稻田何以成为甲烷排放大户

    作为地球上最为古老的生物之一，产甲烷菌广泛分布于自然界的各种厌氧环境中，比如湖底的淤泥、动物的肠道以及淹水的稻田。当人类驯化了水稻这种原本可以生长在旱地里的植物，并且发现可以利用淹水种植的方式排除掉水稻生长期间大部分的杂草竞争后，这种种植模式数千年来基本没有太大的变化。淹水将空气和土壤隔绝开来，创造了一个完美的厌氧环境，同时水稻根系分泌的有机物也为产甲烷菌提供了丰富的营养来源，于是这种适应了没有氧气的远古地球环境的古老微生物，以不同于绝大部分地球生物的能量利用方式，在从有机物获取能量的同时，将其还原为了甲烷。中国是地球上最早种植水稻的国家，同时也是水稻产量最大的国家。国家统计局的数据显示，2021年中国稻谷种植面积大约3000万公顷，总产量达2.1亿吨。而根据2018年发表在《中国生态农业学报》上的一篇论文的数据，65%的中国人以水稻为主食，中国的水稻种植面积约占全球水稻总种植面积的20%，产量约占全球水稻产量的29%。规模庞大的稻田产生的甲烷因此构成了中国农业甲烷排放最主要的来源之一。根据中国政府2018年发布的《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》，2014年中国共排放甲烷5529.2万吨，来自农业活动的排放达到2224.5万吨甲烷，其中水稻种植排放的甲烷为891.1万吨，占农业活动排放的40.1%。不仅如此，有研究指出中国的稻田甲烷排放约占全球稻田甲烷排放量的29.2%。

  稻田减排：控水是关键

    2022年6月30日，农业农村部和国家发展改革委联合发布了《农业农村减排固碳实施方案》。在这份文件中，稻田甲烷减排行动被列为十个重大行动之首，提出要“因地制宜推广稻田节水灌溉技术，提高水资源利用效率，减少甲烷生成”。解决稻田甲烷排放问题，目前最为成熟的方法就是改变传统的淹水耕作模式。由于产甲烷菌只能存活在持续稳定的厌氧环境中，因此让稻田土壤定期排干并暴露于空气将显著减少甲烷排放。水稻集约化系统（The System of Rice Intensification， SRI）种植模式就是利用这一原理，在减少稻田耗水的同时，通过浅灌、间歇性灌溉等方法，为稻田土壤创造通气条件，从而抑制产甲烷菌活动，降低甲烷排放。有研究表明，该方法可以减少22%-64%的稻田甲烷排放。目前，SRI耕作法已经广泛应用于亚洲、非洲和拉丁美洲，在保护环境的同时，还提升了水稻产量，增加了农民的收入。不过，对于一支正在中国西南地区推广稻田甲烷减排种植方法的团队来说，SRI并不适用于当地农村的实际情况。“我们之所以没有推这个方法，是因为发现什么时候淹水，什么时候不淹水，对农户来讲特别的困惑。我们现在项目在西南山地做，是因为他们还有全年淹水的水田（冬水田），这是当地农民长久以来的农事操作。所以虽然冬天田里啥也不种，但是排放依然在。”该团队的成员在接受中外对话采访时说，由于西南农村各家各户的农田往往连在一起，收水放水对农民来说是一件挺复杂的事情，因为会影响到别人。为了适应当地已经实践了千百年的水稻种植习惯，该团队选择了另一种由中国科学家摸索出来的方法——起垄种植。所谓垄是用犁在平整好的田地里开挖之后形成的长条形土堆，而起垄种植就是将作物种植在垄上的一种耕作方式。起垄之后，垄和垄之间较为低洼的部分被称为垄沟，在垄沟里进行灌溉，也即沟灌（furrow flooding）。

▲起垄种植。图片来源：Eduardo Pucheta / Alamy

    “沟灌有几个显著的好处，首先是它的甲烷减排量更大，因为几乎80%的土面都暴露在空气中，而且淹水的地方不长水稻，中科院南京土壤所做的测算是能达到60%-80%的甲烷减排。其次，这是一种更容易的水位管理方式，因为沟灌可以常年保持沟里面有水，不用做太多的水位管理，对当地农民来说省去了很多麻烦。”上述团队成员解释说。除了该团队正在实践推广的起垄种植法外，在中国东部的浙江省嘉善县西塘镇，中国水稻研究所和阿里云构建的智能种植系统正被应用于当地的一个400亩低碳智慧农田示范项目。据每日经济新闻报道，该方案基于中国水稻研究所提出的水稻生长模型，利用阿里云的云计算、物联网等数字技术，可以联动精准灌排、无人农机等农机设施以及水、气、土在线自动检测体系，实现更加精准的田间管理。例如，示范农田的田埂间安装了专门的水位感应仪，可以实时感应水位高低，联动灌排系统自动灌水或排水。根据中国水稻研究所的测算，采用了新技术的智慧农田灌溉用水减少了30%-50%，甲烷排放较传统模式减少了30%以上。

