华南双季稻低碳高产栽培技术研究进展

钟旭华，梁开明，潘俊峰，傅友强，胡香玉，黄农荣，刘彦卓，胡 锐，李妹娟，王昕钰，叶群欢，尹媛红

(广东省农业科学院 水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室/广东省水稻工程实验室,广东 广州 510640)

粮食安全和气候变化是中国当前面临的2个重大问题。确保粮食安全，是社会稳定和经济发展的基础。水稻OryzasativaL.是中国最重要的粮食作物之一，全国60%以上人口以大米为主食，稳定和提高水稻产量对保障国家粮食安全至关重要。随着经济的发展和城镇化的推进，耕地持续减少，水稻产量的提高只能依靠单产的提高。气候变化是当今人类面临最为严峻的全球环境问题之一，中国政府已明确要力争在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和。人类活动向大气中排放大量的CO2、CH4和N2O等温室气体，是导致气候变化的主要原因。农业是重要的温室气体排放源之一，中国农业排放的温室气体约占温室气体排放总量的5.4%，其中，水稻种植排放的温室气体约占农业的16%[1]。稻田固碳减排对实现碳达峰碳中和的作用不可忽视。在保持水稻高产、保障粮食安全的同时固碳减排，降低单位产量的碳排放量，实现低碳高产，是水稻栽培技术发展的必然趋势[2]。水稻生产是一个碳固定和碳排放并行的过程。一方面，通过光合作用把空气中的CO2转化为碳水化合物并固定在植物体中，其中部分可通过秸秆还田等转化为土壤有机质，加上根系和土壤固碳，从而起到碳汇功能；另一方面，水稻植株和土壤直接向环境排放CO2、CH4和N2O等温室气体，使稻田成为温室气体排放源；此外，生产过程中投入的种子、化肥、农药、燃油等生产资料，造成温室气体的间接排放。因此，水稻低碳栽培要从减少投入、减少温室气体排放、减少环境污染和提高产量及效益等方面着手[3-4]。

我国在水稻低碳高产栽培方面开展了大量研究，并取得了较大进展。蔡祖聪等[5]系统地研究了稻田生态系统CH4和N2O排放情况。石生伟等[6]对中国稻田CH4和N2O排放进行了整合分析，初步明确了中国不同稻作区CH4和N2O排放的分布特征及主要影响因素，提出了中国稻田温室气体减排途径。Zhang等[7]分析了不同栽培技术对稻田温室气体排放的影响，结果表明：过去50年，种植系统调整、品种更换和节水灌溉分别使中国稻田温室气体排放减少了7%、31%和42%。Tang等[8]研究了2002—2017年中国稻田的碳排放情况。整体而言，中国稻田的碳排放量高于固碳量。稻田温室气体以CH4为主，稻田CH4和N2O每年排放量分别为176.02×1012和12.42×1012g，前者是后者的14.2倍。张卫建等[9]分析了气候变化对我国水稻生产的综合影响，提出建立气候智慧型稻作技术体系，从水稻生产力提升、土壤有机碳固存和稻田温室气体减排3个方面开展技术创新与集成。陈松文等[1]分析了我国长江中下游地区碳排放现状，提出构建“增汇、减排、降耗、循环”的低碳稻作体系。唐志伟等[10]研究表明，我国稻田CH4排放量呈“东南高、西北低”的特征，单位产量CH4排放量呈“南高、北低”的特征，华南地区是我国稻田温室气体减排的重点区域之一。目前，关于华南双季稻区水稻低碳栽培研究鲜见报道。2010年，广东省农业科学院水稻研究所生理生态研究团队提出了研发以低投入、低排放、低污染、高产量(即“三低一高”)为特征的华南双季稻低碳高产栽培技术的设想。本文总结了近10多年来华南双季稻低碳高产栽培研究的主要进展，并对存在问题和今后工作重点进行了讨论。

1 华南双季稻田温室气体排放量

华南稻区位于中国最南部，包括广东、广西、海南、福建四省(区)，是中国重要的水稻产区，以双季稻为主。2021年水稻播种面积444.85万hm2，稻谷总产量2 642.6万t，分别占全国的14.9%和12.4%；水稻单产5.94 t/ hm2，比全国平均单产低16.5%[11]。

