稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径.pdf

DOI:10.12006/j.issn.1673-1719.2023.136秦晓波,王金明,王斌,等.稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径 J.气候变化研究进展,2023,19(5):541-558Qin X B,Wang J M,Wang B,et al.Status of methane emissions from paddy fields,mitigation technologies and strategic pathways for low-carbon production J.Climate Change Research,2023,19(5):541-558稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径秦晓波，王金明，王 斌，万运帆中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心/农业农村部农业环境重点实验室，北京 10008气 候 变 化 研 究 进 展第 19 卷 第 5 期 2023 年 9 月CLIMATE CHANGE RESEARCHVol.19 No.5September 2023摘 要：作为第一大主粮作物，水稻在我国粮食和重要农产品稳定安全供给体系中占有举足轻重的地位，其低碳生产不仅关乎国家双碳战略的推进，更对国家粮食自给率提升、国民膳食营养改善和气候外交的实施意义重大。文中从我国稻田甲烷（CH4）排放现状、减排技术和低碳生产战略等方面，系统论述了低碳可持续稻谷生产系统的实现路径。近年来，我国水稻种植面积尽管有所波动，但水稻单产持续增加，2021 年平均亩产高达 474.2 kg，创历史新高。与此同时，稻田也是我国 CH4主要排放源（1.87 亿 t CO2e)，占我国农业活动 CH4排放总量的 40.1%。因此，面对水稻可持续生产、未来气候变化不利影响及气候外交的多重挑战，稻田 CH4减排要充分考虑水分、肥料、品种、耕作和菌剂产品等的综合运筹，以人为强化措施为主，辅以基于自然的解决方案，建立主产稻区适用“抑菌减排增腐固碳良种丰产减投增效”的“抑增良减”技术体系。实施覆盖作物种植、免耕轮作、高产低排品种选育、覆膜保墒、菌剂增效产品、智能机具、合理密植、肥蘖脱钩、干湿交替和增氧耕作等十大技术模式，在确保稻米有效供给的同时减排增碳，实现水稻可持续绿色高质量发展。关键词：水稻；粮食安全；甲烷（CH4）；减排技术；低碳生产战略收稿日期：2023-06-21；修回日期：2023-07-13资助项目：国家重点研发计划（2021YFD1700202-05)；江西省中央引导地方科技发展资金项目（20221ZDH04057)；国家自然科学基金（41775157）作者简介：秦晓波，男，研究员，甲烷排放的特点、控制及成本效益专栏 编者按：甲烷是典型的短寿命气候污染物，不仅具有明显的温室效应，还有助于形成地面臭氧，形成空气污染和破坏臭氧层。IPCC 第六次气候变化评估报告（AR6）指出“持续减排甲烷，可减少全球地表臭氧形成，有助于改善空气质量，并长期降低地表温度”。减少人为甲烷排放是快速降低变暖速度的最具成本效益的战略之一。近年来，国际社会对全球甲烷减排的关注度日益增强。第 26 次公约缔约方大会上，美国和欧盟等 100 多个国家/地区形成了“全球甲烷承诺”联盟，提出了到 2030 年将全球人为甲烷排放量在 2020 年水平上减少 30%的雄心目标；甲烷减排的目标在 COP27 得到重申。目前国内外围绕甲烷排放的现状与趋势、甲烷减排与控制的政策措施、甲烷排放源的检测与方法学研究以及甲烷减排技术、经济成本效益研究等方面展开广泛深入的研究，其成果可为制定甲烷减排政策措施，参与应对气候变化国际谈判，维护国家利益，实现 2060 年碳中和目标提供科学支撑。本专栏得到国内科学家的广泛关注与支持。阐述了我国稻田甲烷排放及低碳生产的战略路径，分析了科学健康的膳食对农业甲烷排放的影响；针对区域废弃物处理的甲烷排放与管理进行了分析，并对比研究了 G7 国家废弃物领域甲烷排放的驱动力，对我国开展相关的工作具有重要的借鉴意义。气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年542甲烷排放的特点、控制及成本效益专栏引 言到 21 世纪末将全球温升限制在 1.5（相比工业化前）是全人类面临的重大挑战，但根据2021 年各国宣布的国家自主贡献还很难实现这个目标。