水稻生产碳中和现状及低碳稻作技术策略

陈松文刘天奇，曹凑贵，凌霖，王斌

1.华中农业大学植物科学技术学院/农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室，武汉 430070； 2.华中农业大学植物科学技术学院/宏观农业研究院，武汉 430070； 3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081

全球变暖是当前及未来人类社会面临的主要环境挑战，减少温室气体排放是应对气候变化的重要举措。习总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布力争在2030年前碳达峰，努力争取2060年实现碳中和；党的十九届五中全会提出要加快推动绿色低碳发展。中国农业排放约占二氧化碳当量(CO2-eq，下同)排放总量的5.4%，其中水稻种植约占农业CO2-eq排放总量的16%；长江中下游地区稻作面积约占中国的50.6%，是中国水稻温室气体排放的重点区域；加之水稻生产氮肥损失大、生产投入高、环境负荷重等问题突出。因此，认清区域水稻种植碳排放特征，明晰不同农艺措施对水稻种植碳排放的影响规律，探讨水稻生产固碳减排策略，对于推动长江中下游水稻绿色生产，走低碳稻作发展之路，助力实现国家碳中和具有重要意义。

1 水稻生产兼具碳汇和碳源双重功能

水稻生产具有碳汇和碳源双重功能(图1)。碳汇功能表现为水稻生产期间，水稻光合作用将CO2和水合成碳水化合物储存，并以根茬、秸秆及凋落物等形式移至土壤中，碳固定主要包括秸秆固碳、根系固碳和土壤固碳三部分。碳源功能表现为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，直接碳排放是指在水稻、土壤及微生物等生态过程产生的以CO2、CH4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60%；间接碳排放是指在水稻生产中以种子、化肥、农药、农膜、燃油及电能等农业生产资料形式释放的碳，约占水稻生产碳排放总量的40%[1]。水稻碳中和水平是碳固定量与碳排放量的差值，零值表示碳中和，正值表示碳盈余，负值表示碳损失，其计算公式为：

图1 水稻生产系统的碳汇、碳源示意图Fig.1 Schematic diagram of carbon sink and carbon source in rice production system

区域碳中和=∑[不同类型水稻播种面积×

(单位面积)碳中和]

(1)

碳中和=碳固定-碳排放

(2)

碳固定=秸秆固碳量+根系固碳量+土壤固碳量

(3)

秸秆固碳量=秸秆生物量×秸秆含碳量

(4)

(5)

根系固碳量=根系生物量×根系含碳量

(6)

(7)

土壤固碳量=有机质变化量×土壤容重×

耕作层厚度×0.37

(8)

碳排放=直接碳排放+间接碳排放

(9)

直接碳排放=(甲烷累积排放量×25+

(10)

间接碳排放=∑(生产资料投入量×

碳排放系数)

(11)

(12)

表1 农业生产资料的碳排放系数Table 1 Emission factors of carbon of differentmaterials for agricultural imputs

中国水稻常年播种面积稳定在30 Mhm2以上，按年均200 Mt籽粒产量核算，我国秸秆固碳量约为65 Mt，根系固碳量约为11 Mt；按我国30年来土壤有机质变化-0.07～0.30 g/(kg·a)[2]核算，土壤固碳量约为-2.07～7.65 Mt，水稻生产的总固碳量约为73.93～83.65 Mt。按中国水稻种植直接CO2-eq排放量142.88～163.2 Mt换算，我国水稻生产直接碳排放量约为38.97～44.51 Mt，间接碳排放量约为29.67 Mt，总碳排放量约为68.64～74.18 Mt；碳中和状态为-0.25～15.01 Mt。由此可见，我国的水稻生产有可能成为碳源，也有可能成为碳汇。

