張衛(wèi)建 張藝 鄧艾興 張俊

（1 中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，北京100081；2 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京210014；*第一/通訊作者：zhangweijian@caas.cn）

我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)和消費國，全國60%以上人口以稻米為主食，水稻持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)，對國家糧食安全至關重要。為提高水稻生產(chǎn)能力，我國稻作技術經(jīng)歷了翻天覆地的變革。水稻品種也得到顯著改良，高產(chǎn)品種的應用使得水稻單產(chǎn)相較于20 世紀60年代已提高3 倍之多，對總產(chǎn)提高的貢獻達50%[1]。稻田水分管理技術得到改進，我國多熟稻作區(qū)實行的間歇灌溉，促進了籽粒灌漿和水稻產(chǎn)量提高[2-3]。氮肥等農(nóng)用化學品投入顯著增加，也大幅度提高了水稻產(chǎn)量[4-5]。稻作制度及其區(qū)域調(diào)整也非常明顯，比如稻作北移，近50 年來北方一熟單季稻作區(qū)水稻種植面積增加了485%，而南方雙季稻作面積卻下降了48%。通過品種更新、栽培創(chuàng)新和稻作制度調(diào)整等，我國水稻單產(chǎn)從20 世紀 60 年代的 2.7 t/hm2提高到目前的 7.1 t/hm2[6]。

近50 年來我國水稻品種改良與稻作技術改進在實現(xiàn)了水稻產(chǎn)量大幅度提高的同時，也對稻田溫室氣體排放帶來非常大的影響，一直備受國際關注。例如，高產(chǎn)水稻品種可通過改變光合產(chǎn)物分配來提高收獲指數(shù)，降低產(chǎn)甲烷菌所需的碳源，從而降低甲烷排放[7]；但也可能提高植株的生物量，并向地下輸送，從而促進甲烷產(chǎn)生。與長期淹灌相比，控水灌溉技術能有效改善水稻生長期土壤的通氣狀況，促進甲烷氧化，并抑制甲烷產(chǎn)生，但可能顯著增加氧化亞氮（N2O）排放[8]。此外，由于南方稻作區(qū)單位面積甲烷排放通常遠遠高于北方稻作區(qū)，因而理論上稻作北移具有降低稻田溫室氣體排放的潛力[9]。然而，目前大多數(shù)研究側(cè)重稻作技術對產(chǎn)量或者單一技術改進對溫室氣體排放的影響，關于水稻品種更新與稻作技術改進對水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放的綜合響應研究不多。

為此，本文基于我國三大稻作系統(tǒng)（北方一熟、中部水旱兩熟以及南方雙季稻），通過品種比較、區(qū)域調(diào)研和歷史數(shù)據(jù)挖掘，綜合評價了近50 年來我國品種更新、水肥管理創(chuàng)新和稻作模式調(diào)整等對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的綜合效應，為我國農(nóng)業(yè)領域“碳達峰碳中和”行動提供科學依據(jù)[10-11]。

1 數(shù)據(jù)收集與分析方法

1.1 水稻種植技術改進的問卷調(diào)研

以專家調(diào)查為主，向北方一熟稻作區(qū)、南方兩熟稻作區(qū)和多熟稻作區(qū)的19 個主要?。ㄊ校┑乃驹耘鄬＜野l(fā)放了調(diào)查問卷。問卷內(nèi)容主要包括兩部分：第1 部分是當?shù)厮居砑夹g、栽插技術、灌溉技術現(xiàn)狀，包括全?。ㄊ校┢骄闆r和5 個典型市（縣）的現(xiàn)狀；第2部分是當?shù)貜?0 世紀60 年代至今，水稻育秧、栽插和灌溉技術的發(fā)展演變情況。

1.2 不同稻作系統(tǒng)下水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放的Meta 分析

基于Meta-analysis 方法，搜索了發(fā)表于2015 年以前所有的關于我國水稻產(chǎn)量、稻田CH4和N2O 排放的文章。最終選取24 篇文獻，共150 個觀測值。文獻選擇的標準如下：（1）所有測定值必須是田間數(shù)據(jù)；（2）CH4和N2O 必須用靜態(tài)箱法，觀測水稻季整個生育期；（3）水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放這兩個值必須同時觀測。本文采用兩種全球增溫潛勢指數(shù)（GWP），即基于面積和基于產(chǎn)量尺度GWP，用于評估稻作技術對溫室氣體排放和水稻產(chǎn)量的綜合效應。