2019 年，全球甲烷（CH4）浓度已经达到186610-9，相比 1750 年增加了 156%1，是三种主要温室气体中增加速度最快的。全球范围内，水稻生产是 CH4重要的人为排放源，2019 年全球稻田 CH4排放高达 10 亿 t CO2当量（CO2e)，占农业生产总碳排放的 15.81%1。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告综合报告1指出，1850 年以来观测到的全球变暖是人为 主要是二氧化碳（CO2）和 CH4造成的变暖。在将温升控制在 1.5的情景中，到 2030 年和 2040年，全球 CH4排放量要分别比 2019 年减少 34%21%57%和 44%31%63%，这个目标为全球 CH4减排行动带来了巨大压力。水稻生产是我国农业 CH4重要来源，从历年国家温室气体清单数据来看，我国水稻种植 CH4排放在 2005 年达到最高，之后维持在较低水平。2014 年，我国水稻种植 CH4排放 1.87 亿 t CO2e，占农业温室气体总排放的 22.58%2。近年来，我国在稻田 CH4减排机理、技术及路径方面开展了大量研究3-4。然而，农业温室气体减排仍受成本、农业系统多样性和复杂性以及产量提升需求增加等因素的限制5，导致稻田高质量发展和低碳转型路径仍不清晰。鉴于水稻在全球食物系统的重要性，探索水稻低碳生产战略路径，不仅将对缓解气候变化有重要贡献，以稻田 CH4减排增产为代表的农业减排行动也将直接影响 2030 年联合国可持续发展目标的实现。当前，虽然我国农业碳排放总量较高，但单位农业 GDP 碳排放强度（1.42 t CO2e/万元)、人均碳排放量（8.93 t CO2e/人）及人均农业人口碳排放量（0.96 t CO2e/人）均远低于美国等发达国家6。可见，在我国农业高速发展的同时，已经实现了较低的碳排放，但另一个问题随之而来，在国家粮食安全和气候外交压力的双重驱动下，水稻生产低碳转型的关键技术和战略路径如何？我国是世界人口第二位的传统农业大国，水稻生产的低碳转型受国家粮食安全、全球气候变暖和资源环境的多重约束。一方面，水稻是我国主要的粮食作物，在国家粮食安全体系中占有突出地位。2021 年，我国水稻种植面积达 4.49 亿亩（1 亩 667 m2)，分别占农作物、粮食作物和谷物总播种面积的 17.74%、25.44%和 29.87%7-8。近年来，受区域极端气候事件和种植结构调整等因素影响，我国水稻种植面积有所波动，2021 年比 2020 年播种面积减少 232.1 万亩，减幅 0.5%；其中早稻和中晚稻播种面积分别为 0.71 亿亩和3.78 亿亩，分别比 2020 年减少 0.3%和 0.5%8。尽管如此，我国水稻单产持续增加，2021 年平均亩产达到 474.2 kg，创历史新高，其中早稻和中晚稻分别达到 394.5 kg 和 489.21 kg8。近年来，我国政府加快了相关技术的推广应用，如耕地轮作休耕试点、粮食绿色高质高效行动、持续推进化肥减量增效和农药减量控害、加强耕地质量保护与提升及加强基层农技推广体系改革等，确保了在新形势下我国水稻产业绿色高质量快速发展。另一方面，作为对气候变化影响较脆弱的部门，我国农业特别是水稻生产已经并将继续受到全球变暖的影响。IPCC 第六次评估报告综合报告认为，未来气候变化将通过自然和人类系统产生严重影响并导致地区差异相应增加1，因此，在应对国家粮食安全和气候变化不利影响双重压力下，还需加强区域针对性减排增产技术的研发推广。因此，本文综述了我国稻田 CH4排放现状、减排技术和低碳生产战略路径相关研究进展，以期为我国水稻产业低碳绿色高质量发展提供科学支撑。在国家 CH4整体减控战略和稻米稳定安全供给的前提下，我们重点关注的科学和产业问题包括：(1)为确保水稻可持续生产、减缓气候变化不利影响，如何揭示丰产减排固碳互作机制并实现多目标调控途径；(2)针对种植结构调整、低碳高效品种缺乏、农机农艺不同步、秸秆无害化与快腐固碳难兼顾等问题，如何构建基于近自然调控和人为强化的水稻低碳生产技术体系，从而实5 期 543秦晓波，等：稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径图 1 我国水稻生产和稻田 CH4排放现状Fig.1 Current situation of rice production and methane emission from paddy field in China注：数据来源于中国统计年鉴（19792021 年）和中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告。