水稻生产的碳汇和碳源功能受到多种因素调控。碳汇功能与水稻品种、稻作模式、耕作方式、水肥及残茬管理、气候及土壤类型等相关；而碳源功能与播种面积、农资及人力投入(尤其是氮肥投入)、耕作及管理过程、气候及土壤类型等相关。不合理的耕作方式与水肥管理措施不仅影响水稻固碳，还会消耗土壤有机质，降低稻田土壤碳汇功能，加之化肥农药等过量投入增加间接碳排放，导致水稻生产碳盈亏，当前水稻生产仍然面临着较高的碳风险；针对区域气候土壤特点，从区域布局、品种结构、稻作模式、耕作方式、管理举措等方面进行技术创新，增强稻田土壤固碳、减少温室气体排放、降低农资能耗，通过固碳减排稳步提升碳盈余量，可提高水稻生产碳中和水平。

2 长江流域水稻生产碳排放及碳中和现状

长江中下游水稻种植面积约15.33 Mhm2，产量约109 Mt，分别占全国的51.7%和52.7%，是国家水稻生产重要功能区，也是温室气体排放主要区域，区域水稻生产碳排放总量约36.32 Mt C-eq，约占中国水稻种植的碳排放总量的50.86%。

2.1 不同省(市)稻田碳排放与碳中和

长江中下游各省(市)稻田碳排放和碳中和现状差异较大(表2)，主要受水稻播种面积、产量以及稻田管理等因素影响。从碳排放来看，湖南、江西和安徽3个省碳排放总量约占区域的64.7%，是长江中下游地区水稻生产减排工作的重点省区；各省(市)直接碳排放约占65%～73%，表明降低以CH4和N2O形式的直接碳排放是各省市水稻生产减排的重点。从碳固定来看，碳固定总量与省(市)的水稻产量相关，湖南省固碳量最高，达9.24 Mt C-eq。从碳中和来看，除安徽省和江西省外其他省(市)均实现碳中和并呈现碳盈余状态，且江苏和湖南省碳盈余量相对较高。

表2 长江中下游地区水稻生产及碳排放数据Table 2 Rice production and carbon emission in the middle and lower reaches of the Yangtze River

2.2 不同稻作模式碳排放与碳中和

1)碳排放。中稻休闲、稻油模式、再生稻模式和双季稻模式的碳排放量较高，均在5 000 kg C-eq/(hm2·a)以上，而稻鸭模式碳排放量最小，为3 076 kg C-eq /(hm2·a)(图2)，这是由于中稻休闲、稻油和再生稻模式具有较高的CH4和N2O排放量；在各稻作模式中CH4和N2O所产生的直接碳排放是碳排放的主要来源，其占比在41.9%～61.7%，其中CH4是水稻生产中直接碳排放的主要形式；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，减少稻田直接碳排放是稻作模式降低碳排放的重点，尤其是降低稻田CH4排放量；减少稻作模式间接碳排放的关键是控制化肥投入。

1)模式编码解释及数据来源。RF：中稻休闲模式[13,15，17-20]； RR：稻油轮作模式[17,21-23]； RW：稻麦轮作模式[14,16，24]； RC：稻虾共作模式[13]； RD：稻鸭共育模式[18]； DR(X)：双季稻及双季稻复合模式[3,5-6,9,17,24]； RTR(X)：再生稻及再生稻复合模式[17,25]； 下同。2)碳中和=碳固定-碳排放，正值表示碳盈余，负值表示碳损失。1)Mode code explanation and data source. RF:Middle-season rice monoculture mode; RR:Rice-rapeseed rotatiom mode; RW:Rice-wheat rotation mode; RC:Rice-crayfish co-culture farming; RD:Rice-duck farming; DR(X):Double rice farming(X:Winter crop); RTR(X):Ratoon rice(X:Winter crop),the same as below. 2)Carbon neutral is equal to carbon sequestration minus carbon emissions,a positive value indicates a carbon surplus,a negative value indicates a carbon loss.

