我國(guó)稻作技術(shù)演變對(duì)水稻單產(chǎn)和稻田溫室氣體排放的影響研究.pdf

1、水稻是我國(guó)最主要的口糧作物，在全球變暖、資源緊張、環(huán)境污染等問題的多重挑戰(zhàn)下，水稻單產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)是保障糧食安全的必然選擇。稻田是溫室氣體CH4的主要來源，約占全球農(nóng)業(yè)總排放的30％。CH4作為重要的溫室氣體，在空氣中的增溫效應(yīng)是CO2的25倍。已有研究表明，水稻增產(chǎn)與稻田減排在理論上可兼顧，關(guān)鍵在于建立適合水稻健康生長(zhǎng)的水稻栽培技術(shù)和稻作模式。因此，研究并推廣應(yīng)用水稻增產(chǎn)和稻田減排協(xié)同的稻作新技術(shù)，符合國(guó)家重大現(xiàn)實(shí)需求和戰(zhàn)略方向，對(duì)我

2、國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、確保糧食安全具有重要意義。至今已有的關(guān)于稻作技術(shù)的研究，大多僅關(guān)注某一稻作技術(shù)對(duì)水稻產(chǎn)量或者單位面積溫室氣體排放單方面的影響，對(duì)于稻作技術(shù)如何協(xié)調(diào)增產(chǎn)與減排的綜合研究較少。為此，本文以我國(guó)三大稻作系統(tǒng)（北方單季稻作系統(tǒng)、中部水旱輪作系統(tǒng)以及南方雙季稻作系統(tǒng)）為研究對(duì)象，采用技術(shù)調(diào)研、歷史資料統(tǒng)計(jì)、田間試驗(yàn)和meta分析相結(jié)合的方法，就我國(guó)稻作技術(shù)演變對(duì)水稻生產(chǎn)力和溫室氣體排放的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。重點(diǎn)研究近50年來水稻品種

3、特性改良、育秧技術(shù)變化、栽培技術(shù)改進(jìn)等稻作技術(shù)演變對(duì)水稻單產(chǎn)與溫室氣體排放的影響，同時(shí)利用meta分析的方法從水稻產(chǎn)量角度定量研究了溫室氣體排放特征和強(qiáng)度對(duì)稻作技術(shù)的響應(yīng)，綜合評(píng)價(jià)了稻作技術(shù)的增產(chǎn)減排潛力及技術(shù)方向，擬為我國(guó)創(chuàng)建氣候智慧型農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。本文主要結(jié)論如下:
　　1.1970s-2010s間我國(guó)水稻品種更新加快，同時(shí)育秧方式、栽插技術(shù)、灌溉方式以及施肥方式等主要稻作技術(shù)發(fā)生了明顯的變化。水稻育秧方式由傳統(tǒng)水育秧向旱

4、育秧和濕潤(rùn)育秧轉(zhuǎn)變，且隨著機(jī)插秧技術(shù)的推廣，未來工廠化育秧方式的比例會(huì)逐漸加大。北方單季稻作區(qū)旱育秧技術(shù)應(yīng)用最為普及，自上世紀(jì)80年代開始推廣至今，旱育秧已成主導(dǎo)育秧方式。到2010年，工廠育秧的比例已達(dá)到11.7％。在今后10年，工廠育秧規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大，預(yù)計(jì)在2020年可達(dá)到30％左右。中部水旱輪作區(qū)和南方雙季稻作區(qū)育秧方式出現(xiàn)較為一致的變化趨勢(shì)，傳統(tǒng)水育秧比例逐漸降低，2010年濕潤(rùn)育秧比例最高，其次為旱育秧。我國(guó)水稻栽插技術(shù)總

5、體趨勢(shì)是人工插秧比例不斷減少，水旱直播、機(jī)插秧以及人工拋秧比例不斷增加。到2010年，人工拋秧比例已達(dá)到24％，機(jī)插秧比例約達(dá)到11％，水旱直播約占10％，人工插秧已下降到55％。在今后10年，人工插秧比例會(huì)繼續(xù)下降到35％左右，機(jī)插秧比例可能會(huì)增加到30％左右。在上世紀(jì)70年代，長(zhǎng)期淹灌占94％，到2010年已下降到16％。間歇灌溉比例增加到81％，是當(dāng)前水稻最主要的灌溉方式。全國(guó)來看，氮肥施用以復(fù)合肥和尿素為主，其次為碳銨。1998