52000490004600043000400003700021000180001500012000水稻单产/(kg/亩)5004003002004321水稻总产量/万 tCH4排放/亿 t CO2e稻田甲烷排放水稻播种面积/万亩水稻播种面积水稻总产量水稻单产1978198019851990199520002005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年现水稻生产低碳转型。1 稻田甲烷排放现状近 30 年（19922014 年）来，我国稻田 CH4排放呈先下降后上升然后保持稳定的变化趋势，2014 年 我 国 稻 田 CH4排 放 量 为 1.87 亿 t CO2e（图 1，表 1)，占我国农业活动 CH4排放总量的 40.06%（从历年数据来看，贡献占比有上升的趋势)，贡献了全球稻田 CH4排放的 18.13%（表1)。从全球范围来看，水稻种植贡献农业活动 CH4排放的 17.72%（14.08%24.32%）5，其中以EDGAR（美国电子数据收集、分析和检索系统）的占比估算（20102019 年）最高，而全球碳项目（GCP）中全球甲烷评估（GMB）9的估算值（2017年，14.08%）最低，且与 IPCC AR6 的估值（2019年，15.82%）接近。造成各种评估结果差异的原因是多方面的，其中 CH4全球增温潜势（GWP，100 年尺度）的取值固然是一个因素，但清单编制或评估过程的不确定性也是不容忽视的原因。就我国国家温室气体清单编制而言，其农业活动排放清单不确定性范围为-19.2%20.4%2。我国水稻生产 CH4排放占比较高，也间接反映了水稻种植在我国农业生产和粮食供给中的重要地位。我国是传统农业大国，过去几十年，依靠科技进步和技术革新，我们以 9%的耕地养活了全球 20%的人口，这一“中国奇迹”震惊了世界，也为全球粮食供应和饥饿人口的减少做出了卓越贡献。因此，我国农业排放包括水稻种植CH4排放，都属于典型的生存排放，而且我国碳排放主要来自能源活动和工业生产过程，农业碳排放贡献占比较低。农业将继续为我国稳产保供提供基础支撑，也将继续为保障国家粮食安全和减缓全球气候变化做出贡献。2023 年 3 月发布的中国农业农村低碳发展报告（2023）6也强调了我国农业生存排放的特性及主要农作物温室气体排放降低的趋势，考虑到未来我国国民经济发展，随着绿色低碳转型发展战略及技术普及，我国农业温室气体排放强度将继续降低。2 稻田甲烷减排技术稻田 CH4产生的生态系统过程源于一连串复杂的发酵过程，首先是有机大分子到乙酸、羟基酸、醇类、二氧化碳及氢气的初级发酵过程，其次是醇类和羟基酸到醋酸盐、氢气和二氧化碳的次级发酵过程，这一过程最终在产甲烷古菌的参与下转化为 CH4。水稻田 CH4的排放起始于水稻土壤 CH气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年544甲烷排放的特点、控制及成本效益专栏的产生、再氧化以及传输至大气的整个过程10-11。CH4生物成因主要产生途径有 4 条，即氧甲基型、甲基型、乙酸型和氢型；其中，乙酸和氢型是最常见的 CH4生成途径，二者分别可占陆地生态系统 CH4生成的 67%和 33%12。最新研究则证实了一种新型产甲烷古菌可以直接氧化长链烷基烃而不需要通过互营代谢来完成，从而提出第 5 条产CH4途径13，即烷基型生物产 CH4途径，这一新发现也启迪了我们新的 CH4减排途径的可能性，CH4产生和排放机理与监测手段的科技创新也促进了减排技术的研发。2.1 抑菌减排产甲烷古菌和甲烷氧化菌在稻田 CH4产生和排放过程中起决定性作用。国外研究证实许多化学物质如溴甲烷磺酸、氯仿和氯甲烷等可抑制甲烷菌的活性，肥料型的甲烷抑制剂如碳化钙胶囊能使稻田 CH4排放降低 90.8%14。