减排制剂, 比如丛枝菌根真菌(AMF), 能与大部分农作物形成共生关系, 其产生的多糖等次级化合物可保护有机质免受微生物分解, 从而起到固碳减排效果。又比如电缆细菌(cable bacteria), 可通过电硫氧化提高土壤硫酸盐浓度, 促进硫酸盐还原菌与CH产生菌竞争底物, 从而减少CH产生, 具有较好的产品开发前景。

4.2 我国稻田CH4减排的重点区域及对策

我国稻田CH排放的空间特征显示, 华东、华中和华南地区在稻田CH排放总量上明显高于西南、东北、华北和西北地区, 总体呈现东南高、西北低的趋势。因此, 华东、华中和华南地区是我国稻田CH减排的重点区域。应针对这些区域CH排放量相对较高、水稻生育期雨水充沛和温光资源充足等特点, 制定减排对策。首先, 在选用丰产低排水稻品种的基础上, 可考虑调整种植模式, 实行水旱两熟或多熟制种植, 以改善土壤理化性状, 实现稻田CH的大幅度减排。其次, 应采用秸秆和绿肥还田的“旱耕湿整好氧”耕作措施, 并在水稻生育期内采用“前期湿润灌溉、中期晒田、后期干湿交替、成熟期落干晒田”的水分管理方式, 提高耕层和根际氧含量, 促进CH氧化, 减少排放。最后, 在排水不良的南方丘陵稻作区, 可增施生物炭、石灰、过氧化钙或进行稻鸭综合种养等措施, 抑制CH产生, 减少排放。

针对我国西南、东北、华北、西北地区稻田CH排放量相对较低、水稻生育期内雨水相对较少等特点, 在选用丰产低排水稻品种基础上, 采取水稻种植前测土配方施肥或施用控释氮肥等方式, 提高稻田养分利用率, 可同时避免养分浪费及NO排放升高。此外, 适当实行少耕或免耕, 可促进稻田CH氧化和阻碍稻田CH传输。有条件的地方, 可以增施硫酸铵和CH抑制剂等减排产品, 降低稻田CH产生, 促进稻田减排。

5 主要结论与建议

2001-2018年我国水稻总播种面积和稻田CH总排放量整体呈先降低、后升高、再降低的趋势;各区域年均单位产量CH排放量总体呈下降趋势。我国各区域水稻播种面积和稻田CH排放量总体呈东南高西北低的趋势; 单位产量CH排放量总体呈南高北低的趋势。稻田CH排放主要包括土壤CH产生、氧化与传输3个过程, 主要受水稻品种、土壤特性、气候条件、农艺措施等因素的影响。因此,在保证水稻丰产前提下, 选用低排水稻品种、应用减排稻作技术、施用CH减排产品等技术是减少稻田CH排放的有效措施。

进入2020 s, 我国稻田CH减排将面临更为严峻的挑战。在减排理论上, 要加强水稻丰产与CH减排的协调理论创新, 确保安全减排。在技术层面, 要加强丰产减排协调技术的创新与减排产品的研发,为稻田CH减排提供技术支撑。在品种层面, 可设立专项资金, 支持高产低排水稻品种筛选和选育, 并加大高产低排水稻品种的推广与应用。在政策层面,政府部门可联合科研院所、企业制定和完善稻田减排固碳相关行业标准与技术规程, 完善监测与评估方法与体系, 并创新激励措施和设立专项, 推动稻田CH减排行动。