一、减少农业碳减排的背景和意义
气候变化是当今世界所共同面临的最严峻的环境挑战之一，碳排放量逐年增加是导致全球气候变化的一个重要因素。全球气候变化不仅影响经济的可持续发展而且也影响人类生存环境，对生态系统及社会经济系统均产生了巨大影响。如近年来的冰川融化、海平面上升、极端干旱、极端高温、极端降水等极端事件频发，以及作物生产力的降低等一系列由全球气候变化带来的负面影响不容忽视。通过减少温室气体排放来应对气候变化已成为全球共识，被联合国列入可持续发展目标之一。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减少温室气体排放，中国因此提出碳达峰和碳中和的目标。
农业是受全球气候变化冲击最大的行业，气候变化将增加农业生产的不稳定性，使产量波动幅度增大。同时，农业生产也是温室气体的主要贡献者之一，是全球温室气体排放的第二大重要来源。
农业源温室气体排放主要包括反刍动物甲烷排放、水稻种植过程中甲烷排放、施肥造成的氧化亚氮排放和动物废弃物管理过程中的甲烷和氧化亚氮排放。据联合国粮食与农业组织（FAO）的统计，农业用地释放出的温室气体超过全球人为温室气体排放总量的30%，相当于每年产生亿吨的二氧化碳。
减少农业源温室气体排放对控制全球气候变化具有重要作用，尤其是在未找到控制工业温室气体排放的替代技术前的最近20~30a间，农业减排成为缓解大气温室气体浓度升高的关键。全球各个国家都非常重视农业碳减排，美国在年就成立了农业温室气体减排协作机构（CASMGG）。中国科技部年就已经启动了一个特别行动计划，该计划强调，农业和土地利用是中国减少温室气体排放的一种可行的途径。
~年，各发达国家在农业碳减排方面效果显著，排在前三的分别为英国（-21.2%）、日本（-17.5%）、法国（-8.9%）。中国是人口众多的农业大国，农业生产活动基数数量大、增长快，如果没有相应的减排措施，农业源温室气体排放量也会相应的较大。
统计表明，中国农业碳排放量占全部碳排放量的17%。发展低碳农业，是实现我国全面节能减排目标的重要举措。
农业温室气体减排相比能源、运输以及林业在成本上更具竞争力，且农业温室气体减排的投资产生的效益是多重的。一方面，可以减少温室气体排放，提高资源的使用效率，降低生产成本；另一方面，可以增加农业生态系统对气候变化的适应性。目前，中国正处在农业绿色转型与高质量发展的关键期，农业发展绿色化、低碳化是大势所趋，减少农业温室气体排放对促进农业可持续发展及实现年碳中和有重要作用。
二、稻田碳排放现状
水稻生产过程期间的碳排放包括直接碳排放和间接碳排放，直接碳排放是指水稻、土壤以及微生物等生产过程产生的以CO2、CH4
以及N2O等温室气体形式释放的碳，约占水稻生产碳排放总量的70%；其中以CH4形态为主的碳排放约占60%以上，是水稻生产减排的重中之重。
间接碳排放是指在水稻生产中以种子、化肥、农药、燃油以及电能等农业生产资料形式释放的碳，约占水稻生长碳排放总量的30%；其中氮肥、磷肥和钾肥等肥料投入是间接碳排放的主要来源，在间接碳排放中的占比为33.0%~49.0%。因此，减少稻田碳排放主要是减少直接碳排放中CH4的排放量。
CH4作为一种重要的温室气体，其引起的温室效应仅次于二氧化碳，且气体浓度正以每年约1%的速度增长，对全球温室效应的贡献高达15%。大气中约有50%~65%的CH4排放由人类活动产生，而稻田CH4是一个重要人为排放源，水稻种植过程中产生的CH4约占全球农业生产活动CH4总排放量的10%~20%，稻田CH4的排放已成为应对气候变化的一大威胁。