Cho 等15在韩国的研究发现，利用醋酸纤维素搭配乙烯利抑制了 43%的稻田 CH4产生，其效果类似于其他众所周知的产甲烷抑制剂（2-溴乙磺酸盐、2-氯乙磺酸盐、2-巯基乙磺酸盐）16-17，原因在于其显著降低了水稻土中古菌群落以及产甲烷菌的相对丰表 1 中国和全球稻田 CH4排放现状Table 1 Methane emission from China and global paddy field区域数据来源中国全球GWP 取值时段CH4排放/亿 t CO2e农业活动水稻种植稻田排放占比/%国家温室气体清单2IPCC AR65EDGAR1)(IPCC AR6)FAOSTAT2)(IPCC AR6)USEPA3)(IPCC AR6)GCP GMB4)921 2727 2727281994 年2005 年2010 年2012 年2014 年1990 年2000 年2010 年2019 年19901999 年20002009 年20102019 年19901999 年20002009 年20102019 年19901999 年20002009 年20102019 年20002009 年20082017 年2017 年3.615.294.714.814.6753.3153.0859.5463.6938.239.242.3734.3635.3637.233.3635.6937.253.7657.6859.641.291.671.831.781.8710.549.1610.3110.089.979.310.35.825.986.486.485.986.317.848.48.435.7531.5138.9436.9640.0619.7617.2617.3115.8226.123.7424.3216.9216.9217.4219.4316.7616.9714.5814.5614.08注：1)Emissions Database for Global Atmospheric Research，https:/edgar.jrc.ec.europa.eu/；2)https:/www.fao.org/faostat/en/#data/GT；3)https:/www.epa.gov/gmi；4)https:/www.globalcarbonproject.org/。5 期 545秦晓波，等：稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径度和表达水平。然而，尽管这些非特异性抑制剂的市场价格较低，但它们对土壤具有广泛的非靶向作用，如果大量连续施用，可能会破坏土壤健康15。例如，Pramanik 等18通过盆栽试验发现水稻种植过程中施用 2.5 mg/kg 的 EDTA（乙二胺四乙酸）可将 CH4排放量减少多达 20%，但显然也会降低土壤微生物的活性。鉴于此，甲烷抑制剂还尚未被大范围应用，即使它们抑制 CH4排放的潜力高于稻田常规农艺实践所能达到的水平。因此，新型环境友好的 CH4抑制产品有待进一步研发。除抑制剂外，EM（有效生物菌剂）也有较好的增产减排效果：苗曼倩等19在江苏稻田的试验首次揭示了 EM 的 CH4抑制效果（平均可达59%)，其原因在于 EM 中含有的光合细菌作用；此外，不同时期 EM 施用效果有差异，在分蘖拔节期这一 CH4排放高峰期内追施 EM 固体肥料后，抑制作用最明显；从整个生育期看，EM 处理水稻产量显著提高。王斌等20在荆州的研究则发现 EM 可使双季稻 CH4排放减少 34.9%，同时增产 3.2%；王斌等21和蔡威威等22也发现了 EM的氮素利用率提升和增产效应（3.9%13.5%)。尽管有效生物菌剂具有一定的减排增产效果，但目前研究还较少，限制了其进一步推广应用。抑制剂的研发与应用，针对的是 CH4产生过程，而另一类产品可以增强 CH4的氧化，故可称为增氧剂。Shaaban 等23发现白云石搭配氮肥施用，可以增强 55%WFPS（充水孔隙度）条件下的 CH4吸收（氧化)，从而可以减少酸性土壤中的CH4排放。Khatun 等24则研究了磷石膏作为土壤有机改良剂的同时，增强 CH4氧化过程的效果，发现相比生物炭等其他制剂，磷石膏处理有效地控制了 CH4排放，从而提出在盐渍土中将磷石膏和生物炭与推荐的氮磷钾锌肥料联合施用，可能是通过增加 K+/Na+、Ca2+/Na+比率来提高水稻对盐分耐受性同时减排 CH4的良好做法。Zhou 等25的研究则认为，受气候变暖胁迫的植物会释放乙烯，从而显著抑制 CH4氧化，但 ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸盐）脱氨酶通过减少乙烯生物合成来调节植物应激反应，同时可维持土壤中的 CH4氧化率。目前，这种通过使用 ACC 脱氨酶研究气候变暖引起的植物胁迫增强乙烯渗出对 CH4氧化的潜在影响还有待进一步加强。