  在农村推广的挑战
    改革开放之后，中国经历了近40年的经济高速增长期。快速的城市化和工业化创造了大量的就业岗位，吸纳了数以亿计的农村劳动力进城务工。在人口稠密的南方地区，由于人均耕地面积太小，种水稻的经济回报远远低于打工的回报，愿意留在农村种粮的人正变得越来越少。而这也给正在西南地区推广起垄种植的团队带来了新的困扰：“现在去村子里跟村民聊种水稻的技术，根本没有人愿意理你。我们面临的最大一个问题是，村民对我们想要去推广新方法的抵触本质上是对于种水稻的抵触。”尽管前文所述的试验结果证明起垄种植不仅能够减少甲烷排放，还能增加粮食产量，但是微薄的产值变化并不足以激励农民从工厂回归农田并改变旧有的种植模式。“参与这个项目以后，我才发现最大的问题是农村没有人了，以及大家都不种米了。”一位不愿具名的团队成员说，“种水稻是特别辛苦的事，水稻种出来后也卖不上什么钱，一亩地一年两季赚600块钱，我为什么不打工要干这个？虽然我们的种法更加地稳产甚至能够一定程度地增产，但是对农民来说，从赚 600 块钱变成赚 800 块钱的意义是什么？像湖南某些地方的双季稻补贴已经达到了一亩地600块钱，等于把产值翻了一番，都没有人愿意干，广东那么近，谁不去打工呢？”该团队意识到，想要在南方农村推广稻田甲烷减排种植方法，不能只和村民谈怎么种水稻，提高农田的整体经济回报才是关键。他们的想法是探索更具经济效益的后茬作物。“我们现在在看种完水稻之后，通过后茬作物在一定程度上解决土壤固氮的问题，同时通过免耕覆盖的方法增加土壤有机质，从而提高土壤肥力，这样可以在第二年削减需要的氮肥量，在增收的同时减少未来的农资投入。我们正在试验几种不同的后茬方案，包括免耕覆盖种蚕豆，然后看哪一种会有比较好的经济效益。”上述团队成员说。
  规模化可能带来的减排潜力

    与南方水稻种植日益萎缩的状况形成对比的是，人均耕地面积更广、农业机械化程度更高的东北，尤其是拥有大片肥沃黑土地的黑龙江，正在成为中国水稻种植新的中心。国家统计局的数据显示，2021年黑龙江的稻谷产量为全国最高，达到2914万吨，比排名第二的湖南高出230万吨。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的刘国珍和李正国等人曾在《近30年中国水稻种植区域与产量时空变化分析》中写道，自上世纪80年代初以来，东南沿海的广东、福建和浙江等地区的水稻种植面积出现缩减态势，而增加主要出现在东北地区的吉林和黑龙江等省，结果就是，中国水稻种植重心向东北方向迁移了约230公里，产量重心向东北迁移了约320公里。根据国家统计局的数据，2015年到2021年，湖南省的水稻产量从2757万吨下降到了2683万吨。同期，黑龙江的水稻产量则从2721万吨增加到了2914万吨。伴随着水稻种植重心的北移，水稻种植方式也在发生变化。据新华网报道，黑龙江从2004年开始研究水稻节水控制灌溉技术（即“旱种”），与常规灌溉相比，可节水30%-40%，增产5%-10%。2012年，水稻旱种面积达到407万亩。到了2018年，旱种面积达到3000万亩，超过全省水稻灌溉面积的一半，8年时间翻了7倍有余。

    旱种之所以能在黑龙江大面积铺开，除了政府大力推广之外，另一个值得关注的因素就是其能显著降低种植成本。黑龙江虎林市一名有着400亩稻田的农户曾在接受中新网采访时称，相比于插秧种植每亩地大约500多元的成本，采用旱地直播的方式更加省工、省时、省力，而且节水增效，每亩地的成本只有300多元。当旱种在黑龙江被快速推广的同时，甲烷减排也随之悄然发生。有研究显示，正在黑龙江推广的水稻旱种技术能使甲烷减排30%以上。值得注意的是，尽管水稻种植重心正在向东北移动，南方以水田为主的省份目前仍然是中国水稻最为主要的产地。根据国家统计局的数据，2021年排名前十的水稻产区中，除了黑龙江和吉林两个省份位于东北，其他都是南方省份。这8个南方省份的水稻产量合计13831万吨，约占去年全国水稻总产量的65%。

    而且由于每个省都有保障耕地面积和粮食产量的任务，水稻重心完全北移在接下来这个对减缓气候变化至关重要的十年里大概率不会发生，在南方的水稻主产区推广低碳稻作技术，依然有很大的空间和潜力。因此，在中国常住人口城镇化率已经达到65%的背景下，结合黑龙江的旱种推广经验，一个值得思考的问题是，是否应当通过促进土地流转实现水稻种植的规模化，提升种粮的经济回报，从而更好地带动低碳稻作技术的推广。倘若土地流转更加畅通，即使旱种每亩土地只能增加200块的收入，在达到一定规模之后（比如像黑龙江虎林的农户一样拥有400亩稻田），仍然能够产生可观的经济效益（每年种一季的经济回报增加8万元，如果再加上政府补贴就更可观了），农民从工厂回流土地且主动采用新的种植模式的意愿可能也会更强。一个与之类似的例子是控制化肥的过度使用。一项由中国农业大学、浙江大学和弗吉尼亚大学合作完成的有关减少中国农田化肥施用量的研究显示，增加农田规模可以显著减少单位面积农田的化肥施用量。

    研究人员指出，小农经营（平均面积小于0.5公顷）往往意味着低机械水平和高体力投入，这阻碍了基于科学知识的精准施肥技术的使用和管理；而且由于小农主可以通过在城市打工赚取收入，对于农田的经济依赖比大农场（平均面积大于30公顷）的职业农民更低，因此大农场对于化肥价格的波动以及减少化肥的使用更为敏感。由于中国有98%的农田都属于小农田，研究人员建议政策制定者更多地关注土地流转制度的建设，而不只是提高施肥技术。

本文首发于中外对话网站。

■ 作者：夏志坚，中外对话中文编辑，曾在多家媒体从事环境新闻报道工作。

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