1.3 水稻品種更新的綜合效應試驗

關于水稻品種和水分管理對水稻產(chǎn)量和稻田CH4排放影響的數(shù)據(jù)，主要來自于前期在我國東北一熟區(qū)（沈陽）、水旱兩熟區(qū)（鎮(zhèn)江）和雙季稻區(qū)（南昌）進行的田間試驗[12]。試驗用的水稻品種分別為1960s—2000s期間三大稻區(qū)不同年代水稻主栽品種，每個稻作系統(tǒng)每個年代各選取2 個大面積推廣品種，3 次重復，小區(qū)面積4 m×4 m。在每個品種的小區(qū)中收割1 m2水稻，測定籽粒產(chǎn)量，重復3 次。溫室氣體監(jiān)測采用靜態(tài)箱法，測定頻率為每周1 次，在施追肥后或者雨后1 d 各加測1 次。

1.4 水稻生產(chǎn)的碳足跡綜合評價方法

本文基于生命周期評價方法，以我國三大稻作系統(tǒng)（北方一熟、南方水旱兩熟和雙季稻）水稻生產(chǎn)為研究對象進行評價，重點評價20 世紀70 年代以來稻作技術變化對單位稻谷產(chǎn)量所有能量和物質(zhì)的投入、產(chǎn)出等各環(huán)節(jié)的碳排放的影響。本文中，生命周期范圍只包括水稻生產(chǎn)過程中生長季的農(nóng)資投入及稻田溫室氣體排放，均以CO2當量表示。對于農(nóng)資生產(chǎn)排放參數(shù)，引用本地化的生命周期數(shù)據(jù)庫——中國生命周期數(shù)據(jù)庫（CLCD）對化肥、農(nóng)藥、電力等農(nóng)資生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放及 GWP 進行轉(zhuǎn)化。其中，化肥、農(nóng)藥、電力、柴油、農(nóng)膜以及種子的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為 1.62、13.7、1.23、0.886、22.7 和 0.577。據(jù) IPCC（2007）第四次報告，采用100 年尺度全球增溫潛勢，CH4和N2O 的當量系數(shù)分別為25 和298。

1.5 品種和稻作技術更新的綜合效應計算方法

為了評估品種和稻作技術演變對稻田溫室氣體排放的綜合效應，設定稻作模式不改變（C0）以及稻作模式改變（Ci）兩種情景模式。由于1960s 的水稻生產(chǎn)物質(zhì)投入數(shù)據(jù)難以獲得，本文在綜合效應評價中，僅僅評價了 1970s—2010s。C0 情景假設 1970s—2010s 各稻作系統(tǒng)稻作模式按照原有模式發(fā)展，各年代間水稻品種、灌溉模式、稻作系統(tǒng)都沒有發(fā)生變化；而Ci 情景假設1970s—2010s 各稻作系統(tǒng)水稻品種、灌溉模式、稻作系統(tǒng)都發(fā)生變化。兩種情景模式下CH4和N2O 排放計算公式如下：

式中，TEt表示 t 時期（1970s、1980s、1990s、2000s、2010s）總排放值，CPAAti表示 i 模式（稻作系統(tǒng)，品種，或灌溉技術）在t 時期的覆蓋面積，EIti表示i 模式（稻作系統(tǒng)，品種或灌溉技術）在t 時期的CH4和N2O 排放值。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻品種與稻作技術的更新特征

