我国水稻品种更新与稻作技术改进对碳排放的综合影响及趋势分析

张卫建 张艺 邓艾兴 张俊

（1 中国农业科学院作物科学研究所，北京100081；2 南京农业大学资源与环境科学学院，南京210014；*第一/通讯作者：zhangweijian@caas.cn）

我国是世界上最大的水稻生产和消费国，全国60%以上人口以稻米为主食，水稻持续稳定增产，对国家粮食安全至关重要。为提高水稻生产能力，我国稻作技术经历了翻天覆地的变革。水稻品种也得到显著改良，高产品种的应用使得水稻单产相较于20 世纪60年代已提高3 倍之多，对总产提高的贡献达50%[1]。稻田水分管理技术得到改进，我国多熟稻作区实行的间歇灌溉，促进了籽粒灌浆和水稻产量提高[2-3]。氮肥等农用化学品投入显著增加，也大幅度提高了水稻产量[4-5]。稻作制度及其区域调整也非常明显，比如稻作北移，近50 年来北方一熟单季稻作区水稻种植面积增加了485%，而南方双季稻作面积却下降了48%。通过品种更新、栽培创新和稻作制度调整等，我国水稻单产从20 世纪 60 年代的 2.7 t/hm2提高到目前的 7.1 t/hm2[6]。

近50 年来我国水稻品种改良与稻作技术改进在实现了水稻产量大幅度提高的同时，也对稻田温室气体排放带来非常大的影响，一直备受国际关注。例如，高产水稻品种可通过改变光合产物分配来提高收获指数，降低产甲烷菌所需的碳源，从而降低甲烷排放[7]；但也可能提高植株的生物量，并向地下输送，从而促进甲烷产生。与长期淹灌相比，控水灌溉技术能有效改善水稻生长期土壤的通气状况，促进甲烷氧化，并抑制甲烷产生，但可能显著增加氧化亚氮（N2O）排放[8]。此外，由于南方稻作区单位面积甲烷排放通常远远高于北方稻作区，因而理论上稻作北移具有降低稻田温室气体排放的潜力[9]。然而，目前大多数研究侧重稻作技术对产量或者单一技术改进对温室气体排放的影响，关于水稻品种更新与稻作技术改进对水稻产量和温室气体排放的综合响应研究不多。

为此，本文基于我国三大稻作系统（北方一熟、中部水旱两熟以及南方双季稻），通过品种比较、区域调研和历史数据挖掘，综合评价了近50 年来我国品种更新、水肥管理创新和稻作模式调整等对水稻产量和稻田温室气体排放的综合效应，为我国农业领域“碳达峰碳中和”行动提供科学依据[10-11]。

1 数据收集与分析方法

1.1 水稻种植技术改进的问卷调研

以专家调查为主，向北方一熟稻作区、南方两熟稻作区和多熟稻作区的19 个主要省（市）的水稻栽培专家发放了调查问卷。问卷内容主要包括两部分：第1 部分是当地水稻育秧技术、栽插技术、灌溉技术现状，包括全省（市）平均情况和5 个典型市（县）的现状；第2部分是当地从20 世纪60 年代至今，水稻育秧、栽插和灌溉技术的发展演变情况。

1.2 不同稻作系统下水稻产量和温室气体排放的Meta 分析

基于Meta-analysis 方法，搜索了发表于2015 年以前所有的关于我国水稻产量、稻田CH4和N2O 排放的文章。最终选取24 篇文献，共150 个观测值。文献选择的标准如下：（1）所有测定值必须是田间数据；（2）CH4和N2O 必须用静态箱法，观测水稻季整个生育期；（3）水稻产量和温室气体排放这两个值必须同时观测。本文采用两种全球增温潜势指数（GWP），即基于面积和基于产量尺度GWP，用于评估稻作技术对温室气体排放和水稻产量的综合效应。