6、年以來，碳銨施用量由40％降低至2010年的20％,而尿素施用量不斷上升，2011年占施氮總量的75％，未來尿素和復(fù)合肥的施用比例將會(huì)繼續(xù)增加。
　　2.1960s-2000s間我國(guó)主要稻區(qū)水稻品種演變過程顯著增加了水稻產(chǎn)量，同時(shí)有降低稻田溫室氣體排放的趨勢(shì)。稻田甲烷排放變化的趨勢(shì)與品種演變過程中生物量與產(chǎn)量的變化沒有顯著相關(guān)性。莖葉等地上部分間接影響CH4生產(chǎn)，對(duì)排放影響不顯著。三個(gè)主要稻作系統(tǒng)的單位產(chǎn)量溫室氣體排放差異明顯，其

7、中以雙季稻作系統(tǒng)的單位產(chǎn)量溫室氣體排放最高。上世紀(jì)六十年代水旱輪作系統(tǒng)的單位產(chǎn)量溫室氣體排放高于單季稻作系統(tǒng)，但是這兩個(gè)稻作系統(tǒng)現(xiàn)代品種的單位產(chǎn)量排放強(qiáng)度基本相似。各稻作系統(tǒng)中，現(xiàn)代品種單位產(chǎn)量溫室氣體排放都低于老品種。
　　3.我國(guó)三大稻作系統(tǒng)中，水育秧方式的甲烷排放量都顯著高于濕潤(rùn)育秧和旱育秧方式。水旱輪作系統(tǒng)和雙季稻的早、晚稻系統(tǒng)濕潤(rùn)育秧方式的CH4排放量分別比水育秧方式降低了74.2％、72.1％和49.6％，旱育秧方式則

8、分別比水育秧方式降低了92.0％、99.0％和78.6％。北方單季稻作系統(tǒng)中旱育秧方式的CH4排放量比水育秧方式降低了99.2％。但是，相對(duì)于水育秧方式，濕潤(rùn)育秧與旱育秧增加了秧田N2O的排放。綜合CH4和N2O兩種溫室氣體，濕潤(rùn)育秧與旱育秧方式均顯著降低了各稻作區(qū)全球增溫潛勢(shì)(GWP)。此外，結(jié)合各稻作區(qū)育秧技術(shù)的調(diào)研數(shù)據(jù)，本研究還估算了不同育秧技術(shù)情景下中國(guó)秧田溫室氣體的排放總量，結(jié)果顯示2012年水稻秧田的實(shí)際溫室氣體排放量為95

9、6.66×103 t CO2 eq，而水育秧情景下的溫室氣體排放量為2242.59×103t CO2 eq。
　　4.我國(guó)水肥管理和稻作模式轉(zhuǎn)變等措施可以有效協(xié)調(diào)水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放。間歇灌溉可以顯著降低CH4排放并且增加水稻產(chǎn)量，這一技術(shù)能夠顯著降低59％單位產(chǎn)量GWP。施用氮肥（50-300 kg N ha-1）顯著提高水稻產(chǎn)量，些微增加了CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)(GWP)，最終顯著降低了單位產(chǎn)量GWP。與未施肥相比

10、，單位產(chǎn)量GWP在施肥水平為150-200 kg ha1時(shí)下降最為明顯，達(dá)37％。施用沼渣對(duì)單位產(chǎn)量GWP沒有顯著影響，而施用堆肥和秸稈還田則分別顯著增加54％和154％的單位產(chǎn)量GWP。我國(guó)主要稻作系統(tǒng)單位產(chǎn)量溫室氣體排放的順序如下:雙季稻作系統(tǒng)(1188.9 kg CO2 eq Mg-1)＞水旱輪作系統(tǒng)(777.0 kg CO2 eq Mg-1)＞單季稻作系統(tǒng)（346.7 kg CO2 eq Mg-1）。
　　5.1970s-

11、2010s間我國(guó)水稻生產(chǎn)的碳足跡變化為:空間尺度的碳足跡呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，而產(chǎn)量尺度的碳足跡呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。近50年來水稻生產(chǎn)過程中物質(zhì)投入的間接碳排放增加了115％，稻田溫室氣體直接碳排放降低了28％，綜合看來，我國(guó)水稻生產(chǎn)過程中基于空間尺度的碳足跡增加了12％;與此同時(shí)，水稻產(chǎn)量增加了37％，從而降低了基于產(chǎn)量尺度的水稻生產(chǎn)的碳足跡。水稻產(chǎn)生的碳足跡的組成中，物質(zhì)投入所占比重逐年增大，由1970s的28.2％增加至2010s的54