中国中部南部双季稻栽培CH4和N2O排放特征及其环境成本评估

沈建凯

摘 要 CH4和N2O是水稻生产过程中产生的2种重要温室气体。本文评估了中国中部和南部双季稻生产CH4和N2O排放及潜在温室效应环境成本。通过评估1992～2011年华中、华南10省（区）CH4和N2O排放量和环境成本发现：（1）20 a间，华中、华南CH4和N2O年均排放总量变化趋势一致，呈“V”字走势，2003年为转折点。（2）1992～1996、1997～2001、2002～2006、2007～2011年华中、华南CH4和N2O年均排放量表现逐渐下降，近几年排放量有增加态势；单位面积排放量逐渐增加；CH4和N2O排放量对应环境成本变化与其一致。（3）华中CH4、N2O年均排放总量分别为200.13、0.66万t，单位面积排放量分别为234.89、0.89 kg/hm2。华南CH4、N2O年均排放总量分别为125.42、0.48万t，单位面积排放量分别为216.78、1.17 kg/hm2。（4）华中CH4、N2O年均排放量环境成本分别为7.05、0.41亿美元，单位面积成本分别为98.65、5.54美元/hm2；华南CH4、N2O年均排放量环境成本分别为4.60、0.40亿美元，单位面积成本为91.05、7.25美元/hm2。（5）华中的湖南和江西CH4、N2O分别占华中排放总量的68.02%、61.07%，华南的广东和广西CH4、N2O分别占华南排放总量的80.49%、75.51%，需重点考虑减少这些地区的CH4、N2O排放，降低生产环境成本。由此可见，中国中南部双季水稻种植CH4、N2O排放量和环境成本较高，需要采取符合实际情况的减排措施，适度降低温室气体排放量和环境成本。

关键词 双季稻；CH4；N2O；温室效应；环境成本

中图分类号 X511、S511 文献标识码 A

Abstract Paddy field is an important source of atmospheric CH4 and N2O. Based on the agricultural date from National Bureau of Statistics of China， from 1992 to 2011， the CH4 and N2O emission and its greenhouse effect environmental cost of double rice cropping in Central and South China were estimated and analyzed， and reduction methods of CH4 and N2O emission were recommended for rice cultivation. The results showed that（1）In Central and South China， the annual emission variation of CH4 and N2O had a similar“V”trend， and a turning point was happened in 2003.（2）The average annual emission of CH4 and N2O was gradually decreased every 5 years from 1992 to 2011， but the unit area emission of rice cultivation of CH4 and N2O were increased gradually. And the variation trend of environment cost of greenhouse effects of CH4 and N2O were the same as their emission trend.（3）In Central China， the average annual emission of CH4 and N2O was 200.13×104， 0.66×104 t respectively， and the unit area emission was 234.89， 0.89 kg/ha correspondingly. In South China， the average annual emission of CH4 and N2O was 125.42×104， 0.48×104 t， and the unit area emission was 216.78， 1.17 kg/ha respectively.（4）In Central China， the environment cost of greenhouse effects of CH4 and N2O was 7.05×109， 0.41×109 USD and the unit area cost was 98.65， 5.54 USD/ha， and in the South China， the environment cost of greenhouse effect of CH4 and N2O was 4.60×109， 0.40×109 USD and the unit area cost was 91.05， 7.25 USD/ha.（5）The highest of CH4 and N2O emission was in Hunan and Jiangxi in Central China， and that in South China they was in Guangdong and Guangxi. To reduce the emission of CH4 and N2O in these areas is of a top priority. According to the study， in Central and South China， the emission and environmental cost of CH4 and N2O was so high that it should be reduced in a manner of innovative rice planting technology.

Key Words Double rice cropping； CH4； N2O； Greenhouse effect； Environmental cost

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.033

水稻是全球主要粮食作物之一，中国水稻种植面积约占世界的18.72%（FAO 2012年统计数据，http：//faostat.fao.org/）。水稻生产过程中会产生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体。稻田温室气体产生是一个复杂的过程，有机质经微生物分解产生CO2，淹水发酵产生CH4，硝化、反硝化过程产生N2O，土壤微生物也可促进CO2、CH4和N2O排放[1]。水稻种植虽排放CO2，但也吸收利用CO2，绿色植物CO2固定和呼吸释放基本处于平衡态，所以水稻种植稻田产生的主要温室气体为CH4和N2O[2-4]。CH4和N2O温室气体排放产生的环境问题已引起了科学家的高度关注[5]。

