唐志偉, 張 俊,2, 鄧艾興, 張衛(wèi)建,2**
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 北京 100081; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達(dá)峰碳中和研究中心 北京 100081)
聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告指出, 至少到2050年, 大氣中溫室氣體排放的增加仍將導(dǎo)致全球表面溫度繼續(xù)升高。甲烷(CH)是僅次于二氧化碳(CO)的全球第二大溫室氣體, 在百年尺度內(nèi), CH的增溫潛勢(shì)是CO的27.9倍,在大氣中存留時(shí)長(zhǎng)為11.8年。稻田是最重要的人為CH排放源之一, 占全球人為CH排放的10%~13%。我國(guó)是世界上最大的水稻(Oryza sativa L.)生產(chǎn)國(guó)和稻米消費(fèi)國(guó), 水稻種植面積占全球水稻種植總面積18.5%。我國(guó)稻田CH排放占全球稻田CH排放的21.9%。因此, 在全球氣候變暖背景下, 實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)和稻田CH減排的協(xié)同對(duì)于保障國(guó)家糧食安全、減緩全球氣候變暖以及兌現(xiàn)2060年碳中和的國(guó)際承諾具有重要意義。目前關(guān)于稻田CH排放的關(guān)鍵過程與主要影響因素的研究比較多, 但針對(duì)我國(guó)各區(qū)域稻田CH排放特征及其減排途徑的論述還不充分。張學(xué)智等基于CHMOD模型估算了稻田CH的排放量, 結(jié)果表明2018年我國(guó)稻田CH排放量為6.408×10t, 但對(duì)稻田CH排放的關(guān)鍵過程和減排措施論述不夠。任萬輝等綜述了我國(guó)近20年來稻田CH的研究現(xiàn)狀, 闡述了稻田CH排放的關(guān)鍵過程與主要影響因子, 研究認(rèn)為稻田CH排放是稻田土壤CH的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化以及傳輸共同作用的結(jié)果,受土壤、溫度、農(nóng)業(yè)管理措施、水稻品種等因素的影響, 但對(duì)稻田CH減排途徑的探討不多。劉珂純等基于Meta分析, 總結(jié)了稻田CH主要減排措施的技術(shù)效應(yīng)和影響因素, 發(fā)現(xiàn)復(fù)合種養(yǎng)、適當(dāng)?shù)氖┑健⒂袡C(jī)肥堆漚發(fā)酵后還田、施控釋肥或配施生物抑制劑、適量生物炭還田、節(jié)水灌溉以及少耕免耕等措施有助于稻田CH減排, 但對(duì)我國(guó)各區(qū)域CH排放特征的分析不夠。盡管還有不少關(guān)于稻田CH影響因素和減排措施的分析研究, 這些研究多側(cè)重于氮肥施用、秸稈還田、水稻品種篩選、節(jié)水灌溉、保護(hù)性耕作等單個(gè)或多個(gè)影響因素和減排措施, 對(duì)稻田CH排放的主要影響因素和減排措施梳理還不夠。為此, 本文量化分析了我國(guó)水稻播種面積、稻田CH排放和單位產(chǎn)量CH排放的時(shí)空變化特征, 并結(jié)合對(duì)稻田CH排放關(guān)鍵過程和主要影響因素的總結(jié), 探討我國(guó)水稻豐產(chǎn)減排的技術(shù)途徑及科技與政策創(chuàng)新建議, 為2020s稻田CH減排提供理論與技術(shù)參考。
本文涉及的數(shù)據(jù)資料主要包括全國(guó)各省份(不含港澳臺(tái)地區(qū))水稻播種面積(單季稻、雙季早稻、雙季晚稻)、稻谷產(chǎn)量和稻田CH排放因子。播種面積數(shù)據(jù)來自國(guó)家數(shù)據(jù)中心(http://data.stats.gov.cn/), 稻谷產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》, 稻田CH排放因子推薦值來源于《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》(表1)。研究年份為2001-2018年, 區(qū)域包括華北、華東、華中、華南、西南、東北、西北。
稻田CH排放量是該區(qū)域不同類型稻田所產(chǎn)生的CH排放量求和, 具體計(jì)算公式如下:
式中: E為稻田CH排放總量(×10t CE) (CE為CO當(dāng)量, 下同); EF為分類型稻田CH排放因子推薦值(kg·hm) (表1); AD為對(duì)應(yīng)于該排放因子的水稻播種面積(×10hm); 下標(biāo)i表示稻田類型, 分別指單季稻、雙季早稻和雙季晚稻; 27.9為CH折算CO當(dāng)量系數(shù)(根據(jù)2021年IPCC報(bào)告)。