2)碳固定。双季稻模式和再生稻模式的固碳量较高，均在6 000 kg C-eq/(hm2·a)以上，而稻鸭模式和稻虾模式的固碳量较低(图2)，这是由于双季稻和再生稻模式具有较高的秸秆产量，秸秆是碳固定的主要形式，其占比85%～88%，根系在碳固定总量占比10%～12%，土壤固碳相对较少，有些出现碳盈亏，这也是水稻生产碳中和的短板。

不同稻作模式碳中和水平为-401～2 673 kg C-eq /(hm2·a)(图2)，双季稻模式最高，为581 kg C-eq/(hm2·a)，稻鸭模式碳盈余最低，为354 kg C-eq/(hm2·a)，但总体上，稻麦、双季稻和再生稻模式碳盈余量较低，面临较大碳中和风险，而中稻休闲、稻油、稻鸭和稻虾模式均为碳损失。

3)全球增温潜势(global warming potenticl,GWP)。从图3可以看出，稻油轮作模式、双季稻模式和中稻休闲模式增温潜势较高；而稻麦模式、稻虾模式和稻鸭模式相对较低，稻鸭模式最低。双季稻和再生稻模式属于高产高排型，稻麦模式、稻虾模式、稻鸭模式及稻油模式属于低产低排型，中稻休闲模式属于高排放型；如何从农艺措施角度协调产量与碳排放关系，实现高产低排是低碳稻作的方向。

图3 长江中下游地区不同稻作模式水稻产量与增温潜势Fig.3 Rice yield and global warming potential(GWP)under various rice cultivation modes in the middleand lower reaches of the Yangtze River

3 不同农艺措施对稻田固碳减排的影响

水稻生产的碳源和碳汇功能受多种因素影响，明确相应气候、土壤条件下农艺措施对稻田碳源和碳汇功能的影响规律，有助于挖掘水稻生产固碳减排的潜力。

3.1 不同农艺措施固碳减排效果及差异

1)免耕。与翻耕相比，稻田免耕均能降低CH4排放量，其中双季稻模式CH4减排效应最明显；稻田免耕也增加了N2O排放量，增幅15%～17%；免耕对水稻产量影响较小，变幅-5.7%～1.8%；和翻耕相比，免耕降低了7.7%～41.3%的增温潜势(表3)。

2)秸秆还田。秸秆是水稻生产碳吸收的重要形式，秸秆还田虽然增加了稻田温室气体排放，但也增加了系统碳固定量，是土壤碳汇的重要来源。与不还田相比，稻田秸秆还田均增加了7.1%～737.0%的CH4排放量；而对N2O排放量的影响不定且幅度较小，变幅-88.4%～134%；秸秆还田对水稻产量影响不定，变幅-6.9%～13.5%；总体而言，秸秆还田增加了增温潜势，变幅-6.5%～684.7%(表3)。

3)氮肥减施。与常规施氮相比，稻田氮肥减施均降低了CH4排放量，降幅4.6%～45.5%；且降低了N2O排放量，降幅51.6%～96.1%；氮肥减施对水稻产量有一定减产效应，降幅在10.1%～64.4%；和常规施氮相比，氮肥减施降低了增温潜势，降幅27.9%～48.0%(表3)。

4)间歇灌溉。与常规淹灌相比，间歇灌溉均降低了CH4排放量，降幅46.4%～66.3%；却显著增加了N2O排放量，增幅53.4%～2 500%；间歇灌溉略微增加水稻产量，增幅0～18.8%；和常规淹灌相比，间歇灌溉均降低了增温潜势，降幅42.7%～54.6%(表3)。

5)稻田种养。与中稻单作相比，稻田种养降低了CH4排放量，降幅19.0%～19.5%；但增加12.9%～27.4%的N2O排放量；稻田种养稳定甚至增加了水稻产量，尤其是稻虾模式增幅近14.87%；多种稻田种养模式均降低了增温潜势，降幅16.5%～17.5%(表3)。

