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甲烷排放這個(gè)“鍋”，其實(shí)水稻背不起

定位試驗(yàn)水稻田 中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所供圖

■本報(bào)記者 王方

說到溫室氣體甲烷，公眾都知道二氧化碳，而僅次于它的第二大溫室氣體正是甲烷（CH4）。雖然甲烷總量少，但升溫效應(yīng)高甲烷，是二氧化碳的25~28倍。

農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的甲烷占人類活動(dòng)排放甲烷的40%左右，其中稻田約占農(nóng)業(yè)甲烷排放的30%。我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)和消費(fèi)國，稻田甲烷排放問題一直受到國際廣泛關(guān)注。因此，也產(chǎn)生了一些科學(xué)爭議。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員張衛(wèi)建領(lǐng)銜的作物耕作與生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，近年來在《科學(xué)—進(jìn)展》《全球變化生物學(xué)》上發(fā)表研究成果，揭示水稻與甲烷排放關(guān)系及其生物學(xué)機(jī)制。《中國科學(xué)報(bào)》對此采訪發(fā)現(xiàn)，甲烷這個(gè)“黑鍋”，其實(shí)水稻背不起。

水稻品種越高產(chǎn)甲苯檢測儀，甲烷越多？

水稻是世界第二大口糧作物。張衛(wèi)建介紹，水稻高產(chǎn)途徑有兩條：提高生物學(xué)產(chǎn)量；提高收獲指數(shù)，即收獲物中稻谷與稻草之比。而這兩種途徑對稻田甲烷排放的影響，迄今尚無定論。

適度提高植株生物量和增強(qiáng)莖稈及根系，是突破水稻單產(chǎn)徘徊不前的育種與栽培新途徑。但由于水稻當(dāng)季光合產(chǎn)物也是稻田甲烷產(chǎn)生菌的重要碳源，因此，國內(nèi)外普遍認(rèn)為水稻高產(chǎn)新品種將進(jìn)一步增加稻田甲烷排放。

該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，水稻高產(chǎn)新品種不僅可以通過根系分泌物和凋落物的形式為稻田甲烷產(chǎn)生菌提供更多的碳源，促進(jìn)甲烷產(chǎn)生過程；同時(shí)也可以通過強(qiáng)大的通氣組織（根系）為稻田甲烷氧化菌提供更多氧氣，促進(jìn)甲烷氧化過程。

團(tuán)隊(duì)成員、中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所張俊博士解釋道：“當(dāng)土壤貧瘠時(shí)，甲烷產(chǎn)生的碳源主要來自當(dāng)季光合產(chǎn)物，高產(chǎn)品種可以顯著促進(jìn)甲烷產(chǎn)生進(jìn)而增加排放。當(dāng)土壤比較肥沃時(shí)，土壤有機(jī)碳源充足，但氧氣不足，高產(chǎn)品種根際泌氧強(qiáng)，可以促進(jìn)甲烷氧化進(jìn)而減少排放。”

“水稻品種對稻田甲烷排放的調(diào)控，是通過植株影響土壤碳源和氧源及微生物群落狀況，進(jìn)而調(diào)控甲烷的產(chǎn)生和氧化過程，是作物—土壤系統(tǒng)的地上地下互作過程。”張衛(wèi)建說。

2017年，他們發(fā)表在《全球變化生物學(xué)》上的成果表明，高產(chǎn)新品種對稻田甲烷排放的影響取決于稻田土壤有機(jī)質(zhì)水平。當(dāng)?shù)咎锿寥镭汃ぃㄓ袡C(jī)質(zhì)含量低于1.4%）時(shí)，高產(chǎn)品種會(huì)提高甲烷排放；在中高產(chǎn)稻田（有機(jī)質(zhì)含量高于2.1%），高產(chǎn)新品種顯著降低稻田甲烷排放。

由于中高產(chǎn)稻田的甲烷排放總量遠(yuǎn)高于貧瘠稻田，因此，高產(chǎn)新品種的甲烷凈減排量遠(yuǎn)高于其在貧瘠稻田的增排效果。而且根據(jù)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，我國80%以上的稻田有機(jī)質(zhì)含量高于2.1%，且近年來呈現(xiàn)遞增趨勢。

“由此可見，我國水稻高產(chǎn)新品種的大面積推廣，不僅保障了國家的口糧安全，而且起到了甲烷顯著減排效果。”張衛(wèi)建指出。

收獲指數(shù)越高，減排越顯著？

高產(chǎn)水稻品種“促進(jìn)耕層增氧—激活土壤氧化菌—促進(jìn)甲烷氧化”的減排機(jī)制被揭示，意味著“魚與熊掌，亦可兼得”。那么，第二條途徑——以提高水稻收獲指數(shù)來獲得高產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減排，可行嗎？

張衛(wèi)建在《自然》雜志上閱讀到一篇研究文章，其認(rèn)為通過提高收獲指數(shù)，減少光合產(chǎn)物向地下輸入，能顯著降低甲烷排放，是高產(chǎn)低碳排放的品種選育之路。