表1 不同區(qū)域不同類型稻田CH4排放因子Table 1 Methane emission factors from different types of rice fields in different regions of China kg·hm-2
為進(jìn)一步總結(jié)歸納稻田土壤CH排放的關(guān)鍵過程與影響因素, 本文基于中國(guó)知網(wǎng)、Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù), 圍繞稻田CH排放過程、影響因素、減排途徑等收集文獻(xiàn)資料, 通過閱讀、整理和歸納, 系統(tǒng)總結(jié)了稻田CH排放的關(guān)鍵過程、主要影響因素及其影響機(jī)制, 以探討豐產(chǎn)減排技術(shù)途徑。
從圖1可以看出, 2001-2018年我國(guó)水稻總播種面積整體呈先降低、后升高、再降低的趨勢(shì),其中以2015年水稻播種面積最高(3.078×10hm),2003年最低(2.651×10hm)。2001-2007年, 我國(guó)各區(qū)域水稻播種面積從高到低依次為華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū); 2008年起, 西南地區(qū)水稻播種面積超過華南地區(qū), 僅次于華東和華中地區(qū); 2010起, 東北地區(qū)水稻播種面積超過西南和華南地區(qū), 僅次于華東和華中地區(qū)。2018年我國(guó)水稻播種面積以華東地區(qū)最高(9.684×10hm), 其他區(qū)域從高到低依次為華中地區(qū)、東北地區(qū)、西南地區(qū)、華南地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū), 呈現(xiàn)東南高、西北低的趨勢(shì)。
圖1 2001—2018年我國(guó)不同區(qū)域的水稻播種面積Fig.1 Rice sown areas in different regions of China from 2001 to 2018
從圖2a可以看出, 2001-2018年, 我國(guó)稻田CH排放總量呈先降低、后升高、再降低的趨勢(shì), 其中以2015年稻田CH排放總量最高(1.829×10t CE),2003年稻田CH排放總量最低(1.601×10t CE)。2001-2009年, 我國(guó)各區(qū)域稻田CH排放總量從高到低依次為華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū); 2010-2018年, 我國(guó)各區(qū)域稻田CH排放總量從高到低依次為華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)、東北地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)、華北地區(qū)。
從圖2b可以看出, 2001-2018年, 我國(guó)稻田單位產(chǎn)量CH排放總體呈下降趨勢(shì), 其中以2003年最高[0.991 kg(CE)·kg], 2018年最低[0.841 kg(CE)·kg]。2001-2018年, 我國(guó)各區(qū)域稻田單位產(chǎn)量CH排放量由高到低總體依次為華南地區(qū)、華中地區(qū)、華北地區(qū)、華東地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)、西南地區(qū)。2018年各區(qū)域稻田單位產(chǎn)量CH排放量以華南地區(qū)最高[1.246 kg(CE)·kg], 其他各區(qū)域由高到低依次為華中地區(qū)、華東地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū), 西南地區(qū)最低[0.606 kg(CE)·kg]。排放量受水稻播種面積、氣候條件等因素的影響, 我國(guó)各區(qū)域稻田CH排放總量和單位產(chǎn)量CH排放量總體呈南高北低的趨勢(shì)。
圖2 2001—2018年我國(guó)不同區(qū)域稻田CH4排放總量(a)和單位產(chǎn)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
稻田CH排放主要包括土壤CH產(chǎn)生、氧化及其向大氣傳輸3個(gè)關(guān)鍵過程(圖3)。稻田CH的產(chǎn)生過程主要發(fā)生在土壤耕層的厭氧層(2~20 cm)。在極端厭氧條件下, 土壤中的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)厭氧微生物的作用, 水解和發(fā)酵后形成乙酸(CHCOOH)、CO和氫氣(H)等, 其中CHCOOH、CO/H被CH產(chǎn)生菌利用還原成CH。兩種途徑對(duì)CH產(chǎn)生的貢獻(xiàn)在不同的稻田土壤存在差異, 這主要取決于稻田土壤CH產(chǎn)生菌種群的差異, 嗜乙酸CH產(chǎn)生菌偏愛乙酸或乙酸鹽, 而嗜氫CH產(chǎn)生菌則首選CO和H作為前體物。多數(shù)情況下, 稻田CH產(chǎn)生主要以乙酸途徑為主導(dǎo)。