過去50 年間我國稻作系統(tǒng)調(diào)整加快，水稻品種更新迅速，同時育秧方式、栽插技術、灌溉方式等主要稻作技術也發(fā)生了明顯的變化。首先，不同稻作區(qū)水稻面積發(fā)生重大調(diào)整，1960s—2000s 期間南方雙季稻作區(qū)水稻面積下降13%，而北方單季稻作區(qū)水稻面積增加230%。其次，新育成品種數(shù)量不斷增加，增長速率與水稻產(chǎn)量的增速趨勢相近。20 世紀80 年代以來農(nóng)業(yè)農(nóng)村部審定的水稻品種總數(shù)為2 328 個，2010 年以來已審定品種1 728 個。20 世紀80 年代平均每年審定的品種數(shù)為3 個，2000 年之后品種審定的數(shù)目迅速增加，平均每年約審定53 個，2019 年之后每年都有400 個左右。自20 世紀60 年代以來，水稻品種演變過程對生物量和產(chǎn)量的影響巨大。1970s 開始單季稻作系統(tǒng)和水旱兩熟系統(tǒng)水稻生物量顯著下降，20 世紀80 年代之后，水稻生物量又開始增加，尤其是北方單季稻作系統(tǒng)。而雙季早稻系統(tǒng)水稻的生物量變化趨勢不明顯。水稻產(chǎn)量對品種演變的響應與生物量的表現(xiàn)并不一致，三個稻作系統(tǒng)中，產(chǎn)量都是處于上升趨勢。1960s 至2000s間，單季稻作系統(tǒng)、水旱輪作系統(tǒng)和雙季稻作系統(tǒng)早稻的產(chǎn)量分別提高了34.4%、50.3%和55.2%。

過去50 年，我國雙季稻模式經(jīng)歷了先增后降過程，目前仍處于下降趨勢，水旱兩熟則經(jīng)歷了先降后增過程，目前南方雙季稻區(qū)有向水旱兩熟發(fā)展的趨勢。北方一熟稻作模式則一直處于增長趨勢，尤其是20 世紀90 年代，目前該模式已經(jīng)占全國稻作模式的三分之一左右。稻田水分管理上，在20 世紀70 年代，長期淹灌占94%，到2010s 年已下降到15%，而新型控水增氧灌溉模式比例增長至80%左右，是當前水稻最主要的灌溉方式?？厮喔饶Ｊ讲粌H僅應用于大田期，對于水稻育秧期的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，育秧方式由傳統(tǒng)水育秧向旱育秧和濕潤育秧轉(zhuǎn)變，2010s 分別占育秧方式的41%和37%。21 世紀后水育秧技術比例下降至13%，工廠化育秧技術已占10%以上，這一比例還會進一步增加。

由于勞動力日漸短缺，水稻栽插模式的創(chuàng)新也是近年來稻作技術改革的重點，機械化插秧以及直播稻作逐漸取代傳統(tǒng)的人工插秧模式，且隨著機插秧技術的推廣，未來工廠化育秧方式的比例將逐漸加大。到2010s，人工拋秧比例已達20.0%，機插秧比例約30.0%，水旱直播15.0%，人工插秧已下降至30.0%。今后人工插秧比例會繼續(xù)下降到20.0%左右，機插秧比例可能會增加到50.0%以上。氮肥施用上，全國以復合肥和尿素為主，其次為碳銨。中部稻作區(qū)部分省份粳稻氮肥施用量接近350 kg/hm2，中部中秈稻和南方早、晚秈稻的氮肥施用量和肥料種類相似。1998 年以來，碳銨施用量由40.0%降低至2010s 的10.0%以下，而尿素和復合肥占施氮總量的85.0%以上，未來尿素和復合肥的施用比例還將繼續(xù)提高。