1.3 水稻品种更新的综合效应试验

关于水稻品种和水分管理对水稻产量和稻田CH4排放影响的数据，主要来自于前期在我国东北一熟区（沈阳）、水旱两熟区（镇江）和双季稻区（南昌）进行的田间试验[12]。试验用的水稻品种分别为1960s—2000s期间三大稻区不同年代水稻主栽品种，每个稻作系统每个年代各选取2 个大面积推广品种，3 次重复，小区面积4 m×4 m。在每个品种的小区中收割1 m2水稻，测定籽粒产量，重复3 次。温室气体监测采用静态箱法，测定频率为每周1 次，在施追肥后或者雨后1 d 各加测1 次。

1.4 水稻生产的碳足迹综合评价方法

本文基于生命周期评价方法，以我国三大稻作系统（北方一熟、南方水旱两熟和双季稻）水稻生产为研究对象进行评价，重点评价20 世纪70 年代以来稻作技术变化对单位稻谷产量所有能量和物质的投入、产出等各环节的碳排放的影响。本文中，生命周期范围只包括水稻生产过程中生长季的农资投入及稻田温室气体排放，均以CO2当量表示。对于农资生产排放参数，引用本地化的生命周期数据库——中国生命周期数据库（CLCD）对化肥、农药、电力等农资生产过程中的温室气体排放及 GWP 进行转化。其中，化肥、农药、电力、柴油、农膜以及种子的转换系数分别为 1.62、13.7、1.23、0.886、22.7 和 0.577。据 IPCC（2007）第四次报告，采用100 年尺度全球增温潜势，CH4和N2O 的当量系数分别为25 和298。

1.5 品种和稻作技术更新的综合效应计算方法

为了评估品种和稻作技术演变对稻田温室气体排放的综合效应，设定稻作模式不改变（C0）以及稻作模式改变（Ci）两种情景模式。由于1960s 的水稻生产物质投入数据难以获得，本文在综合效应评价中，仅仅评价了 1970s—2010s。C0 情景假设 1970s—2010s 各稻作系统稻作模式按照原有模式发展，各年代间水稻品种、灌溉模式、稻作系统都没有发生变化；而Ci 情景假设1970s—2010s 各稻作系统水稻品种、灌溉模式、稻作系统都发生变化。两种情景模式下CH4和N2O 排放计算公式如下：

式中，TEt表示 t 时期（1970s、1980s、1990s、2000s、2010s）总排放值，CPAAti表示 i 模式（稻作系统，品种，或灌溉技术）在t 时期的覆盖面积，EIti表示i 模式（稻作系统，品种或灌溉技术）在t 时期的CH4和N2O 排放值。

2 结果与分析

2.1 水稻品种与稻作技术的更新特征

过去50 年间我国稻作系统调整加快，水稻品种更新迅速，同时育秧方式、栽插技术、灌溉方式等主要稻作技术也发生了明显的变化。首先，不同稻作区水稻面积发生重大调整，1960s—2000s 期间南方双季稻作区水稻面积下降13%，而北方单季稻作区水稻面积增加230%。其次，新育成品种数量不断增加，增长速率与水稻产量的增速趋势相近。20 世纪80 年代以来农业农村部审定的水稻品种总数为2 328 个，2010 年以来已审定品种1 728 个。20 世纪80 年代平均每年审定的品种数为3 个，2000 年之后品种审定的数目迅速增加，平均每年约审定53 个，2019 年之后每年都有400 个左右。自20 世纪60 年代以来，水稻品种演变过程对生物量和产量的影响巨大。1970s 开始单季稻作系统和水旱两熟系统水稻生物量显著下降，20 世纪80 年代之后，水稻生物量又开始增加，尤其是北方单季稻作系统。而双季早稻系统水稻的生物量变化趋势不明显。水稻产量对品种演变的响应与生物量的表现并不一致，三个稻作系统中，产量都是处于上升趋势。1960s 至2000s间，单季稻作系统、水旱轮作系统和双季稻作系统早稻的产量分别提高了34.4%、50.3%和55.2%。