圖3 稻田CH4排放的關(guān)鍵過程Fig.3 Key processes of methane emission from rice fields
稻田CH的氧化分為好氧氧化和厭氧氧化, 其中以好氧氧化為主。好氧氧化主要發(fā)生在土壤和灌溉水交界面的好氧層和水稻根系泌氧區(qū)的根際好氧區(qū); 厭氧氧化主要發(fā)生在土壤耕作厭氧層, 受微生物種間直接電子傳遞的影響。CH氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌是土壤中消耗CH的兩種主要微生物, 前者氧化CH的速率顯著高于后者, 因此, 土壤CH的氧化主要由CH氧化細(xì)菌完成。稻田產(chǎn)生的大部分CH(70%~90%)在穿過土壤表層的好氧層和水稻根際好氧區(qū)兩個(gè)氧氣較為富集的區(qū)域時(shí)被氧化, 只有少部分未被氧化的CH傳輸至大氣。
稻田CH主要通過水稻植物體內(nèi)部的通氣組織、冒氣泡和水中液相擴(kuò)散3種途徑傳輸至大氣, 其中水稻植株通氣組織是稻田CH最主要的傳輸通道(80%以上)。只有當(dāng)土壤中CH含量積累到一定程度, 并且CH在土壤、水層及水稻植株的傳輸途徑中被較少地氧化, 并且3種排放途徑較為通暢時(shí), 才會(huì)出現(xiàn)較大的CH排放量。
稻田CH排放的主要影響因素有水稻品種、土壤特性、氣候條件、農(nóng)藝措施等(圖4)。不同水稻品種間CH排放量存在顯著差異, 高生物量的雜交稻品種一般通氣組織較為發(fā)達(dá), 因此, 排放量低于低生物量的常規(guī)稻品種。稻田CH排放與植株的通氣組織、地上部與根系形態(tài)及其生理、當(dāng)季光合產(chǎn)物和生物量等有關(guān)。提高收獲指數(shù)可以減少水稻根系分泌的有機(jī)物, 從而減少CH產(chǎn)生菌所需的底物, 以此減少CH產(chǎn)生。多熟制種植是我國(guó)的重要耕作模式之一, 在水旱兩熟或多熟制種植模式中,旱地作物種植次數(shù)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決于周期內(nèi)旱地種植季的時(shí)間長(zhǎng)短。耕作方式通過影響土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)過程直接或間接地影響CH排放,少耕或免耕保持了土壤原有的孔隙結(jié)構(gòu), 可以促進(jìn)CH氧化。
圖4 影響稻田CH4排放的主要因素及其作用機(jī)制Fig.4 Main factors affecting methane emission from rice fields and their underlying mechanisms
土壤特性也是稻田CH排放的主要影響因子,包括土壤水分、有機(jī)質(zhì)、氧化還原電位(Eh)、酸堿度(pH)、質(zhì)地等。CH產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)繁殖需要嚴(yán)格厭氧環(huán)境, 所以水分管理是影響土壤CH產(chǎn)生、氧化以及排放的決定性因素。土壤不同干濕程度影響了土壤好氧和厭氧區(qū)域的空間大小, 田間水層的深淺控制了CH氧化與擴(kuò)散的途徑, 淹水時(shí)間的長(zhǎng)短決定了稻田土壤Eh的高低。在一定條件下,CH產(chǎn)生量和排放量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而提高, 稻田CH排放通量受土壤有機(jī)碳、易礦化有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和微生物量碳的間接影響。土壤氮含量也能顯著影響稻田CH排放, 但其效應(yīng)取決于土壤氮素和有機(jī)質(zhì)含量, 目前尚無定論。在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中, 厭氧微生物最適宜生長(zhǎng)繁殖的C/N比為20~30∶1, 因此, 當(dāng)?shù)咎锿寥繡/N比過高, CH產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)受到有效氮的制約, 投入無機(jī)氮可提高CH排放; 反之, CH產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)受到碳源的限制, 繼續(xù)投入無機(jī)氮反而會(huì)減少CH排放。土壤Eh主要受水分影響, 若土壤長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài), 土壤通透性變差、還原性增強(qiáng), Eh下降, CH排放增加。