2.2 水稻品種更新對稻田溫室氣體排放的影響

依據(jù)多點多品種的田間試驗結(jié)果[13]，本文綜合比較了我國三個主要稻作系統(tǒng)（北方一熟區(qū)、中部水旱兩熟和南方雙季稻）的主栽品種演變對水稻生產(chǎn)力和溫室氣體排放的關系。在1960s 至2000s 間水稻品種演變過程中，北方一熟區(qū)甲烷排放呈先升高后下降的趨勢，而水旱兩熟和雙季稻區(qū)早稻甲烷排放呈下降趨勢。單季稻作系統(tǒng)甲烷排放最高出現(xiàn)在1980s，為118 kg/hm2；而水旱兩熟和雙季稻作系統(tǒng)在1960s 最高，分別為151 kg/hm2和272 kg/hm2。近40 多年稻田甲烷排放變化的趨勢與品種演變過程中生物量與產(chǎn)量的變化沒有顯著相關性。N2O 排放對品種演變的響應與CH4不同，稻作系統(tǒng)間N2O 的排放趨勢不一致。北方一熟區(qū)稻作系統(tǒng)N2O 排放呈降低趨勢，最高排放量出現(xiàn)在1970s，為 2.07 kg/hm2，其他兩個稻作系統(tǒng) N2O 排放受品種演變的影響較小。

以100 年尺度來看，水稻品種演變過程中CH4和N2O 排放的綜合溫室效應的變化趨勢與CH4排放的趨勢相似。在1960s 至2000s 水稻品種演變過程中，三個稻作系統(tǒng)水稻增產(chǎn)顯著，而溫室氣體的排放基本上呈下降趨勢。因此，從產(chǎn)量尺度上來看，近50 年來，單位產(chǎn)量溫室氣體排放都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。品種演變以來，雙季稻作系統(tǒng)的單位產(chǎn)量GWP 由1960s 的1520 kg CO2-eq/Mg 降至 2000s 的 880 kg CO2-eq/Mg?？傮w而言，水稻品種演變過程中稻田溫室氣體排放呈下降趨勢，品種更替每10 年顯著降低了北方一熟稻作系統(tǒng)、水旱兩熟稻作系統(tǒng)和雙季稻作系統(tǒng)的單位面積GWP分別達2.0%、6.4%和4.4%，與1960s 相比，2000s 的品種顯著降低了31%的GWP。

2.3 稻作技術改進對稻田溫室氣體排放的影響

采用Meta-analysis 方法，以田間水分管理、肥料施用、稻作模式等為重點，對至今已經(jīng)發(fā)表關于我國稻作技術演變對溫室氣體排放影響的文獻進行了綜合分析。在水肥管理方面，全生育期淹水灌溉轉(zhuǎn)向間歇灌溉或濕潤灌溉，可以顯著降低稻田CH4排放并且提高水稻產(chǎn)量。與長期淹水灌溉相比，間歇灌溉技術顯著降低了62%的CH4排放，但同時顯著增加了278%的N2O排放。綜合CH4和N2O，總的單位面積GWP 顯著降低（54%）。間歇灌溉技術增加了11%的水稻產(chǎn)量，最終降低了59%的單位產(chǎn)量GWP。

施用氮肥（50~300 kg/hm2）顯著提高了10.2%的水稻產(chǎn)量，同時稍微增加了CH4和N2O 的GWP，最終顯著降低了27.0%的單位產(chǎn)量GWP。與未施肥相比，單位產(chǎn)量GWP 在施肥水平為150~200 kg/hm2時下降最為明顯，達37.0%。施用沼渣對單位產(chǎn)量GWP 沒有顯著影響，而施用堆肥和秸稈還田則分別顯著增加54.0%和154.0%的單位產(chǎn)量GWP。當施肥水平低于200 kg/hm2時，單位產(chǎn)量GWP 沒有顯著的減排效果。

不同稻作模式下氣候、土壤、管理措施不同，水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放差異顯著。雙季稻作系統(tǒng)CH4和N2O 排放分別為 14 331.8 和 699.0 kg CO2-eq/hm2，水旱兩熟系統(tǒng)排放分別為5 231.0 和628.9 kg CO2-eq/hm2，北方一熟稻作系統(tǒng)排放分別為1 633.8 和473.0 kg CO2-eq/hm2。三個稻作系統(tǒng)單位面積和單位產(chǎn)量GWP表現(xiàn)出一致的趨勢，即單季稻作系統(tǒng)<水旱輪作系統(tǒng)<雙季稻作系統(tǒng)。與單季稻作系統(tǒng)相比，其他兩個稻作系統(tǒng)的單位面積GWP 顯著提高，而各系統(tǒng)水稻面積GWP 沒有顯著差異。因此，雙季稻作系統(tǒng)的單位產(chǎn)量GWP 表現(xiàn)最高（1 188.9 kg CO2-eq/Mg），其次為水旱輪作系統(tǒng)（777.0 kg CO2-eq/Mg），最低為單季稻作系統(tǒng)（346.7 kg CO2-eq/Mg）。綜合來看，1970s—2010s 稻作系統(tǒng)調(diào)整使得我國溫室氣體排放降低7.0%。