1.1 华南地区稻田CH4排放量

根据CH4排放因子和水稻种植面积计算稻田CH4排放量。华南地区单季稻和双季稻的CH4排放因子分别为236.7和257.1 kg/ hm2[12]，结合华南地区各省(区)水稻种植面积，计算出华南四省(区)及整个华南地区稻田CH4排放量如表1。由表1可见，华南地区稻田每年CH4排放量为1.14×1012g，占全国稻田CH4排放量的22.00%。另外，根据Liang等[13-16]2014—2020年在广州市田间实测结果和许黎等[17]在广东省12个点（次）的田间监测数据，稻田平均CH4排放量分别为301.59和380.05 kg/ hm2，据此测算出华南稻田每年CH4排放量分别为1.34×1012和1.69×1012g，均比按排放因子测算的数值高。

表1 2021年华南地区稻田CH4和N2O排放量Table 1 CH4 and N2O emissions from rice field in South China

1.2 华南地区稻田N2O排放量

华南地区水稻平均施氮量为161.4 kg /hm2[18]，稻田N2O-N排放系数为0.50%[19]。根据水稻播种面积、平均施氮量和N2O-N排放系数，采用排放系数法估算出华南四省(区)稻田N2O排放量(表1)。由表1可见，华南地区稻田每年N2O排放量为5.64 ×109g，约占全国稻田N2O排放总量的13.50%。

1.3 华南地区稻田CH4和N2O排放的总温室效应

基于稻田CH4和N2O排放量，按CH4和N2O全球增温潜势分别为34和298[20]，计算得出华南四省(区)稻田每年CH4和N2O排放的总温室效应为40.39×1012g，占全国稻田的21.43%(表1)。可见，研发华南双季稻低碳高产栽培技术，在保持水稻高产的同时减少稻田温室气体排放，对于保障国家粮食安全和国家碳达峰碳中和目标的实现具有重要意义。

2 华南双季稻低碳高产栽培技术

2.1 华南双季稻低碳高产品种筛选及评价指标

2.1.1 高产低CH4排放品种筛选及评价指标 选用温室气体排放少的品种，可以减少水稻生产过程的直接温室气体排放。国内外已有研究表明，稻田中90%以上的CH4是通过水稻植株排放到大气中的，不同品种的CH4排放量存在差异[21]。黄农荣等[22]以南方稻区50个代表品种为材料，在盆栽条件下采用静态箱-气相色谱法测定CH4排放通量，结果表明：不同品种间CH4排放通量存在显著差异，最大相差达9.12倍。不同品种的CH4排放通量与稻谷产量之间相关性不显著，表明培育低碳和高产协调的品种是可能的。根据CH4排放通量和稻谷产量的聚类分析结果，可将水稻品种分为8种类型，其中，低排高产、低排中产、中排高产品种可供生产上直接选用，也可作为低碳品种选育的种质资源(表2)。黄农荣等[22]的相关分析表明，株高、叶面积指数与CH4排放通量呈显著正相关，在保持高产的同时植株较矮、叶面积较小，这也可能是高产低CH4排放品种的重要特征。Jiang等[23]研究表明，稻田CH4排放与水稻根系特性密切相关，高产水稻品种的根系孔隙度大，可以使较多O2进入土壤，从而提高土壤氧化还原电位、减少CH4排放。

表2 水稻低碳高产品种及选择指标Table 2 Low-carbon and high-yield rice cultivars and selection traits

2.1.2 氮高效品种筛选及评价指标 水稻氮效率存在显著的基因型差异。选用氮高效品种，则可以用较少的氮肥取得较高的产量，从而减少因施用氮肥而产生的直接和间接温室气体排放。黄农荣等[24]研究了48份不同水稻基因型材料，发现水稻品种的氮效率表现因地力不同而异，‘长伦占’不论在低氮还是高氮条件下都表现氮高效，是典型的氮高效品种；‘广恢128’和‘茉莉占选’在低氮条件下表现氮高效，为低氮高效型品种，适宜在土壤肥力较低的稻田种植；而‘97香’‘2 466’和‘银花占’在高氮条件下表现氮高效，为高氮高效型，适宜在土壤肥力较高的稻田种植。相关分析也表明，氮肥利用率与单位面积有效穗数、收获指数及稻谷产量呈极显著正相关，可作为氮高效品种选育的参考指标[24]。吴子帅等[25]测定了广东和广西104个优质常规稻品种在不施氮和正常施氮条件下的产量表现，筛选出‘桂育8号’‘桂育9号’‘桂育11号’和‘黄华占’等16个氮高效品种。