据相关研究报道，1994年我国农业活动CH4排放量1 719.6万t，占中国CH4排放总量的50.15%，稻田CH4排放量为614.7万t，占中国CH4排放总量的17.9%[6]。王少彬等[7]采用IPCC方法估算中国1990年旱作地N2O排放为6.3万t；王智平[8]估算我国农田N2O年排放总量为18.06万t；王明星等[9]利用相关模型估算中国稻田CH4年排放总量在967～1 266万t之间。李艳春等[10-11]估算了福建农业源CH4和N2O排放量发现，稻田是农业CH4温室气体主要排放源，福建稻田CH4排放量1991～1995年均值31.11万t，2006～2010年年均值仅为18.80万t；农业生态系统N2O排放从1991年2.62万t增加到2010年的3.13万t，农田排放量占总排放量66.2%，但并未对水稻生产产生的N2O排放量做出评估。王平等[12]采用CH4 MOD模型估算了我国1955～2005年稻田CH4排放量发现，从20世纪60年代到90年代，CH4排放量逐渐增加，主要集中分布在华中和华南地区的湖南、湖北、江西、广东、广西、江苏和安徽，其排放总量约占全国稻田CH4排放总量的73.2%。我国亚热带和热带地区水稻主产省份湖南、湖北、浙江、安徽、江西、福建、广东、广西、云南、海南等10省（区）2011年稻谷播种面积占全国的62.56%（国家统计局数据），稻谷总产量占全国的58.15%，是中国中部、南部双季稻主要生产区。为此，笔者初步评估了该地区1992～2011年双季稻栽培CH4和N2O排放及其排放潜在温室效应的环境成本，为进一步提出符合当前实际情况、在技术上可行的减排减量温室气体控制措施，并为实现增加水稻生产保障粮食安全与水稻生产环境保护问题的协调解决提供参考。

2 结果与分析

2.1 稻田CH4和N2O排放量与排放特征

2.1.1 CH4排放量与排放特征 根据中国中南部双季稻主要产区10省（区）1992～2011年稻田CH4排量走势（图2），除海南和云南年度变化幅度不明显外，其它8省（区）稻田CH4排放量于1992年开始逐渐下降，2003年排量下降至最低点；2003年之后湖南、江西地区CH4排放量逐年快速增加，其它省份（区）排放量趋于平缓增加。1992～1996、1997～2001、2002～2006、2007～2011年华中和华南地区CH4年均排放量分别为247.89、216.74、159.17、176.71万t和140.01、142.45、113.66、105.56万t。

华中、华南10省（区）20 a稻田CH4年均排放量中，湖南居首（77.23万t），占年均CH4排放总量23.72%；排放量最低则是云南（2.03万t），仅占年均排放总量0.62%。华中CH4年均排放量200.13万t，华南（125.42万t）为华中的62.67%。华中湖南排放量最高，占华中总排量38.59%，安徽（15.33万t）最低；华南广东（54.24万t）CH4排放量最高，占华南地区的43.25%，云南最低。

1992～2011年20 a华中、华南10省（区）稻田CH4单位面积排放量（图3），除湖北和广东有逐年下降趋势外，其它8省（区）单位稻田面积CH4排放量逐年增加，且递增速率不同。1992～1996、1997～2001、2002～2006、2007～2011年华中和华南地区的CH4单位面积排放量分别为230.25、233.75、232.48、243.08 kg/hm2和208.39、216.73、214.88、227.12 kg/hm2，均表现逐渐增加。

10省（区）20 a稻田CH4单位面积排放量湖南和湖北最高，分别249.96和250.75 kg/hm2，最低海南为173.91 kg/hm2，仅为湖北的69.35%。华中CH4单位面积平均排放量234.89 kg/hm2，华南为（216.78 kg/hm2）华中的92.29%，华中和华南地区CH4单位种植面积排放数量接近。华中湖北和湖南单位面积排放量最高，安徽（208.74 kg/hm2）省最低；华南地区云南以241.72 kg/hm2排放量居首，海南（173.91 kg/hm2）最低，为云南的71.95%。3 讨论与结论