但他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，收獲指數(shù)變化對甲烷排放的影響只在水稻后期顯著，而此期排放的甲烷不到全生育期總量的20%；另外，收獲指數(shù)提高只在長期淹水稻田有減排效果，減排潛力只有4.4%，而目前全生育期淹水的稻田占稻田總面積不足30%。

“也就是說，通過提高收獲指數(shù)實(shí)現(xiàn)甲烷減排的潛力非常有限。”張俊說道，不過，收獲指數(shù)提高可能減少下一季稻草還田量甲烷，的確存在一定的減排潛力。

2018年12月，該團(tuán)隊(duì)在《全球變化生物學(xué)》上發(fā)表研究成果稱，現(xiàn)代水稻高產(chǎn)品種收獲指數(shù)已達(dá)到一個(gè)較高水平（約0.55），進(jìn)一步大幅提升的難度非常大。因此，僅靠提高現(xiàn)代品種的收獲指數(shù)，很難實(shí)現(xiàn)水稻單產(chǎn)的大幅度提升和稻田甲烷排放的顯著減少。

“在水稻復(fù)種指數(shù)持續(xù)下降、稻田面積難以增加、收獲指數(shù)已近高限等多重壓力下，通過品種改良和農(nóng)藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)水稻單產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定增長，是確保我國‘口糧絕對安全’的根本途徑。”張衛(wèi)建認(rèn)為，高產(chǎn)低排放的品種選育和稻作創(chuàng)新需要新智慧。

秸稈還田越多，甲烷排放越多？

提高植株生物量、增強(qiáng)莖稈及根系，水稻長得又高又大，秸稈量增加了怎么辦？

張衛(wèi)建介紹，“作為寶貴的農(nóng)田生物質(zhì)資源，作物秸稈既是土壤生物的食物，也是高效的有機(jī)肥源。我國每年生產(chǎn)8億多噸作物秸稈，其養(yǎng)分含量相當(dāng)于500多萬噸尿素、1000多萬噸過磷酸鈣、1000多萬噸硫酸鉀。”

在他看來，秸稈能還田則還田。這既是保障土壤健康和化肥“負(fù)增長”的重要措施，也是避免秸稈焚燒污染空氣的有效途徑。

但就稻田而言，秸稈也是土壤甲烷產(chǎn)生的主要原料之一，學(xué)界和公眾非常擔(dān)心稻田秸稈還田會(huì)顯著增加甲烷排放。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）認(rèn)為，稻田秸稈還田對甲烷排放的促進(jìn)效應(yīng)僅與還田量有關(guān)乙醇檢測儀，與還田年限無關(guān)。而張衛(wèi)建團(tuán)隊(duì)通過15年長期定位試驗(yàn)，2019年1月16日在《科學(xué)—進(jìn)展》上揭示了秸稈對甲烷排放的影響隨還田年份延長而呈顯著降低趨勢。

稻田甲烷排放由土壤中甲烷產(chǎn)生菌和氧化菌控制，前者喜好秸稈等有機(jī)物料及厭氧環(huán)境，后者喜歡甲烷和氧氣。稻田淹在水下，土壤中的氧氣主要通過水稻植株和根系輸入。在還田起始年份，秸稈和淹水迅速激發(fā)產(chǎn)生菌生長，甲烷大量產(chǎn)生。此時(shí)，水稻植株和根系生長受秸稈還田抑制，影響了氧氣輸送，氧化菌生長則受影響，稻田甲烷不能被氧化，排放高。

但還田約3年后，稻田土壤肥力顯著提高，水稻植株和根系生長旺盛，促進(jìn)了氧氣輸送，土壤含氧量迅速提高，氧化菌快速增長，將甲烷氧化為二氧化碳，甲烷排放量顯著下降。

“綜合國內(nèi)外已有成果，發(fā)現(xiàn)IPCC對秸稈還田的甲烷排放量高估了近50%。”張衛(wèi)建表示，該成果不僅可為全球稻田溫室氣體排放估算提供重要參數(shù)，而且可以矯正社會(huì)對稻田秸稈還田的認(rèn)識(shí)。

“錯(cuò)誤的估算會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)不準(zhǔn)，對亞洲一些稻作國家不太公平，另外也希望引起人們對創(chuàng)新作物選育與栽培技術(shù)更加準(zhǔn)確的認(rèn)知。目前，我們正聯(lián)合全國優(yōu)勢隊(duì)伍，以‘十三五’國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目為平臺(tái)，開展水稻豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和稻田固碳減排的稻作技術(shù)研發(fā)，積極為水稻提質(zhì)增效和綠色發(fā)展做貢獻(xiàn)。”他說道。

相關(guān)論文信息：DOI：10.1111/ETb.13737；

DOI：10.1111/ETb.14529；

DOI：10.1126/sciadv.aau9038

《中國科學(xué)報(bào)》 (2019-01-22 第8版 生態(tài)環(huán)境)

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