过去50 年，我国双季稻模式经历了先增后降过程，目前仍处于下降趋势，水旱两熟则经历了先降后增过程，目前南方双季稻区有向水旱两熟发展的趋势。北方一熟稻作模式则一直处于增长趋势，尤其是20 世纪90 年代，目前该模式已经占全国稻作模式的三分之一左右。稻田水分管理上，在20 世纪70 年代，长期淹灌占94%，到2010s 年已下降到15%，而新型控水增氧灌溉模式比例增长至80%左右，是当前水稻最主要的灌溉方式。控水灌溉模式不仅仅应用于大田期，对于水稻育秧期的调查也发现，育秧方式由传统水育秧向旱育秧和湿润育秧转变，2010s 分别占育秧方式的41%和37%。21 世纪后水育秧技术比例下降至13%，工厂化育秧技术已占10%以上，这一比例还会进一步增加。

由于劳动力日渐短缺，水稻栽插模式的创新也是近年来稻作技术改革的重点，机械化插秧以及直播稻作逐渐取代传统的人工插秧模式，且随着机插秧技术的推广，未来工厂化育秧方式的比例将逐渐加大。到2010s，人工抛秧比例已达20.0%，机插秧比例约30.0%，水旱直播15.0%，人工插秧已下降至30.0%。今后人工插秧比例会继续下降到20.0%左右，机插秧比例可能会增加到50.0%以上。氮肥施用上，全国以复合肥和尿素为主，其次为碳铵。中部稻作区部分省份粳稻氮肥施用量接近350 kg/hm2，中部中籼稻和南方早、晚籼稻的氮肥施用量和肥料种类相似。1998 年以来，碳铵施用量由40.0%降低至2010s 的10.0%以下，而尿素和复合肥占施氮总量的85.0%以上，未来尿素和复合肥的施用比例还将继续提高。

2.2 水稻品种更新对稻田温室气体排放的影响

依据多点多品种的田间试验结果[13]，本文综合比较了我国三个主要稻作系统（北方一熟区、中部水旱两熟和南方双季稻）的主栽品种演变对水稻生产力和温室气体排放的关系。在1960s 至2000s 间水稻品种演变过程中，北方一熟区甲烷排放呈先升高后下降的趋势，而水旱两熟和双季稻区早稻甲烷排放呈下降趋势。单季稻作系统甲烷排放最高出现在1980s，为118 kg/hm2；而水旱两熟和双季稻作系统在1960s 最高，分别为151 kg/hm2和272 kg/hm2。近40 多年稻田甲烷排放变化的趋势与品种演变过程中生物量与产量的变化没有显著相关性。N2O 排放对品种演变的响应与CH4不同，稻作系统间N2O 的排放趋势不一致。北方一熟区稻作系统N2O 排放呈降低趋势，最高排放量出现在1970s，为 2.07 kg/hm2，其他两个稻作系统 N2O 排放受品种演变的影响较小。

以100 年尺度来看，水稻品种演变过程中CH4和N2O 排放的综合温室效应的变化趋势与CH4排放的趋势相似。在1960s 至2000s 水稻品种演变过程中，三个稻作系统水稻增产显著，而温室气体的排放基本上呈下降趋势。因此，从产量尺度上来看，近50 年来，单位产量温室气体排放都呈现明显的下降趋势。品种演变以来，双季稻作系统的单位产量GWP 由1960s 的1520 kg CO2-eq/Mg 降至 2000s 的 880 kg CO2-eq/Mg。总体而言，水稻品种演变过程中稻田温室气体排放呈下降趋势，品种更替每10 年显著降低了北方一熟稻作系统、水旱两熟稻作系统和双季稻作系统的单位面积GWP分别达2.0%、6.4%和4.4%，与1960s 相比，2000s 的品种显著降低了31%的GWP。

2.3 稻作技术改进对稻田温室气体排放的影响

采用Meta-analysis 方法，以田间水分管理、肥料施用、稻作模式等为重点，对至今已经发表关于我国稻作技术演变对温室气体排放影响的文献进行了综合分析。在水肥管理方面，全生育期淹水灌溉转向间歇灌溉或湿润灌溉，可以显著降低稻田CH4排放并且提高水稻产量。与长期淹水灌溉相比，间歇灌溉技术显著降低了62%的CH4排放，但同时显著增加了278%的N2O排放。综合CH4和N2O，总的单位面积GWP 显著降低（54%）。间歇灌溉技术增加了11%的水稻产量，最终降低了59%的单位产量GWP。