1992～2011年华中和华南10省（区）CH4和N2O年均排放量除海南和云南表现年际变化较小或略微增加外，其它省（区）均表现为1992～2003年处于下降态势，2003年以后呈增加态势，但速率不同，这与华中、华南在国家生产粮食政策引导下双季稻播种面积变化趋势一致。稻田CH4和N2O温室气体的排放量受稻作制、水稻品种、土壤理化性质、生态气候条件及水肥田间管理措施等因素的综合影响[22-28]，在不同生态条件下，稻田CH4和N2O排放均存在差异，研究结果具有一定的不确定性。但以本文方法估算福建、湖南稻田CH4排放量估算结果与李艳春[10]、乐群[29]研究结果基本一致，从这个意义上讲，该研究结果在实践中具有一定参考价值。中国中南部10省（区）双季稻种植年均CH4和N2O排放量325.55万t和1.14万t，对应潜在温室效应环境成本分别是13.67亿美元和0.71亿美元；华中双季稻种植CH4和N2O排放量为200.13万t和0.66万t，对应环境成本分别为8.41亿美元和0.41亿美元；华南双季稻种植CH4和N2O排放量为125.42万t和0.48万t，对应环境成本分别为5.27亿美元和0.30亿美元。由此可见，中国中南部地区双季稻种植CH4和N2O排放量和对应的环境成本均较高，且CH4排放量大于N2O排放量，CH4环境成本大于N2O环境成本；CH4、N2O排放量和环境成本均是华中大于华南。从单位水稻种植面积CH4、N2O排放量及环境成本来看，华中地区CH4、N2O单位面积排放量分别为234.89、0.89 kg/hm2，对应单位面积环境成本分别为98.65、5.54美元/hm2；华南CH4、N2O单位面积排放量分别为216.78、1.17 kg/hm2，对应单位面积环境成本为91.05、7.25美元/hm2。单位水稻种植面积CH4排放量和环境成本华中高于华南，N2O排放量和环境成本则华中低于华南。华中地区湖南和江西的CH4、N2O排放量分别占华中排放总量的68.02%、61.07%，华南地区广东和广西的CH4、N2O分别占华南排放总量的80.49%、75.51%。由此可见，华中的湖南、江西和华南的广东、广西是CH4和N2O排放量较大的地区，应优先考虑减少这些地区稻田CH4和N2O温室气体的排放。

粮食安全是永恒的主题，农业生态环境恶化问题也日益突出，在粮食生产中应当积极利用科技成果，采用稻-鸭生态种养[30-32]、肥料替代[33-34]、间歇或湿润灌溉[35]、提高氮肥利用率[36]、长效肥料与控释肥技术[37]、生物抑制剂[38]等技术减少水稻生产温室气体的排放。水稻生产实践中，既不能一味追求粮食产量而忽略生态保护，也不能盲目减少粮食生产而保护环境，需研究符合国情的可实现水稻生产经济效益、生态效益双赢的水稻栽培技术与模式。

参考文献

[1] 李长生， 肖向明， Frolking S， 等. 中国农田的温室气体排放[J]. 第四纪研究， 2003， 23（5）： 43-503.

[2] Matthews R， Wassmann R. Modelling the impacts of climate change and methane emission reductions on rice production： A review[J]. European Journal of Agronomy， 2003， 19（4）： 573-589.

[3] OECD. Environmental indicators for agriculture methods and results， Executive Summary[R]. Paris： OECD， 2000.

[4] 王 斌， 李玉娥， 万运帆， 等. 控释肥和添加剂对双季稻温室气体排放影响和减排评价[J]. 中国农业科学， 2014， 47（2）： 314-323.

[5] Rodhe H. A comparison of the contribution of various gases to the greenhouse effect[J]. Science， 1990， 248（4960）： 1 217-1 219.

[6] 《气候变化初始国家信息通报》编委. 中华人民共和国气候变化初始国家信息通报[M]. 北京： 中国计划出版社， 2004： 15-20.

[7] 王少彬， 苏维翰. 中国地区氧化亚氮排放量及其变化的估算[J]. 环境科学， 1993， 14（3）： 42-46.

[8] 王智平. 中国农田N2O排放量的估算[J]. 农村生态环境， 1997， 13（2）： 51-55.

[9] 王明星， 李 晶， 郑循华. 稻田甲烷排放及产生转化输送机理[J]. 大气科学， 1998， 22（4）： 600-610.

[10] 李艳春， 王义祥， 王成己， 等. 福建省农业源甲烷排放估算及其特征分析[J]. 生态环境学报， 2013， 22（6）： 942-947.

[11] 李艳春， 王义祥， 王成己， 等. 福建省农业生态系统氧化亚氮排放量估算及特征分析[J]. 中国生态农业学报， 2014， 22（2）： 225-233.

[12] 王 平， 黄 耀， 张 稳. 1955-2005年中国稻田甲烷排放估算[J]. 气候变化研究进展， 2009， 5（5）： 291-297.

[13] 梅方权， 吴宪章， 姚长溪， 等. 中国水稻种植区划[J]. 中国水稻科学， 1988， 2（3）： 97-110.

[14] IPCC. IPCC Guidelines for national greenhouse gas inventories[R]. Paris： IPCC， 2006.