土壤pH可影響CH產(chǎn)生菌的活性和土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率。當(dāng)pH高于8.75或低于5.75時(shí), CH產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)繁殖將受到抑制, 稻田CH排放會(huì)急劇減少甚至不產(chǎn)生CH排放。土壤質(zhì)地主要影響土壤氧氣含量和有機(jī)質(zhì)的分解速率, 壤質(zhì)和砂質(zhì)土壤的CH排放顯著低于黏質(zhì)土壤。氣候條件主要通過光輻射和降雨量影響土壤溫度和水分, 進(jìn)而影響CH排放。氣溫影響土壤溫度, 進(jìn)而通過影響植物體氧氣消耗、土壤微生物活性、有機(jī)質(zhì)發(fā)酵分解速度等來影響CH產(chǎn)生與傳輸速率。在全球氣候變暖的背景下, 大氣中CO濃度升高會(huì)顯著增加CH排放, CO濃度升高和溫度上升對(duì)稻田CH排放的影響具有累加效應(yīng)。最新研究發(fā)現(xiàn), 在CO濃度升高的條件下, 隨著秸稈還田年限的延長(zhǎng), 稻田CH排放有降低的趨勢(shì)。
水稻豐產(chǎn)與稻田CH減排協(xié)同的主要技術(shù)途徑包括優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)低CH排放品種、低CH排放稻作技術(shù)和CH減排產(chǎn)品等(圖5)。首先是選用優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)低CH排放的水稻品種。研究表明, 在土壤有機(jī)質(zhì)含量高的條件下(>2.1%), 高產(chǎn)水稻品種顯著減少了稻田CH排放。我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量均比較高, 屬于中高產(chǎn)稻田, 因此, 選用高產(chǎn)水稻新品種, 均可實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)與減排的協(xié)同。收獲指數(shù)高、通氣組織發(fā)達(dá)的水稻品種CH排放量較低, 可作為低CH排放品種的篩選指標(biāo)。
圖5 水稻豐產(chǎn)與稻田CH4減排協(xié)同的主要技術(shù)途徑Fig.5 Main technical approaches for the win-win target of high rice yield and less methane emission
其次是應(yīng)用優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)低CH排放的稻作技術(shù)。在水分管理方面, 節(jié)水灌溉技術(shù)可明顯減少CH排放, 為適應(yīng)機(jī)械化收獲, 前期淹水、中期烤田、后期干濕交替至水稻收獲的水分管理方式已成為一項(xiàng)減少溫室氣體排放的重要農(nóng)業(yè)措施。因此, 未來的控水減排需要考慮水稻生育前期, 在確保水稻豐產(chǎn)前提下, 實(shí)現(xiàn)CH的大幅度減排。在肥料運(yùn)籌上, 優(yōu)化氮肥施用量和土壤培肥技術(shù)創(chuàng)新可有效降低CH排放, 比如測(cè)土配方施肥或施用控釋肥, 以及施用腐熟有機(jī)肥、綠肥秸稈聯(lián)合還田、秸稈好氧還田等。在種植模式上, 實(shí)行水旱兩熟或多熟制種植,并適當(dāng)提高旱地作物的種植頻率可實(shí)現(xiàn)減排增收。少免耕也有促進(jìn)CH氧化和阻礙CH傳輸?shù)碾p重作用, 可在農(nóng)業(yè)機(jī)械操作不便的地區(qū)適當(dāng)采用。稻田復(fù)合種養(yǎng)可通過動(dòng)物的活動(dòng)促進(jìn)CH氧化, 有利于穩(wěn)產(chǎn)減排, 但稻漁綜合種養(yǎng)需要控制溝坑比例, 保障水稻生產(chǎn)面積。
另外, 還可以施用CH減排產(chǎn)品。比如CH抑制劑可在不影響水稻產(chǎn)量的前提下, 通過減少產(chǎn)CH底物或抑制CH產(chǎn)生菌活性來減少稻田CH排放量,如AMI-AR2等。土壤調(diào)理劑主要包括電子受體、生物炭、石灰和增氧劑等。電子受體主要降低了CH厭氧氧化過程中CH底物濃度, 從而減少稻田CH排放, 如硫酸銨等。生物炭可通過提高稻田土壤孔隙度和CH氧化菌的活性來減少CH的產(chǎn)生,不過生物炭施用過量會(huì)引起當(dāng)年土壤氮素固定, 因此, 在當(dāng)年需要適當(dāng)提高氮肥用量或優(yōu)化前期和后期氮肥施用比例。施用石灰可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和降低CH產(chǎn)生菌的豐度, 通過減少CH產(chǎn)生菌所需的底物和影響CH產(chǎn)生菌的活性, 以此減少稻田CH排放。