2.2 促腐增碳众所周知，秸秆还田是最有效的土壤有机质补充方式之一，也是我国大力推行的保护性耕作措施，但新鲜秸秆还田由于有机质含量较高将极大促进稻田 CH4的排放，如何在秸秆还田的同时降低 CH4的产生，是稻田固碳减排的一个重大挑战。为此，有学者研发了腐解剂、冬闲期还田、过腹还田和生物质炭资源化利用26-27等不同还田技术和产品，以期缓解新鲜秸秆还田后 CH4大量排放的问题。其实，稻田 CH4的产生除了产甲烷菌的生化介导作用，更重要的在于土壤有机质对产 CH4碳源的贡献。由于内外源有机碳（秸秆、有机肥、微生物同化、根系及土壤本底碳）对CH4产生有重要影响，如何增加土壤碳库的稳定与固持、减少其溶出和矿化损失28，从而在源头抑制 CH4的产生是稻田减排固碳的关键。我国农业部门也越来越多地采用将秸秆与微生物接种剂（细菌和真菌的混合物，旨在加速秸秆分解）结合起来的方法，如 Liu 等29针对稻麦轮作系统，采用了在小麦季将水稻秸秆与接种剂（微生物菌剂和金葵子菌剂）结合的方法，有效降低了轮作系统整体温室效应。另外，对于我国广泛分布的稻麦轮作系统，将秸秆施用时间从水稻季节转移到非稻季（小麦季）可以有效避免高 CH4排放，这种做法已被广泛应用30-31。Qin 等32对连续 40年长期施肥试验的数据分析后也认为，秸秆施用和粪肥改良时机对提高水稻产量和降低碳足迹至关重要。可见，针对稻田秸秆还田的增碳促排效应，因地制宜适时通过还田时间、还田方式及新式促腐快腐菌剂产品的调节，可以实现土壤增碳的同时降低 CH4排放。实际上，作为单项技术，通过不同形式的秸秆还田（稻草粉碎或腐熟还田)，能促进土壤微生物碳利用和土壤团聚体稳定性33，达到固碳减排的目的。从土壤养分和微生物化学计量学角度气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年546甲烷排放的特点、控制及成本效益专栏讲，通过氮肥和稻草配施调控总体碳氮比，促进外源碳向小分子官能团降解转化，以此促进团聚体物理保护作用，提升土壤碳库的固持，加强稻田土壤碳汇功能，但目前这种秸秆还田与氮肥优化等措施的结合程度还有待提升34。刘天奇等35研究发现，通过调控稻草和氮肥配比，提升土壤团聚体吸附外源颗粒有机碳功能，相比常规稻草管理模式提高土壤碳库闭蓄态颗粒有机碳储量 32.3%。另外，稻草还田还可以结合增氧耕作等综合运筹，实现水稻产量提升和 CH4减排的协同。张俊等36发现，以稻草切碎匀抛、田间旱耕湿整和增密调氮控水为关键技术，改善耕层土壤通透性和水稻通气组织的输氧能力及抗倒防衰性能，提高耕层和水稻根际氧含量，可实现稻草还田下水稻丰产与 CH4减排协同。该技术体系在我国水稻主产区大面积示范中，高产条件下取得氮肥利用增效 30.2%36.0%、稻作节本增收 8.3%9.7%和 CH4减排 31.7%75.7%的显著效果。上述稻草还田与氮肥、耕作相关措施的优化调控，实现了 CH4减排和水稻增效的共同目的，氮素利用率和栽培措施的优化提升，间接促进了稻草腐解和碳素的固持，因此达成土壤增碳和 CH4减排的双赢目标。2.3 良种丰产良种是水稻丰产的保证，而因其基因型、生长特性、通气组织传输能力的差异，导致筛选培育高产低CH4排放品种成为可能（图2)。诸多研究发现，不同水稻品种的 CH4排放率差异较大27,38-40。如Bhattacharyya等41对不同水稻品种CH4排放速率、根系分泌物、根氧化酶活性和茎秆通气组织孔隙空间进行了研究，发现不同品种的 CH4平均排放量在 0.86 4.96 mg/(m2h)之间，并且 CH4排放率在短期品种中最低，其次是中长期品种。在中短期品种中，平均每单位稻谷产量 CH4排放率的温室气体排放强度也最低（0.35 kg CO2e/kg)。多数研究认为，水稻品种对 CH4排放的影响主要与水稻生长性能有关，即分蘖数、植物地上和地下生物量42-44。尽管许多研究发现水稻生物量与CH4通量之间存在显著的正相关关系45-46，但也有不少相反结果的报道27,37,47，这强调了在生物量这一重要因素之外，水稻植物氮肥利用效率的差异48-50以及不同品种对根系 CH4产生和氧化菌群落的影响。总之，这种水稻品种之间的排放差异表明从育种基因型角度培育低排放水稻品种的可行性，但目前对基因型如何影响参与 CH4循环的微生物群的了解有限51。如 Balakrishnan图 2 高产低排放水稻品种选育改良方向37Fig.2 High-yield and low-emission rice variety breeding and improvement 5 期 547秦晓波，等：稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径等37通过现场筛选 CH4排放、高温、臭氧耐受性和氮利用效率来识别基因型变异，对于启动成功的育种计划以开发能够提高气候适应能力的水稻品种是必要的52。