全球稻田每年甲烷排放量为25~50Tg。稻田CH4排放对大气CH4浓度变化起着至关重要的作用。我国是世界上最重要的水稻生产国，水稻种植面积约0.3亿hm2，占世界水稻种植面积的19%，位居世界第二。其中，93%为人工灌溉稻田，5%为雨水灌溉低洼稻田，2%为旱地稻田。中国稻田排入大气中的CH4占全世界水田土壤CH4排放总量的30%左右。预计到年，全球水稻产量仍需提高30%左右才能满足人口增长和经济发展对稻米的需求，基于这种背景下，稻田CH4排放量将呈现不断增加的趋势。
三、影响稻田碳排放的水分管理方式
稻田CH4排放主要受土壤微生物和稻田理化性质调控。CH4主要受土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌调节，土壤的氧化还原特性影响土壤甲烷排放功能微生物代谢。淹水条件下，土壤还原性强，CH4氧化途径受到抑制，厌氧环境促进CH4的生成。因此，与土壤氧化还原电位密切相关的土壤水分状况对稻田CH4的产生起决定性作用。而不同的水分管理措施又直接导致水稻生长期土壤水分状况具有不同的变化规律。稻田排水烤田及较高的下渗速度都会促进氧气进入到土壤中，有利于提高土壤氧化还原电位，抑制甲烷生成，提高甲烷氧化能力。
稻田水分管理措施主要有灌溉、排水、烤田或间歇烤田等。灌溉通过改变土壤通气状况、土壤水分状况以及促进水稻根系和植株生长等，对CH4排放会产生直接或间接的影响。水稻作为耗水作物，其灌溉用水约占农业灌溉用水的60%~70%。水稻灌溉模式主要有以下几种：（1）淹水灌溉：稻田长期维持一定水分，又分浅水灌溉（3~5cm水层）和深水灌溉（10cm或以上水层）；（2）常规灌溉：前期淹水灌溉，分蘖后期晒田，孕穗前回水后干湿交替灌溉，至收获前1周排水；（3）常湿灌溉：稻田土壤湿度维持定常。（4）干湿交替灌溉：水稻生育进程中，保持田间一段时间内有水层，然后让其自然落干、再灌溉浅水层、再落干，保持土壤有水层与自然落干循环的一种灌溉方式。
不同灌溉模式对稻田甲烷排放的影响不同。与常灌相比，除淹水淹灌促进稻田CH4排放外，深水淹灌灌溉、常规灌溉和控制灌溉（好氧灌溉）都能减少稻田甲烷的排放。深水灌溉通过较深的水阻碍了厌氧环境下所产生的甲烷由下至上的传输，并有利于保持土壤中有机物，但由于耗水量大，操作复杂，且不利于水稻产量形成，深水灌溉不是理想的减排方法。
常湿灌溉也会使水稻减产，也不够理想。间歇晒田被证明是一种好的减排措施。在灌溉条件良好的情况下，干湿交替灌溉能显著改善稻田通气状况，破坏厌氧条件，显著减少稻田甲烷的排放，且间歇灌溉可节省灌溉用水总量25%左右，可作为控制甲烷排放的有效措施。
上述不同水分灌溉方式影响稻田甲烷排放的根本原因是改变了根际氧环境，据此，中国水稻研究所研发了“一种通过改变根际氧环境减少稻田甲烷排放的方法”（发明专利 ZL.X），同时提出了好氧碳减排的灌溉模式，即在水稻种植过程中，利用稻田CH4产生需要长期淹水厌氧环境，而浅水与湿润交替灌溉可以提高土壤氧化还原电位，抑制产甲烷菌的活性并减少甲烷生成的原理，结合水稻的生理需求和生态需求，科学合理的控制稻田水量，形成的浅、干、湿灵活调节的稻田CH4低排放的水分管理模式。
同时该水分管理模式创造良好的土壤氧化还原环境，可增强水稻根系活力，促进水稻植株健壮生长，从而达到减排而不减产的目的。运用该技术可以减少水稻生长过程中的30-60%的CH4排放量，综合增温潜势减少40~60%。目前中国水稻研究所已在全国范围内推广这项技术，水稻好氧灌溉技术近年在全国年应用面积达到万亩左右，通过好氧灌溉减少稻田碳排放，应用前景广阔。
作者：中国水稻研究所徐春梅、王丹英
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