2.1.3 减氮高产品种筛选及评价指标 胡香玉等[26]以广东省区试对照种‘粤晶丝苗2号’为对照，在当地高产栽培减施氮肥1/3的条件下，测定了不同水稻品种的产量和氮肥利用率，结果表明，参试品种之间的产量存在显著差异，并筛选出了减氮高产品种(表2)；在减氮1/3的条件下，‘晶两优华占’‘聚两优751’ ‘国优9 113’ ‘荃香优6号’和‘深优513’的稻谷产量均达到7 t /hm2以上，比对照种增产20%以上。表明通过品种改良实现减氮高产是可行的。在减氮1/3条件下，水稻产量与总生物量、库容量呈显著正相关，与产量构成因子、不同阶段物质积累量、叶源大小均无显著相关性。减氮高产品种的总吸氮量并不高，但其氮素籽粒生产效率高。在减氮条件下生物量大、库容量大、氮素籽粒生产效率高是减氮高产品种的主要特征。

2.1.4 华南双季稻主栽品种的光能利用效率 选用高光效品种是低碳高产栽培的重要基础。黄农荣等[27]以华南双季稻区36个主栽品种为供试材料，研究了不同品种的光能利用效率及其与产量等农艺性状的关系。结果表明，水稻的光能利用效率在品种间和季节间均存在显著差异；通过系统聚类可将水稻品种划分为低光效型、中光效型和高光效型；多数品种为中、低光效品种，早季和晚季高光效品种分别占11.1%和25.0%，早稻和晚稻品种中的高光效品种如表2。多数品种在早、晚季的光能利用效率差异较大，品种选择应随季节而异。目前，生产上早、晚季多采用同一品种(即早晚兼用)，这也可能是华南双季稻区水稻单产较低的原因之一。

2.2 华南双季稻节水减排灌溉技术

中国是一个水资源短缺的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的1/4[28]。华南稻区虽然降雨量大，但季节性、区域性缺水经常发生。节水灌溉不仅可以节约灌溉用水，而且可以提高土壤氧化还原电位、减少稻田CH4排放，还可以降低化肥流失造成的环境污染风险。在水稻的节水灌溉方面，国际水稻研究所(IRRI)研发了安全干湿交替灌溉技术(Safe alternate wetting and drying，AWD)。该技术采用无底水位管监测地下水埋深，作为衡量田间水分状况的指标，用于指导灌溉。在移栽后10～15 d内保持水层2～5 cm，抽穗前后2～5 cm水层维持7 d，其他时间均采用AWD灌溉，即当水位下降至地下15 cm时灌水建立2～5 cm水层，如此循环，收割前7～10 d排水落干[29]。该技术在菲律宾、越南、孟加拉等东南亚国家得到推广应用[30]。此外，华南双季稻区也先后研发了浅沟渗灌法[31]和水气平衡法[32]等节水灌溉技术。

2010年广东省农业科学院水稻研究所将IRRI的AWD技术引进广东，随后对不同灌溉处理、不同施肥处理下的水稻产量、稻田温室气体排放和氮肥利用及损失规律进行了系统研究。结果表明，不论是传统灌溉还是AWD，稻田CH4排放高峰都出现在分蘖期，AWD可显著减少灌溉水用量和稻田CH4排放量，对稻谷产量无显著影响[13]。Pan等[33]研究表明，在华南双季稻条件下，水分管理与施氮处理对水稻产量无显著的互作效应。黄农荣等[22]在低CH4排放品种筛选的盆栽试验中发现，不同品种的CH4排放高峰均出现在分蘖期；幼穗分化期所有品种的CH4排放通量均大幅下降，各品种的平均值仅为分蘖期的18.2%；分蘖期品种间CH4排放通量差异显著，而幼穗分化期差异不显著。可见，分蘖期是减少稻田CH4排放量的关键期。

水分管理对稻田CH4和N2O排放有显著影响[34-37]。Liang等[15-16]田间监测结果表明，氮肥后移和AWD可显著减少氮肥损失。氮肥后移处理的氮肥环境损失(包括氨挥发、径流和渗漏)比习惯栽培减少32.7%，氮肥后移与AWD结合处理比习惯栽培减少41.9%；分蘖期也是稻田氮肥环境损失的高峰期，不同氮肥和水分管理下，氮肥环境损失均在分蘖期最大；习惯栽培分蘖期、幼穗分化期和结实期的氮肥环境损失分别占83.5%、7.5%和9.0%，氮肥后移处理分别占58.8%、25.9%和15.4%，而氮肥后移与AWD结合处理分别占59.7%、27.8%和12.5%[14]。