Liechty 等51则在整个生长季节对高 CH4排放品种（Sabine）和低 CH4排放品种（CLXL745）的根际、根平面和内圈微生物组进行了分析，以确定与 CH4相关的古细菌群落的变化，揭示了一个复杂的微生物相互作用网络，发现植物基因型依赖因素可在该网络上影响 CH4产生和排放。2015 年，Su 等53通过基因编辑手段发现了高籽粒碳分配的新型低 CH4排放水稻品种 SUSIBA2，认为优化光合产物分布对于提高水稻产量和减少 CH4排放非常重要，这为从基因编辑角度培育低 CH4品种开创了先河。Du 等54后续对该品种低 CH4性状及土壤碳和微生物群落进行了综合分析，发现基于该基因的水稻向土壤释放的碳减少，早晚稻（平均 50%减排率）和粳籼稻品种（粳稻高于籼稻）均有较大的CH4减排差异，预测具有大麦 HvSUSIBA2 基因的分子水稻育种可提高谷物的光合产物通量，从而提高水稻产量并减少稻田中的 CH4排放。目前，这种基于基因编辑的水稻品种改良实现 CH4减排的探索还较少，未来也面临水稻产业发展和国家粮食安全保障等诸多挑战。除低排放高产水稻品种的基因编辑、分子育种和超短生育期品种培育的探索外53，更多研究关注于低排放品种与水稻植株通气组织、根系分泌及植株生理生态特性的关系等方面。Soremi等55收集了有关 CH4排放、表型、生理、根性状和谷物产量的数据，发现不同品种的籽粒产量、根长和根表面积差异显著。稻田土壤 CH4向大气传输 3 个途径中最主要的是水稻体内通气组织，这一传输途径占稻田向大气 CH4排放总量的80%90%40,56-57。有研究发现，水稻植株体传输CH4的能力与其生长阶段密切相关41。Mosier等58认为，在生长季早期，水稻植株发育较小的情况下，绝大部分 CH4通过气泡形式传输，大约 1 个月后，48%的 CH4排放是由水稻植株脉管传输的，而到生长季后期，这种方式的传输占该时期 CH4总排放量的 90%97%59-60。可见，CH4排放速率受通气组织取向、根系分泌和生物量产生速率的控制，这些是栽培品种的关键特定性状，已确定的性状与特定生态环境中种植品种的持续时间和适应性密切相关。因此，可根据生态、持续时间和具有较少的 CH4排放潜力来选育水稻品种。Chen等61发现，根的形态和生理特征（即根干重、根长、根氧化活性和根径向氧损失）与 CH4通量呈负相关，原因在于根系分泌物（苹果酸、琥珀酸和柠檬酸）促进了甲烷氧化菌的丰度和活性。Kim等62研究了水稻根横切面（RTS)、通气组织面积和通气组织百分比的遗传变异，发现 RTS 和通气组织面积与 CH4排放量显著相关，因此认为根横切面面积可作为选择低CH4排放品种的一种手段。Balakrishnan 等51则发现通过有效分蘖数和很少通气组织而培育的新植物型（NPT）水稻品种被认为对减少根系分泌物有效，已针对这些参数进行表型分析的基因型可用作育种计划中的供体63。Wang等64则指出，根系氧化潜力高、收获指数高、非生产性分蘖数少，是培育低 CH4排放的理想水稻品种的育种目标，培育具有最少非生产性分蘖并降低根系渗透性的新品种可以减少 CH4排放，这将是减少 CH4排放的有希望和经济的方法。另外，从水稻栽培角度来讲，实施综合作物管理（ICM，integrated crop management）65和水稻集约化系统（SRI，System of Rice Intensification）66可以提高水稻整体栽培质量和产量，同时降低CH4排放强度，确保良种发挥稳产减排固碳的效用。如通过 ICM，整合多种技术，引入包括增加植物密度、优化氮素投入、交替润湿和适度土壤干燥（AWMD）以及施用有机肥等措施的联合实施，从水稻栽培整体效能提升上减少 CH4排放。Setyanto 等65发现 ICM 下，水稻根系形态生理性状与籽粒产量呈显著正相关，而根长、比根长、ROA、根总和活性吸收表面积与总 CH4排放呈显著负相关，而根系分泌物中苹果酸、琥珀酸和乙酸的浓度比当地农民传统实践高。这些结果表明，ICM 可以通过改善水稻根系形态和生理性状来实现提高粮食产量和减少温室气体排放的双重目标。