增氧劑施入稻田后, 與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氧氣, 從而抑制CH產(chǎn)生菌且增強(qiáng)CH氧化菌的活性, 進(jìn)而減少CH排放, 如過氧化鈣等, 但要考慮增氧劑的經(jīng)濟(jì)可接受性。微生物減排制劑, 比如叢枝菌根真菌(AMF), 能與大部分農(nóng)作物形成共生關(guān)系, 其產(chǎn)生的多糖等次級(jí)化合物可保護(hù)有機(jī)質(zhì)免受微生物分解, 從而起到固碳減排效果。又比如電纜細(xì)菌(cable bacteria), 可通過電硫氧化提高土壤硫酸鹽濃度, 促進(jìn)硫酸鹽還原菌與CH產(chǎn)生菌競(jìng)爭(zhēng)底物, 從而減少CH產(chǎn)生, 具有較好的產(chǎn)品開發(fā)前景。
我國(guó)稻田CH排放的空間特征顯示, 華東、華中和華南地區(qū)在稻田CH排放總量上明顯高于西南、東北、華北和西北地區(qū), 總體呈現(xiàn)東南高、西北低的趨勢(shì)。因此, 華東、華中和華南地區(qū)是我國(guó)稻田CH減排的重點(diǎn)區(qū)域。應(yīng)針對(duì)這些區(qū)域CH排放量相對(duì)較高、水稻生育期雨水充沛和溫光資源充足等特點(diǎn), 制定減排對(duì)策。首先, 在選用豐產(chǎn)低排水稻品種的基礎(chǔ)上, 可考慮調(diào)整種植模式, 實(shí)行水旱兩熟或多熟制種植, 以改善土壤理化性狀, 實(shí)現(xiàn)稻田CH的大幅度減排。其次, 應(yīng)采用秸稈和綠肥還田的“旱耕濕整好氧”耕作措施, 并在水稻生育期內(nèi)采用“前期濕潤(rùn)灌溉、中期曬田、后期干濕交替、成熟期落干曬田”的水分管理方式, 提高耕層和根際氧含量, 促進(jìn)CH氧化, 減少排放。最后, 在排水不良的南方丘陵稻作區(qū), 可增施生物炭、石灰、過氧化鈣或進(jìn)行稻鴨綜合種養(yǎng)等措施, 抑制CH產(chǎn)生, 減少排放。
針對(duì)我國(guó)西南、東北、華北、西北地區(qū)稻田CH排放量相對(duì)較低、水稻生育期內(nèi)雨水相對(duì)較少等特點(diǎn), 在選用豐產(chǎn)低排水稻品種基礎(chǔ)上, 采取水稻種植前測(cè)土配方施肥或施用控釋氮肥等方式, 提高稻田養(yǎng)分利用率, 可同時(shí)避免養(yǎng)分浪費(fèi)及NO排放升高。此外, 適當(dāng)實(shí)行少耕或免耕, 可促進(jìn)稻田CH氧化和阻礙稻田CH傳輸。有條件的地方, 可以增施硫酸銨和CH抑制劑等減排產(chǎn)品, 降低稻田CH產(chǎn)生, 促進(jìn)稻田減排。
2001-2018年我國(guó)水稻總播種面積和稻田CH總排放量整體呈先降低、后升高、再降低的趨勢(shì);各區(qū)域年均單位產(chǎn)量CH排放量總體呈下降趨勢(shì)。我國(guó)各區(qū)域水稻播種面積和稻田CH排放量總體呈東南高西北低的趨勢(shì); 單位產(chǎn)量CH排放量總體呈南高北低的趨勢(shì)。稻田CH排放主要包括土壤CH產(chǎn)生、氧化與傳輸3個(gè)過程, 主要受水稻品種、土壤特性、氣候條件、農(nóng)藝措施等因素的影響。因此,在保證水稻豐產(chǎn)前提下, 選用低排水稻品種、應(yīng)用減排稻作技術(shù)、施用CH減排產(chǎn)品等技術(shù)是減少稻田CH排放的有效措施。
進(jìn)入2020 s, 我國(guó)稻田CH減排將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在減排理論上, 要加強(qiáng)水稻豐產(chǎn)與CH減排的協(xié)調(diào)理論創(chuàng)新, 確保安全減排。在技術(shù)層面, 要加強(qiáng)豐產(chǎn)減排協(xié)調(diào)技術(shù)的創(chuàng)新與減排產(chǎn)品的研發(fā),為稻田CH減排提供技術(shù)支撐。在品種層面, 可設(shè)立專項(xiàng)資金, 支持高產(chǎn)低排水稻品種篩選和選育, 并加大高產(chǎn)低排水稻品種的推廣與應(yīng)用。在政策層面,政府部門可聯(lián)合科研院所、企業(yè)制定和完善稻田減排固碳相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)程, 完善監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法與體系, 并創(chuàng)新激勵(lì)措施和設(shè)立專項(xiàng), 推動(dòng)稻田CH減排行動(dòng)。
中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文)2022年4期