施用氮肥（50~300 kg/hm2）显著提高了10.2%的水稻产量，同时稍微增加了CH4和N2O 的GWP，最终显著降低了27.0%的单位产量GWP。与未施肥相比，单位产量GWP 在施肥水平为150~200 kg/hm2时下降最为明显，达37.0%。施用沼渣对单位产量GWP 没有显著影响，而施用堆肥和秸秆还田则分别显著增加54.0%和154.0%的单位产量GWP。当施肥水平低于200 kg/hm2时，单位产量GWP 没有显著的减排效果。

不同稻作模式下气候、土壤、管理措施不同，水稻产量和温室气体排放差异显著。双季稻作系统CH4和N2O 排放分别为 14 331.8 和 699.0 kg CO2-eq/hm2，水旱两熟系统排放分别为5 231.0 和628.9 kg CO2-eq/hm2，北方一熟稻作系统排放分别为1 633.8 和473.0 kg CO2-eq/hm2。三个稻作系统单位面积和单位产量GWP表现出一致的趋势，即单季稻作系统<水旱轮作系统<双季稻作系统。与单季稻作系统相比，其他两个稻作系统的单位面积GWP 显著提高，而各系统水稻面积GWP 没有显著差异。因此，双季稻作系统的单位产量GWP 表现最高（1 188.9 kg CO2-eq/Mg），其次为水旱轮作系统（777.0 kg CO2-eq/Mg），最低为单季稻作系统（346.7 kg CO2-eq/Mg）。综合来看，1970s—2010s 稻作系统调整使得我国温室气体排放降低7.0%。

2.4 水稻品种与稻作技术更新的综合影响

以基于生命周期的碳足迹评价方法，对我国水稻生产的物质投入、品种更新与稻作技术改进的综合效应进行了分析。结果显示，1970s—2010s 我国水稻生产的碳足迹，由于大量投入农用化学品，在空间尺度上以每10 年405.2 kg CO2-eq/hm2的趋势上升，而基于产量尺度的水稻生产碳足迹则以每10 年40.3 kg CO2-eq/Mg 的速率趋势降低。综合测算下，近50 年来水稻生产过程物质投入所产生的间接碳排放增加了115.0%，而水稻生育期稻田的直接温室气体折算的碳排放降低了28.0%，从水稻整个生命周期来看，空间尺度上水稻生产碳足迹增加了12.0%。相同时间内，水稻产量增加了37.0%，因此，基于产量尺度的水稻生产的碳足迹呈显著下降趋势。从水稻生产的碳排放的组成来看，物质投入碳排放所占比重逐年增大，由1970s 的28.2%增加至2010s 的54.1%；相对的，温室气体排放所占比重则逐渐减少，从1970s 的69.7%降低至2010s 的45.6%。氮肥占物质投入的69.0%左右，氮肥用量增加是物质投入产生的间接碳排放增加的主要原因。相对而言，稻作技术的变化，比如品种更新、育秧方式、灌溉方式的创新，则减少了水稻生产中温室气体的直接碳排放，增产减排协同。尽管单位面积的碳排放增加了，但由于水稻产量的显著提升，单位产量的碳排放下降了18.1%，是一个增产减排的协同历程。