气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年548甲烷排放的特点、控制及成本效益专栏2.4 减投增效我国于 2015 年提出化肥零增长计划并于 2017年底实现了全国化肥总量零增长，但 Li 等67和Qin 等68研究结果表明，我国主要粮食种植系统都还存在一定的氮盈余，可见，我国农业还需要进一步减量增效。同样，稻田 CH4主要由过量灌溉激发的土壤厌氧菌产生，因此，节水节氮高效生产是稻田 CH4减排的重要选择。从节水节氮角度看，减少稻田 CH4排放的措施主要包括5改进水资源管理（单一排水和多次排水)、改进作物残茬管理69-70、改进施肥（使用缓释肥料和特定养分施用等)，以及土壤改良剂（包括生物炭和有机改良剂等）26,71。这些措施不仅具有缓解潜力，而且可以提高用水效率，减少总体用水量，增强干旱适应能力和整体系统恢复力，提高产量，降低种子、农药、排水和劳动力的生产成本，增加农户收入，提升可持续发展水平72-75。最近关于稻田水分管理的研究强调了减少CH4排放的同时提高用水效率的潜力75，这也体现了业界对于农业生产节水的广泛关切。对人工灌排稻田减排效果的荟萃分析发现，采用干湿交替（AWD）灌溉管理76可减少 20%30%的CH4排放量和 25.7%的用水量，尽管这在个别情况下会导致产量小幅下降（5.4%）77，更多研究则发现了与 AWD 相关的产量提升75。实际上，采取中期烤田水分管理方式的稻田，即使在烤田结束覆水后仍能将 CH4排放量保持在较低水平78。近年来，干湿交替灌溉技术在东南亚为主的水稻主产区推广79，实现了良好的增产减排效果。基于干湿交替灌溉技术的良好应用前景，更加需要量化该技术对区域的适用性程度，以提高其应用范围。与连续淹灌相比，越南的 AWD 被发现分别减少了 29%30%的 CH4和 26%27%的氧化亚氮（N2O）排放量，净温室效应的减排率约为 30%75。然而，如果同时考虑 CH4和 N2O 的减排，水分管理的优化可能会对二者产生相反的效应（trade off)，因为干湿交替灌溉会增加N2O 排放75。研究表明，与持续淹水相比较，中期烤田可以将稻田 CH4排放总量显著降低36%77%80-81，但可能导致 N2O 排放量增加约 20%82；据测算，单次和多次排水的 N2O 排放量变化范围为 0.06 33 kg/hm283-84，N2O 的排放量在旱季较高82，这取决于特定地点的因素以及投入水稻系统的化肥和有机物质的数量。AWD技术在部分地区的推广，是建立在综合温室效应（CH4+N2O）减缓的基础上，毕竟稻田温室效应主要由 CH4贡献（90%以上)，这种情况下，N2O 排放的增加就不能掩盖 AWD 技术的减排效果了。尽管如此，包括 AWD 在内的节水减氮措施在实际执行中还存在一些障碍，主要包括土壤类型、渗透率或降水波动、水渠或灌溉基础设施、稻田地表水平和稻田面积的特定区域限制，以及社会因素，包括农民的看法、水泵所有权和同步方面的挑战，邻居和泵站之间的水资源管理等问题74,85，只有全面权衡社会效益和经济效益的减排措施才能更广泛地被接受。全球碳中和背景下温室气体减排已成为国际共识，如 2021 年中美两国发布格拉斯哥联合宣言，表明了两国和国际社会共同致力于 CH4减排的努力。但如何在确保粮食和重要农产品有效安全供给的前提下，实现稻田 CH4减排，仍需在宏观政策和针对性技术上加强顶层设计和减排技术适用性评估。目前，针对 AWD 技术的大范围区域适用性评估，国际水稻研究所开展了系列研究。如 Sander 等86基于 Nelson 等87的理论并结合 IPCC Tier 2 算法88，评估了菲律宾全国稻田AWD 技术适用性，其结果与 Nelson 等87的研究相似，即降雨较少的水稻种植季 AWD 技术适用性更高。Prangbang 等89则评估了泰国中部平原6 个水稻省份 AWD 技术适用性，他们针对不同土壤质地设置了不同的土壤渗透率，一定程度上影响了中度及高度适宜区域的分布；且长期种植水稻的土壤表层会形成“硬块”，这种“硬块”会影响土壤渗透率，进而影响评估结果。另外，由于地势较高的稻田往往比地势低的稻田更容易排水，从而影响该技术的适用性74。实际上，不止节水措施，考虑到稻米供给的前提和地理位置、气候和土壤属性等的较大差异，上述提到的所有稻田549秦晓波，等：稻田甲烷排放现状、减排技术和低碳生产战略路径5 期 减排措施的推广都需要进行适用性评估，目前这种评估还相对滞后。减投增效，一方面在于控制水肥投入抑制CH4产生，更重要的还在于通过水肥耕作等的高效耦合提质增效。