[15] 谢小立， 王卫东， 上官行健， 等. 亚热带红壤性稻田的甲烷排放[J]. 热带亚热带土壤科学， 1995， 4（2）： 67-72.

[16] 武深树， 谭美英， 黄 璜， 等. 湖南洞庭湖区畜禽养殖环境成本评估[J]. 湖南农业大学学报（自然科学版）， 2009， 35（5）： 565-571.

[17] 曹志平. 全球温室气体排放概况[J]. 生态学杂志， 1998， 17（1）： 73-74.

[18] 世界银行《碧水蓝天》编写组. 碧水蓝天： 展望21世纪的中国环境[M]. 云 萍， 祁 忠， 译. 北京： 中国财政经济出版杜， 1997： 89-104.

[19] IPCC. IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. volume 4： Agriculture， forestry， and other land use[M]. Paris： OECD， 2006： 475-505.

[20] 张 强， 巨晓棠， 张福锁. 应用修正的IPCC2006方法对中国农田N2O排放量重新估算[J]. 中国生态农业学报， 2010， 18（1）： 7-13.

[21] Gao B， Ju X T， Zhang Q， et al. New estimates of direct N2O emissions from Chinese croplands from 1980 to 2007 using localized emission factors[J]. Biogeosciences， 2011， 8： 3 011-3 024.

[22] 傅志强， 黄 璜， 陈 灿， 等. 稻-鸭复合系统中灌水深度对甲烷排放的影响[J]. 湖南农业大学学报（自然科学版）， 2006， 32（6）： 632-636.

[23] 李成芳， 曹凑贵， 展 茗， 等. 稻鸭共作生态系统中氧化亚氮排放及温室效应评估[J]. 中国农业科学， 2008， 41（9）： 2 895-2 901.

[24] 段彬伍， 卢婉芳， 陈 苇， 等. 种植杂交稻对甲烷排放的影响及评价[J]. 中国环境科学， 1999， 19（5）： 397-401.

[25] 周 清， 荣湘民， 黄运湘， 等. 红壤性水稻土甲烷排放规律研究I. 不同稻作制模拟小区甲烷排放规律[J]. 湖南农业大学学报， 2000， 26（1）： 72-75.

[26] 张岳芳， 周 炜， 陈留根， 等. 太湖地区不同水旱轮作方式下稻季甲烷和氧化亚氮排放研究[J]. 中国生态农业学报， 2013， 21（3）： 290-296.

[27] 唐海明， 肖小平， 帅细强， 等. 双季稻田种植不同冬季作物对甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 生态学报， 2012， 32（5）： 1 481-1 489.

[28] 吕雪娟， 杨 军， 陈玉芬， 等. 广州地区早稻品种与施肥对稻田甲烷排放通量的影响研究[J]. 华南农业大学学报， 1998， 19（4）： 90-94.

[29] 乐 群， 张国君， 王 铮. 中国各省甲烷排放量初步估算及空间分布[J]. 地理研究， 2012， 31（9）： 1 559-1 570.

[30] 黄 璜， 杨志辉， 王 华， 等. 湿地稻鸭复合系统的CH4排放规律[J]. 生态学报， 2003， 23（5）： 929-934.

[31] Long P， Huang H， Liao X， et al. Mechanism and capacities of reducing ecological cost through rice-duck cultivation[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture， 2013， 93（12）： 2 881-2 891.

[32] 向平安， 黄 璜， 黄 梅， 等. 稻-鸭生态种养技术减排甲烷的研究及经济评价[J]. 中国农业科学， 2006， 39（5）： 968-975.

[33] 李 晶， 王明星， 陈德章， 等. 水稻田甲烷的减排方法研究及评价[J]. 大气科学， 1998， 22（3）： 354-362.

[34] 董红敏， 李玉娥， 陶秀萍， 等. 中国农业源温室气体排放与减排技术对策[J]. 农业工程学报， 2008， 24（10）： 269-273.

[35] 邵美红， 孙加焱， 阮关海. 稻田温室气体排放与减排研究综述[J]. 浙江农业学报， 2011， 23（1）： 181-187.

[36] 黄 耀. 中国的温室气体排放减排措施与对策[J]. 第四季研究， 2006， 26（5）： 722-732.

[37] 李方敏， 樊小林， 刘 芳， 等. 控释肥料对稻田氧化亚氮排放的影响[J]. 应用生态学报， 2004， 15（11）： 2 170-2 174.

[38] 周礼恺， 徐星凯， 陈利军， 等. 氢醌和双氰胺对种稻土壤N2O和CH4排放的影响[J]. 应用生态学报， 1999， 10（2）： 189-192.