3 我国稻作系统碳排放情景分析及减排潜力与技术展望

综合品种更新和稻作技术发展，在1970s—2010s间，我国水稻生产的碳足迹呈现不断下降的趋势，而水稻产量增加的程度远大于碳排放总量的增加，因此，降低了了水稻生产的碳足迹。从水稻生产过程中碳排放的组成来看，物质投入碳排放所占比重逐年增大，而温室气体排放所占比重则逐渐减少。可见，氮肥等农用化学品投入量的不断增大是物质投入碳排放增加的主要原因。稻作技术的变化，比如育秧方式、灌溉方式的创新，减少了水稻生育期温室气体的排放，从而降低了1970s 以来我国水稻生产的碳足迹。如果按照基线发展趋势，预计到2030 年我国水稻生产的碳足迹将会继续增大，而品种、育秧方式、灌溉和施肥技术等增产减排相协调的稻作新技术的应用，可以在增加水稻产量的情况下，降低单位产量的直接排放强度。我国已经向全球承诺，2030 年之前实现碳达峰、2060 年之前实现碳中和。作为碳排放大户，水稻生产也可以助力国家碳中和目标的实现[11]。基于我国稻作技术演变及其对温室气体排放的影响，用生命周期评价方法，对我国2030年稻田温室气体排放以及减排潜力进行情景分析如下。

水稻生产的第一目标是保障粮食安全，因此，所有情景均设计在2010 年至2030 年水稻产量以每年0.8%的速率增长的背景下[14]。在此前提下，以高产低排放的水稻品种、旱育秧、间歇灌溉、氮肥施用（150~200 kg/hm2）、稻作系统面积调整等为主要技术内容，设计5种稻作情景模式（S0~S4）。S0：最保守的排放情景，即假设到2030 年，水稻品种、旱育秧技术、间歇灌溉和水稻种植面积保持与2010 年一致，化肥投入以每年0.8%的速率增加；S1：假定旱育秧技术在双季稻作区和水旱两熟区以每年3%的速率增长，而间歇灌溉覆盖率在水旱两熟区和北方一熟稻作区以每年0.5%的速率增长，并假设2030 年水旱两熟区水稻面积保持稳定，北方一熟稻作区的面积以每年3.5%的速率增长，而双季稻作区的面积以每年0.8%的速率减少，水稻品种和化肥投入保持稳定；S2：假设水稻品种更新，单位面积温室气体排放将以每年1.0%的速率降低，其他稻作技术、化肥投入和水稻种植面积保持稳定；S3：假设水稻品种更新，单位面积温室气体排放将以每年1%的速率降低，旱育秧和间歇灌溉技术的增长率同S2，化肥投入保持稳定；S4：假设品种、育秧和灌溉技术的变化同S3，同时化肥投入每年减少1.0%，以期达到最高的减排稻作情景。

不同稻作技术情景下，2030s 水稻生产的碳排放差异显著。若稻作技术不及时调整，即在2010s 的S0 情景下，水稻生产过程中的碳排放将会继续增加，碳排放总量将比最优情景下（S4）高53.6 Tg CO2-eq。比较S0~S4 这5 种稻作情景下水稻生产的碳排放总量可以发现，单从某一技术进行改进对碳排放的减排潜力不大，必须综合水稻品种、灌溉方式、化肥减量以及稻作系统调整，进行多方面协调，才能获得较大的碳减排潜力。在品种与稻作技术综合提升下，与2010s 相比，2030s的碳排放将可以下降17%以上。在水稻品种改良的基础上，构建增产减排协同的稻作新技术和氮肥减量技术是未来高产低碳稻作的必然方向。在秸秆大量还田的水稻耕作栽培层面，重点在于增氧耕作和前期控水栽培，促进甲烷氧化。在农用化学物质投入上，加强新型增氧肥料研制，以及氮肥增效减量技术及其土壤培肥配套技术创新，也将利于我国高产低碳排放稻作发展[15]。

气候变化下水稻产业可持续发展的根本途径是：主动适应、积极减缓。首先是要增强稻作系统对气候变化的韧性，以确保水稻产量与品质及农民收入的同步稳定提升，主动适应气候变化；其次，要进行水稻品种和技术的更新，以及新型农业化学品及其高效施用技术的研发，明显降低水稻产业链的碳排放，减缓气候变化。在整个稻作区整个农业农村系统层面，可以从农业生产与农村生活的整体出发，构建低碳农业和零碳村镇技术与政策体系，保障国家粮食及农产品有效供给的同时，助力国家2030 年前碳达峰和2060 年前碳中和目标的实现。