表3 农艺措施对稻田固碳减排的影响与潜力Table 3 Effects and potential of agronomic measures on carbon sequestration and emission reduction in rice fields

3.2 不同农艺措施固碳减排潜力

1)免耕。与翻耕相比，免耕均降低了碳排放，减排潜力181～1 504 kgC-eq /(hm2·a)；而对碳固定影响不确定，范围-457～93 kg C-eq /(hm2·a)；碳中和变化-150～1 194 kg C-eq /(hm2·a) (表3)；免耕主要是通过减排实现碳盈余(图4)。

2)秸秆还田。与不还田相比，秸秆还田均增加了碳排放，增加潜力162～7 955 kg C-eq /(hm2·a)；秸秆还田因秸秆碳的返还而显著增加碳固定量，范围1 026～6 989 kg C-eq/(hm2·a)；碳中和变化-6 325～3 324 kg C-eq/(hm2·a) (表3)；秸秆还田主要是通过增汇实现碳盈余(图4)。

3)氮肥减施。与常规施氮相比，氮肥减施既降低了碳排放也降低了碳固定，碳排放增加潜力2 014～3 954 kg C-eq /(hm2·a)，主要是因为氮肥减施显著降低间接碳排放；碳固定降低1 020～2 804 kg C-eq /(hm2·a)，虽然碳中和变化-703～2 933 kg C-eq /(hm2·a) (表3)，但总体而言，施肥主要是通过影响碳汇及碳排实现碳盈余(图4)。

4)间歇灌溉。与常规淹灌相比，间歇灌溉均减少了碳排放，减排潜力365～2 541 kg C-eq /(hm2·a)，而对碳固定影响不确定，变化范围-822～469 kg C-eq /(hm2·a)，但均实现了碳盈余，变化范围834～2 682 kg C-eq /(hm2·a) (表3)，间歇灌溉主要通过减排实现碳盈余(图4)。

5)稻田种养。与常规稻作相比(表3)，稻田种养均降低了碳排放，减排潜力284～476 kg C-eq/(hm2·a)；对碳固定影响不确定，范围-18～1 141 kg C-eq/(hm2·a),碳中和变化266～1 617 kg C-eq/(hm2·a)；稻田种养主要是通过减排及碳循环利用实现碳盈余(图4)。

图4 农艺措施对水稻生产固碳减排的影响Fig.4 Effects of agronomic measures on carbon sequestration and emission reduction in rice production

4 低碳稻作与稻田固碳减排技术体系

低碳稻作是以高产、低排、高效为目标，以增加碳汇、减少碳排、降低能耗、促进循环为路径，从品种结构、稻作模式、耕作方式、管理举措等方面协调水稻生产碳源和碳汇功能，实现高效率、低能耗、低碳排、高碳汇的稻作体系[34]。构建低碳稻作体系应从4个方面着手(图5)：一是控制碳的生产性输入及消耗;二是减少水稻生产系统的碳排放;三是增加水稻生产系统的碳汇;四是提高水稻生产系统的碳利用效率，构建“增汇优先、减耗为主、减排为重、循环利用”的低碳稻作体系[35]。

图5 低碳稻作理论与技术体系图Fig.5 Theoretical and technical system map of low-carbon rice farming

4.1 增汇优先，增汇是实现水稻生产低碳高产、生态安全的核心内容

增加CO2的吸收、转化、固定能力是减缓全球变暖的根本。增强水稻生产碳汇功能一方面要提升水稻生产力，另一方面要增强碳储存能力，重点在于增加土壤碳汇。增强土壤碳汇核心是提高土壤有机质含量，技术途径有：(1)通过秸秆还田、绿肥种植、有机肥及人粪畜尿、植被覆盖等措施增加土壤有机质来源量;(2)通过复种轮作、土地整治、土壤改良、土壤修复、配方施肥等改善土壤环境从而增加土壤有机碳容量;(3)通过控制施肥、合理轮作、保护性耕作、少免耕等措施减少土壤有机质消耗量，从而保证土壤有机碳储量增加。