2.4 水稻品種與稻作技術更新的綜合影響

以基于生命周期的碳足跡評價方法，對我國水稻生產(chǎn)的物質(zhì)投入、品種更新與稻作技術改進的綜合效應進行了分析。結(jié)果顯示，1970s—2010s 我國水稻生產(chǎn)的碳足跡，由于大量投入農(nóng)用化學品，在空間尺度上以每10 年405.2 kg CO2-eq/hm2的趨勢上升，而基于產(chǎn)量尺度的水稻生產(chǎn)碳足跡則以每10 年40.3 kg CO2-eq/Mg 的速率趨勢降低。綜合測算下，近50 年來水稻生產(chǎn)過程物質(zhì)投入所產(chǎn)生的間接碳排放增加了115.0%，而水稻生育期稻田的直接溫室氣體折算的碳排放降低了28.0%，從水稻整個生命周期來看，空間尺度上水稻生產(chǎn)碳足跡增加了12.0%。相同時間內(nèi)，水稻產(chǎn)量增加了37.0%，因此，基于產(chǎn)量尺度的水稻生產(chǎn)的碳足跡呈顯著下降趨勢。從水稻生產(chǎn)的碳排放的組成來看，物質(zhì)投入碳排放所占比重逐年增大，由1970s 的28.2%增加至2010s 的54.1%；相對的，溫室氣體排放所占比重則逐漸減少，從1970s 的69.7%降低至2010s 的45.6%。氮肥占物質(zhì)投入的69.0%左右，氮肥用量增加是物質(zhì)投入產(chǎn)生的間接碳排放增加的主要原因。相對而言，稻作技術的變化，比如品種更新、育秧方式、灌溉方式的創(chuàng)新，則減少了水稻生產(chǎn)中溫室氣體的直接碳排放，增產(chǎn)減排協(xié)同。盡管單位面積的碳排放增加了，但由于水稻產(chǎn)量的顯著提升，單位產(chǎn)量的碳排放下降了18.1%，是一個增產(chǎn)減排的協(xié)同歷程。

3 我國稻作系統(tǒng)碳排放情景分析及減排潛力與技術展望

綜合品種更新和稻作技術發(fā)展，在1970s—2010s間，我國水稻生產(chǎn)的碳足跡呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，而水稻產(chǎn)量增加的程度遠大于碳排放總量的增加，因此，降低了了水稻生產(chǎn)的碳足跡。從水稻生產(chǎn)過程中碳排放的組成來看，物質(zhì)投入碳排放所占比重逐年增大，而溫室氣體排放所占比重則逐漸減少?？梢?，氮肥等農(nóng)用化學品投入量的不斷增大是物質(zhì)投入碳排放增加的主要原因。稻作技術的變化，比如育秧方式、灌溉方式的創(chuàng)新，減少了水稻生育期溫室氣體的排放，從而降低了1970s 以來我國水稻生產(chǎn)的碳足跡。如果按照基線發(fā)展趨勢，預計到2030 年我國水稻生產(chǎn)的碳足跡將會繼續(xù)增大，而品種、育秧方式、灌溉和施肥技術等增產(chǎn)減排相協(xié)調(diào)的稻作新技術的應用，可以在增加水稻產(chǎn)量的情況下，降低單位產(chǎn)量的直接排放強度。我國已經(jīng)向全球承諾，2030 年之前實現(xiàn)碳達峰、2060 年之前實現(xiàn)碳中和。作為碳排放大戶，水稻生產(chǎn)也可以助力國家碳中和目標的實現(xiàn)[11]?；谖覈咀骷夹g演變及其對溫室氣體排放的影響，用生命周期評價方法，對我國2030年稻田溫室氣體排放以及減排潛力進行情景分析如下。

