一、減少農業碳減排的背景和意義
氣候變化是當今世界所共同面臨的最嚴峻的環境挑戰之一，碳排放量逐年增加是導致全球氣候變化的一個重要因素。全球氣候變化不僅影響經濟的可持續發展而且也影響人類生存環境，對生態系統及社會經濟系統均產生了巨大影響。如近年來的冰川融化、海平面上升、極端乾旱、極端高溫、極端降水等極端事件頻發，以及作物生產力的降低等一系列由全球氣候變化帶來的負面影響不容忽視。通過減少溫室氣體排放來應對氣候變化已成為全球共識，被聯合國列入可持續發展目標之一。在這一背景下，世界各國以全球協約的方式減少溫室氣體排放，中國因此提出碳達峰和碳中和的目標。
農業是受全球氣候變化衝擊最大的行業，氣候變化將增加農業生產的不穩定性，使產量波動幅度增大。同時，農業生產也是溫室氣體的主要貢獻者之一，是全球溫室氣體排放的第二大重要來源。
農業源溫室氣體排放主要包括反芻動物甲烷排放、水稻種植過程中甲烷排放、施肥造成的氧化亞氮排放和動物廢棄物管理過程中的甲烷和氧化亞氮排放。據聯合國糧食與農業組織（FAO）的統計，農業用地釋放出的溫室氣體超過全球人為溫室氣體排放總量的30%，相當於每年產生150億噸的二氧化碳。
減少農業源溫室氣體排放對控制全球氣候變化具有重要作用，尤其是在未找到控制工業溫室氣體排放的替代技術前的最近20~30 a間，農業減排成為緩解大氣溫室氣體濃度升高的關鍵。全球各個國家都非常重視農業碳減排，美國在2002年就成立了農業溫室氣體減排協作機構（CASMGG）。中國科技部2007年就已經啟動了一個特別行動計劃，該計劃強調，農業和土地利用是中國減少溫室氣體排放的一種可行的途徑。
1990~2008年，各已開發國家在農業碳減排方面效果顯著，排在前三的分別為英國（-21.2%）、日本（-17.5%）、法國（-8.9%）。中國是人口眾多的農業大國，農業生產活動基數數量大、增長快，如果沒有相應的減排措施，農業源溫室氣體排放量也會相應的較大。
統計表明，中國農業碳排放量占全部碳排放量的17%。發展低碳農業，是實現我國全面節能減排目標的重要舉措。
農業溫室氣體減排相比能源、運輸以及林業在成本上更具競爭力，且農業溫室氣體減排的投資產生的效益是多重的。一方面，可以減少溫室氣體排放，提高資源的使用效率，降低生產成本；另一方面，可以增加農業生態系統對氣候變化的適應性。目前，中國正處在農業綠色轉型與高質量發展的關鍵期，農業發展綠色化、低碳化是大勢所趨，減少農業溫室氣體排放對促進農業可持續發展及實現2060年碳中和有重要作用。
二、稻田碳排放現狀
水稻生產過程期間的碳排放包括直接碳排放和間接碳排放，直接碳排放是指水稻、土壤以及微生物等生產過程產生的以CO2、CH4
以及N2O等溫室氣體形式釋放的碳，約占水稻生產碳排放總量的70%；其中以CH4形態為主的碳排放約占60%以上，是水稻生產減排的重中之重。
間接碳排放是指在水稻生產中以種子、化肥、農藥、燃油以及電能等農業生產資料形式釋放的碳，約占水稻生長碳排放總量的30%；其中氮肥、磷肥和鉀肥等肥料投入是間接碳排放的主要來源，在間接碳排放中的占比為33.0%~49.0%。因此，減少稻田碳排放主要是減少直接碳排放中CH4的排放量。
CH4作為一種重要的溫室氣體，其引起的溫室效應僅次於二氧化碳，且氣體濃度正以每年約1%的速度增長，對全球溫室效應的貢獻高達15%。大氣中約有50%~65%的CH4排放由人類活動產生，而稻田CH4是一個重要人為排放源，水稻種植過程中產生的CH4約占全球農業生產活動CH4總排放量的10%~20%，稻田CH4的排放已成為應對氣候變化的一大威脅。
全球稻田每年甲烷排放量為25~50 Tg。稻田CH4排放對大氣CH4濃度變化起著至關重要的作用。我國是世界上最重要的水稻生產國，水稻種植面積約0.3億hm2，占世界水稻種植面積的19%，位居世界第二。其中，93%為人工灌溉稻田，5%為雨水灌溉低洼稻田，2%為旱地稻田。中國稻田排入大氣中的CH4占全世界水田土壤CH4排放總量的30%左右。預計到2050年，全球水稻產量仍需提高30%左右才能滿足人口增長和經濟發展對稻米的需求，基於這種背景下，稻田CH4排放量將呈現不斷增加的趨勢。