4.2 减耗为主，减耗是实现水稻生产低碳高产、资源安全的主导内容

水稻生产因农资及能源投入产生的间接碳排放约占碳排放总量的38.33%～58.07%,是水稻生产中高耗能、高排放的重要原因。减少水稻生产能耗，既要从投入上减少肥料、农药、水资源及能源消耗，也要从过程上提升化肥、农药等资源利用效率，从而降低碳成本提升碳效率。减少碳排放的技术路径有：(1)通过合理轮作、种养结合、绿肥种植、氮肥深施、配方施肥等途径实现减肥；(2)通过抗病虫新品种培育、利用天敌、生物农药、生物修复、种间关系等实现减药；(3)通过干湿交替间歇灌溉、节水抗旱品种等实现节水；(4)通过少免耕、生物耕作、一体化联合机械作业等实现节能。

4.3 减排为重，减排是实现水稻生产低碳高效、环境安全的根本要求

稻田直接碳排放约占碳排放总量的50%～80%，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。减少稻田直接碳排放尤其是CH4排放的路径有：(1)通过稻田种养、合理水肥管理、少免耕及低排品种种植等途径减少稻田直接碳排放；(2)通过使用新型肥料及先进施肥技术提高利用效率减少化肥施用从而抑制土壤有机质分解，降低土壤CO2及N2O的排放。

4.4 循环利用，循环是提升水稻生产碳效率，降低污染的重要途径

水稻生产模式结构单一，系统稳定性差，不仅造成土壤肥力下降，而且产生大量“废弃物”造成浪费；构建水稻生产循环体系，是实现秸秆等副产物资源化利用、促进水稻生产碳循环、提高碳效率的重要途径。技术途径有：(1)农田生产层面通过秸秆还田、稻田种养、用养结合等途径实现稻田小循环；(2)产业层面通过水稻种植业与畜禽养殖及食用菌栽培相结合实现副产物物质和能量的多级多层次利用；(3)区域层面通过区域内种养加产业链间耦合，实现资源在不同组织和产业间的充分利用。

5 展 望

水稻种植作为农业温室气体排放的重要来源，同时也是温室气体吸收的重要渠道，通过农艺措施实现水稻增汇减源是低碳稻作的发展方向。如何在更大程度上发挥水稻生产碳汇功能并将其作为助力国家碳中和的重要手段，是推进水稻绿色低碳高质量发展的重要内涵，关键是要进一步增强稻田土壤碳汇功能，土壤碳库容量分别是植物碳库的3倍和大气碳库的2倍，有学者估算全球农业土壤碳汇潜力为0.4～0.6 Gt C/a[36]，当前我国水稻生产中土壤固碳占比约为12%，如果我国土壤固碳年均增长率提升1个百分点，那么每年稻田土壤将多增加2 Mt有机碳，相当于吸收(或减排)了7.33 Mt CO2-eq,其减排效应占总碳排放的9.4%；而农艺措施是影响稻田土壤碳汇功能的重要手段，其潜力约占农业总减排潜力的89%。

为促进我国低碳稻作高质量发展，提出以下4点建议：(1)强化低碳稻作科技创新集成，将“低碳”理念应贯穿水稻整个生产周期中，构建集“增汇、减排、降耗、循环”完整的低碳稻作技术集成体系。(2)创新低碳稻作产业经营体系，通过土地流转促进规模化发展，通过合作社、公司+农户等形式推动低碳稻作产业化经营。(3)构建低碳稻作技术推广体系，面向公众开展资源和环境保护宣传教育，面向农民开展低碳稻作技术培训，面向农技推广人员及管理人员提升管理和服务低碳稻作生产能力。(4)完善低碳稻作政策保障体系，建立低碳稻作发展的法律保障体系；建立碳税制度；考虑将水稻生产纳入碳交易市场，促进低碳稻作技术应用推广。