水稻生產(chǎn)的第一目標是保障糧食安全，因此，所有情景均設計在2010 年至2030 年水稻產(chǎn)量以每年0.8%的速率增長的背景下[14]。在此前提下，以高產(chǎn)低排放的水稻品種、旱育秧、間歇灌溉、氮肥施用（150~200 kg/hm2）、稻作系統(tǒng)面積調(diào)整等為主要技術內(nèi)容，設計5種稻作情景模式（S0~S4）。S0：最保守的排放情景，即假設到2030 年，水稻品種、旱育秧技術、間歇灌溉和水稻種植面積保持與2010 年一致，化肥投入以每年0.8%的速率增加；S1：假定旱育秧技術在雙季稻作區(qū)和水旱兩熟區(qū)以每年3%的速率增長，而間歇灌溉覆蓋率在水旱兩熟區(qū)和北方一熟稻作區(qū)以每年0.5%的速率增長，并假設2030 年水旱兩熟區(qū)水稻面積保持穩(wěn)定，北方一熟稻作區(qū)的面積以每年3.5%的速率增長，而雙季稻作區(qū)的面積以每年0.8%的速率減少，水稻品種和化肥投入保持穩(wěn)定；S2：假設水稻品種更新，單位面積溫室氣體排放將以每年1.0%的速率降低，其他稻作技術、化肥投入和水稻種植面積保持穩(wěn)定；S3：假設水稻品種更新，單位面積溫室氣體排放將以每年1%的速率降低，旱育秧和間歇灌溉技術的增長率同S2，化肥投入保持穩(wěn)定；S4：假設品種、育秧和灌溉技術的變化同S3，同時化肥投入每年減少1.0%，以期達到最高的減排稻作情景。

不同稻作技術情景下，2030s 水稻生產(chǎn)的碳排放差異顯著。若稻作技術不及時調(diào)整，即在2010s 的S0 情景下，水稻生產(chǎn)過程中的碳排放將會繼續(xù)增加，碳排放總量將比最優(yōu)情景下（S4）高53.6 Tg CO2-eq。比較S0~S4 這5 種稻作情景下水稻生產(chǎn)的碳排放總量可以發(fā)現(xiàn)，單從某一技術進行改進對碳排放的減排潛力不大，必須綜合水稻品種、灌溉方式、化肥減量以及稻作系統(tǒng)調(diào)整，進行多方面協(xié)調(diào)，才能獲得較大的碳減排潛力。在品種與稻作技術綜合提升下，與2010s 相比，2030s的碳排放將可以下降17%以上。在水稻品種改良的基礎上，構(gòu)建增產(chǎn)減排協(xié)同的稻作新技術和氮肥減量技術是未來高產(chǎn)低碳稻作的必然方向。在秸稈大量還田的水稻耕作栽培層面，重點在于增氧耕作和前期控水栽培，促進甲烷氧化。在農(nóng)用化學物質(zhì)投入上，加強新型增氧肥料研制，以及氮肥增效減量技術及其土壤培肥配套技術創(chuàng)新，也將利于我國高產(chǎn)低碳排放稻作發(fā)展[15]。

氣候變化下水稻產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑是：主動適應、積極減緩。首先是要增強稻作系統(tǒng)對氣候變化的韌性，以確保水稻產(chǎn)量與品質(zhì)及農(nóng)民收入的同步穩(wěn)定提升，主動適應氣候變化；其次，要進行水稻品種和技術的更新，以及新型農(nóng)業(yè)化學品及其高效施用技術的研發(fā)，明顯降低水稻產(chǎn)業(yè)鏈的碳排放，減緩氣候變化。在整個稻作區(qū)整個農(nóng)業(yè)農(nóng)村系統(tǒng)層面，可以從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生活的整體出發(fā)，構(gòu)建低碳農(nóng)業(yè)和零碳村鎮(zhèn)技術與政策體系，保障國家糧食及農(nóng)產(chǎn)品有效供給的同時，助力國家2030 年前碳達峰和2060 年前碳中和目標的實現(xiàn)。