中期晒田具有控制无效分蘖、促进根系生长、减少病虫害和提高抗倒性等作用，是水稻高产栽培的重要措施，同时也可显著减少稻田CH4排放量。Liang等[16]的研究表明，在AWD基础上，分蘖期进行晒田处理，可以进一步提高节水减排效果；与AWD相比，中期晒田与AWD结合处理的稻谷产量略增或保持不变，灌溉用水量平均减少19.0%，稻田CH4排放量减少16.2%，单位产量温室气体排放量下降11.1%。

2.3 华南双季稻化肥减施增效技术

2.3.1 氮肥减施增效技术 钟旭华等[38-39]研发的水稻“三控”施肥技术，一般减少氮肥20%，增产10%左右，氮肥利用率提高10个百分点以上，倒伏和病虫害大幅减轻。以此为基础，Fu等[40]在广东和广西进一步研究了栽插密度和肥料运筹等栽培因子对水稻群体动态、光能利用和产量形成的影响，结果表明，增密减氮处理(比习惯栽培减氮23%、增密51%)的光能利用率达到1.60～1.80 g/MJ，比习惯栽培提高28.6%～37.9%，稻谷产量比习惯栽培提高23.9%～29.9%。周文涛等[41]研究发现，在节水轻简栽培模式下，增密减氮可显著减少稻田温室气体排放。稻田周年温室效应以早稻施氮 86.4 kg/hm2、密度36万穴/hm2，晚稻施氮 108 kg/hm2、密度32万穴/hm2处理最低。Zhu等[42]研究了增密减氮对东北单季稻产量、氮肥利用率和温室气体排放的影响，结果表明，在增密50%、减少氮素基肥30%的情况下，稻谷产量提高0.5%～7.4%，氮肥偏生产力提高14.3%～50.6%，温室气体排放减少6.4%～12.6%，单位产量温室气体排放降低7.0%～17.0%。关于增密减氮对华南双季稻温室气体排放的影响，值得进一步研究探讨。针对农村劳动力短缺问题，彭碧琳等[43]研发了“一基一追”轻简施氮法，施肥次数减少1～2次，产量和氮肥利用率与“三控”施肥技术差异不显著。

2.3.2 磷肥减量施用技术 长期施用磷肥使我国大多数农田处于磷素盈余状态，合理减少磷肥施用对保护环境有重要意义。潘俊峰等[44]在广东省农业科学院白云试验基地开展的连续9年18季的定位试验结果表明，在土壤有效磷较缺(有效磷质量分数7.2 mg/kg)条件下，不施磷处理第1—3年的稻谷产量与正常施磷处理无显著差异，第4—6年产量下降5.0%，第7—9年产量下降12.7%，减产达显著水平；2年的短期试验结果表明，在土壤磷含量中等(有效磷质量分数13.6 mg/kg)条件下，磷肥减半施用对稻谷产量、物质生产和磷素吸收利用均无显著影响，田面水总磷和可溶性磷含量在全生育期内差异不显著。因此，在土壤磷含量中等及以上的稻田，3年内磷肥减半施用既不影响水稻产量，又可降低稻田磷素损失风险，是兼顾产量和环保的可行技术方案。广东省中等和高磷肥力土壤占80%以上[45]，华南地区稻田磷肥减施潜力可观，关于华南双季稻田的磷肥周年运筹值得进一步深入研究。