三、影響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質調控。CH4主要受土壤產甲烷菌和甲烷氧化菌調節，土壤的氧化還原特性影響土壤甲烷排放功能微生物代謝。淹水條件下，土壤還原性強，CH4氧化途徑受到抑制，厭氧環境促進CH4的生成。因此，與土壤氧化還原電位密切相關的土壤水分狀況對稻田CH4的產生起決定性作用。而不同的水分管理措施又直接導致水稻生長期土壤水分狀況具有不同的變化規律。稻田排水烤田及較高的下滲速度都會促進氧氣進入到土壤中，有利於提高土壤氧化還原電位，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、烤田或間歇烤田等。灌溉通過改變土壤通氣狀況、土壤水分狀況以及促進水稻根系和植株生長等，對CH4排放會產生直接或間接的影響。水稻作為耗水作物，其灌溉用水約占農業灌溉用水的60%~70%。水稻灌溉模式主要有以下幾種：（1）淹水灌溉：稻田長期維持一定水分，又分淺水灌溉（3~5 cm水層）和深水灌溉（10 cm或以上水層）；（2）常規灌溉：前期淹水灌溉，分櫱後期曬田，孕穗前回水後乾濕交替灌溉，至收穫前1周排水；（3）常濕灌溉：稻田土壤濕度維持定常。（4）乾濕交替灌溉：水稻生育進程中，保持田間一段時間內有水層，然後讓其自然落干、再灌溉淺水層、再落干，保持土壤有水層與自然落干循環的一種灌溉方式。
不同灌溉模式對稻田甲烷排放的影響不同。與常灌相比，除淹水淹灌促進稻田CH4排放外，深水淹灌灌溉、常規灌溉和控制灌溉（好氧灌溉）都能減少稻田甲烷的排放。深水灌溉通過較深的水阻礙了厭氧環境下所產生的甲烷由下至上的傳輸，並有利於保持土壤中有機物，但由於耗水量大，操作複雜，且不利於水稻產量形成，深水灌溉不是理想的減排方法。
常濕灌溉也會使水稻減產，也不夠理想。間歇曬田被證明是一種好的減排措施。在灌溉條件良好的情況下，乾濕交替灌溉能顯著改善稻田通氣狀況，破壞厭氧條件，顯著減少稻田甲烷的排放，且間歇灌溉可節省灌溉用水總量25%左右，可作為控制甲烷排放的有效措施。
上述不同水分灌溉方式影響稻田甲烷排放的根本原因是改變了根際氧環境，據此，中國水稻研究所研發了「一種通過改變根際氧環境減少稻田甲烷排放的方法」（發明專利 ZL20161 1116382.X），同時提出了好氧碳減排的灌溉模式，即在水稻種植過程中，利用稻田CH4產生需要長期淹水厭氧環境，而淺水與濕潤交替灌溉可以提高土壤氧化還原電位，抑制產甲烷菌的活性並減少甲烷生成的原理，結合水稻的生理需求和生態需求，科學合理的控制稻田水量，形成的淺、干、濕靈活調節的稻田CH4低排放的水分管理模式。
同時該水分管理模式創造良好的土壤氧化還原環境，可增強水稻根系活力，促進水稻植株健壯生長，從而達到減排而不減產的目的。運用該技術可以減少水稻生長過程中的30-60%的CH4排放量，綜合增溫潛勢減少40~60%。目前中國水稻研究所已在全國範圍內推廣這項技術，水稻好氧灌溉技術近年在全國年應用面積達到2000萬畝左右，通過好氧灌溉減少稻田碳排放，應用前景廣闊。
作者：中國水稻研究所 徐春梅、王丹英
參考文獻：
1、 金書秦，李穎，胡浚哲. 農業碳減排的是技術與政策. 開放導報，2021，6：97-104
2、 林斌，徐孟，汪笑溪. 中國農業碳減排政策、研究現狀及展望. 中國生態農業學報，2022，30（4）：500-515
3、 徐華，蔡祖聰，八木一行. 水稻土CH4產生潛力及其影響因素. 土壤學報，2008，1：98-104
4、 IPCC. Climate Change. The physical science basis:Working group I contribution to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. New York:Cambridge University Press, 2013
5、 吳家梅，紀雄輝，彭華，等. 不同有機肥對稻田溫室氣體排放及產量的影響. 農業工程學報，2018，34（4）：162-168
6、 彭華，紀雄輝，吳家梅，等. 不同稻草還田模式下雙季稻田周年CH4排放特徵及溫室效應. 農業環境科學學報，2015，34（3）：585-591