刘天奇等35发现，节水灌溉技术可通过激活甲烷氧化菌丰度，减少稻田 CH4排放 19.9%21.1%；免耕等低能耗管理则可减少燃油和人力等投入，综合降低稻田生产间接碳排放 10.5%16.7%；而相对于常规稻草还田，节水灌溉结合氮肥配施等实践可提高稻草外源碳循环固定率 57.3%59.9%。最新研究发现，通过水稻氮素响应染色质调控等位基因编码（NGR5)，实现分蘖与施肥脱钩，在减少氮肥用量的同时，可抑制分蘖期的 CH4高排放，并提高水稻产量90，这种产量和投入的变化可以促进农业可持续性和粮食安全。传统上，我们更习惯使用尿素，实际上，氮肥和 CH4循环的相互作用是复杂的，在不同的组织层次上会产生不同的影响。但 Bodelier 等91通过测量所涉及的反应速率、稳定同位素示踪和土壤中细菌群落的分子分析，发现相比尿素，铵基肥料能更大程度刺激水稻根围甲烷氧化菌的生长和活性。Shrestha 等92也发现，硫酸铵强烈抑制 CH4生成，该处理中，II 型甲烷氧化菌相对更占优势。除了新型氮肥，包膜控释肥已经在旱作系统中成功应用于抑制 N2O 的排放，但在稻田中对 CH4的抑制效应仍在探索。Hou 等93发现，硫包膜尿素与普通尿素长期配施可保持水稻产量并减少稻田 CH4排放。Scholz 等94也认为硫酸盐还原剂和产甲烷菌竞争相同的底物，所以硫酸盐修正是一种减少稻田 CH4排放的缓解策略，而通过电硫化物氧化增加硫酸盐水平的丝状细菌（电缆细菌）的一次性接种，会使硫酸盐库存增加 5 倍，从而导致 CH4排放量减少 93%。综上所述，稻田 CH4减排涉及稻米供应、气候适应及土地可持续生产，需构建综合技术体系才能实现减排增产的多目标协同。需综合考虑气候变化不利影响、固碳减排丰产难兼顾、低碳品种和农艺农机不同步及水热气候资源不匹配等重大问题，通过互作机制、关键技术和主产区针对性协同增效模式的创新研发，建立主产稻区适用的“抑菌减排增腐固碳良种丰产减投增效”的“抑增良减”技术体系（图 3）。3 水稻低碳生产战略路径我国是受气候变化不利影响较严重的国家，同时也是世界范围内稻米及粮食安全的重要保障国。应对气候变化不利影响和保证稻米稳定安全供给，是水稻低碳生产战略转型的两大前提，低碳技术模式的应用必须同时受这两大前提约束。因此，本部分在综述未来气候变化对水稻生产潜在影响的基础上，提出了应对气候变化的主产区减排技术模式，从而提出以食物系统视角的水稻低碳生产战略路径。3.1 未来气候变化对水稻生产的潜在影响 中 国 气 候 与 生 态 环 境 演 变 报 告95指出，19002018 年，中 国 增 温 比 全 球 平 均 更快，19612013 年 达 1.44（1.22 1.66 )，19612020 年，中国平均地面气温呈上升趋势，区域差异明显，北方高于南方。其中 19612010年的气温升高使我国单季稻产量增加了 11%，降水变化使单季稻产量增加了 6.2%，同时使我国水稻产量重心向东北迁移了约 3 个纬度。我国整体气候变化还表现为强降水、极端高温高湿复合事件大幅增加及光热资源减少等特征。与此同时，我国中东部地区耕地面积有减少的趋势。水稻种植比例结构的变化在南北方呈相反的趋势，其中东北稻作面积增加明显。而全国单作面积减少导致水稻产量下降 4.3%12.4%95。另外，气候变化对水稻播期的影响则是出现了春播提前秋播推迟的现象。对于农业受气候变化影响程度及敏感程度而言，各地区也有较大差异，其中东北、华中和西南地区受影响和敏感程度均最高，华东地区则是农业受影响程度较大但敏感度较低，而华南地区农业敏感性较高。我国水稻目前有四大主产区，分别是长江中下游、东北平原、华南和西南地区。中国气候与生态环境演变报告95数气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年550甲烷排放的特点、控制及成本效益专栏据表明，未来我国水稻将在温度、降水、干旱发生频次和强度及种植结构等方面发生较大变化，并且四大主产区将分别面临不同的变化特征（表2)。针对这种全球变暖影响下的水稻生产将发生的变化，可持续水稻生产措施和绿色低碳转型政策技术体系既要同时做到科学性和前瞻性，又要充分考虑应对气候变化不利影响，制定区域针对性减排增效模式。3.2 应对气候变化的主产区减排技术模式长江中下游是我国最主要的稻谷产区，针对未来气候变化潜在影响，实施“抑增良减”技术体系：在抑菌减排层面，该地区特别是下游稻麦轮作区，适于实施控水增氧联合菌剂产品；同时考虑增腐固碳，可实行快腐菌剂轮作高效机具的技术措施；该地区水稻品种更替也较快，适宜播种超级杂交稻等优质品种提升产量的同时降低 CH4排放；最后，针对减投增效，适宜实施化肥减量新型肥料制剂绿肥覆盖作物的种植体系。华南和西南是传