2.3.3 化肥替代技术 稻草还田和冬种绿肥可替代部分化肥，还可增加土壤固碳、培肥地力，是低碳高产栽培的重要措施。张水清等[46-47]研究表明，稻草覆盖还田处理的总吸氮量比稻草不还田处理增加13.7%～20.3%，氮肥吸收利用率提高8.23个百分点，增产3.8%～13.9%。稻草还是一种重要的钾肥资源。田卡等[48]的盆栽试验结果表明，稻草钾的当季利用率为化学钾肥的79.6%，而成熟期稻草中积累的钾约占植株总钾积累量的70%，若稻草全量还田则可替代化学钾肥的50%以上；进一步的田间试验表明，在稻草全量还田的情况下减施50%化学钾肥，水稻植株的含钾量和吸钾量都显著高于全量施用化学钾肥处理，增产6.5%。可见，全量稻草还田替代50%化学钾肥是可行的。但是，稻草还田显著增加了稻田CH4排放量[49]。冬种紫云英回田不但可以部分替代化学氮肥，而且还可培肥地力，是水稻低碳栽培的有效措施。冬种紫云英绿肥可以显著提高水稻产量，平均增产3.6%；同时，也增加稻田CH4排放量，但差异未达显著水平[49]。王飞等[50]的研究表明，稻草与紫云英联合还田可以有效地提高土壤肥力和水稻氮肥利用率；在等氮投入下，稻草与紫云英联合还田替代20%～40%化肥有利于水稻稳产增产。

2.4 华南双季稻低碳高产栽培技术集成及示范应用

钟旭华等[51]以低碳高产品种、节水减排灌溉、化肥减施增效等关键技术为基础，结合现有先进实用技术，集成建立了华南双季稻低碳高产栽培技术体系，制定了技术规程。在广州、肇庆、惠州、湛江和云浮等地进行了示范应用。结果表明，与习惯栽培相比，该技术减少施肥(N+P2O5+K2O)17.8%，每季减少灌溉2～3次，节约灌溉水20%以上，稻田温室气体平均减排33.5%，氮素环境损失减少41.9%，稻谷产量提高了5.8%～22.2%，增收1 662～4 485元 /hm2，实现了低碳与高产的协调。该技术2017年入选国家发改委节能低碳重点推广技术目录，2023年入选广东省农业主推技术。

3 问题和展望

控制温室气体排放，遏制或减缓气候变化，是当今国际社会的紧迫任务。降低投入品碳足迹，减少生产过程能耗，提升固碳减排功能，同时提高产量和经济效益，是包括水稻在内的农业可持续发展的必然趋势[52]。当前，华南双季稻低碳高产栽培还存在可用的低碳高产品种少、种植模式单一、推广难度大、基础研究不够深入等问题，亟需提高认识，加强协作，促进技术进一步完善和推广应用。

3.1 加大政策支持力度

水稻低碳高产栽培技术属于公益性技术，其推广应用需要政府的引导和政策支持。当前，稻田碳排放交易体系尚未建立，农民难以从低碳高产技术的减排效应中获利。这就需要出台有效的政策和激励措施。可通过设立示范推广专项，建立示范基地，开展技术示范、培训和宣传，推动低碳高产栽培技术的落地应用，使这一技术为国家粮食安全和双碳目标的实现做出应有贡献。

3.2 扩大低碳高产品种筛选

前期虽已开展低碳高产品种的筛选工作，但参与筛选的品种数量有限，而且主要是针对广东的品种。下一步要扩大品种筛选范围，对华南四省(区)的优良品种(特别是主导品种)从CH4排放量、氮磷效率等方面进行系统筛选和鉴定评价，筛选出更多的低碳高产品种。未来应把碳排放特性(包括单位产量CH4排放量等)纳入水稻育种目标，定向培育低碳高产品种。

3.3 加强低碳高产技术模式研究和推广应用

加强顶层设计，从华南双季稻区各地实际情况出发，集成创建形式多样、独具特色的低碳高产技术模式，建立技术标准。华南地区光温水资源丰富，要在稳定双季稻种植面积的基础上，大力发展冬季作物。加强周年统筹，提高光温和水肥等资源的综合利用效率。处理好高产与低碳、经济效益与生态效益的关系，提高农民应用低碳高产栽培技术的积极性。加强低碳高产栽培技术与现有先进实用技术及装备的融合，近年来，华南双季稻区在机械化育插秧、侧深施肥、无人机施肥施药、直播稻、机收再生稻等方面取得了重要进展，要把这些先进的实用技术和装备集成到低碳高产栽培技术模式中，提高综合效益。

3.4 加强低碳高产栽培技术基础理论研究

目前华南双季稻低碳高产栽培技术的基础研究还不够深入。今后，应开展不同低碳高产技术模式的比较研究，明确不同技术模式及关键技术的优先顺序，优化技术模式的区域布局；从形态、生理和分子等层面，研究低碳高产品种和水肥管理等措施的增产增效、固碳减排机理，阐明低碳与高产的内在协调机制。