科學網—甲烷排放這個「鍋」,其實水稻背不起

定位試驗水稻田  中國農科院作物科學研究所供圖

 

■本報記者 王方

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

農業產生的甲烷佔人類活動排放甲烷的40%左右，其中稻田約佔農業甲烷排放的30%。我國是世界上最大的水稻生產和消費國，稻田甲烷排放問題一直受到國際廣泛關注。因此，也產生了一些科學爭議。

中國農業科學院作物科學研究所研究員張衛建領銜的作物耕作與生態創新團隊，近年來在《科學—進展》《全球變化生物學》上發表研究成果，揭示水稻與甲烷排放關係及其生物學機制。《中國科學報》對此採訪發現，甲烷這個「黑鍋」，其實水稻背不起。

水稻品種越高產，甲烷越多？

水稻是世界第二大口糧作物。張衛建介紹，水稻高產途徑有兩條：提高生物學產量；提高收穫指數，即收穫物中稻穀與稻草之比。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莖稈及根系，是突破水稻單產徘徊不前的育種與栽培新途徑。但由於水稻當季光合產物也是稻田甲烷產生菌的重要碳源，因此，國內外普遍認為水稻高產新品種將進一步增加稻田甲烷排放。

該團隊研究發現，水稻高產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生菌提供更多的碳源，促進甲烷產生過程；同時也可以通過強大的通氣組織（根系）為稻田甲烷氧化菌提供更多氧氣，促進甲烷氧化過程。

團隊成員、中國農科院作物科學研究所張俊博士解釋道：「當土壤貧瘠時，甲烷產生的碳源主要來自當季光合產物，高產品種可以顯著促進甲烷產生進而增加排放。當土壤比較肥沃時，土壤有機碳源充足，但氧氣不足，高產品種根際泌氧強，可以促進甲烷氧化進而減少排放。」

「水稻品種對稻田甲烷排放的調控，是通過植株影響土壤碳源和氧源及微生物群落狀況，進而調控甲烷的產生和氧化過程，是作物—土壤系統的地上地下互作過程。」張衛建說。

2017年，他們發表在《全球變化生物學》上的成果表明，高產新品種對稻田甲烷排放的影響取決於稻田土壤有機質水平。當稻田土壤貧瘠（有機質含量低於1.4%）時，高產品種會提高甲烷排放；在中高產稻田（有機質含量高於2.1%），高產新品種顯著降低稻田甲烷排放。

由於中高產稻田的甲烷排放總量遠高於貧瘠稻田，因此，高產新品種的甲烷淨減排量遠高於其在貧瘠稻田的增排效果。而且根據第二次土壤普查數據，我國80%以上的稻田有機質含量高於2.1%，且近年來呈現遞增趨勢。

「由此可見，我國水稻高產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。」張衛建指出。

收穫指數越高，減排越顯著？

高產水稻品種「促進耕層增氧—激活土壤氧化菌—促進甲烷氧化」的減排機制被揭示，意味著「魚與熊掌，亦可兼得」。那麼，第二條途徑——以提高水稻收穫指數來獲得高產的同時實現減排，可行嗎？

張衛建在《自然》雜誌上閱讀到一篇研究文章，其認為通過提高收穫指數，減少光合產物向地下輸入，能顯著降低甲烷排放，是高產低碳排放的品種選育之路。

但他帶領團隊發現，收穫指數變化對甲烷排放的影響只在水稻後期顯著，而此期排放的甲烷不到全生育期總量的20%；另外，收穫指數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佔稻田總面積不足30%。

「也就是說，通過提高收穫指數實現甲烷減排的潛力非常有限。」張俊說道，不過，收穫指數提高可能減少下一季稻草還田量，的確存在一定的減排潛力。

2018年12月，該團隊在《全球變化生物學》上發表研究成果稱，現代水稻高產品種收穫指數已達到一個較高水平（約0.55），進一步大幅提升的難度非常大。因此，僅靠提高現代品種的收穫指數，很難實現水稻單產的大幅度提升和稻田甲烷排放的顯著減少。

「在水稻複種指數持續下降、稻田面積難以增加、收穫指數已近高限等多重壓力下，通過品種改良和農藝創新，實現水稻單產的持續穩定增長，是確保我國『口糧絕對安全』的根本途徑。」張衛建認為，高產低排放的品種選育和稻作創新需要新智慧。

秸稈還田越多，甲烷排放越多？

提高植株生物量、增強莖稈及根系，水稻長得又高又大，秸稈量增加了怎麼辦？

張衛建介紹，「作為寶貴的農田生物質資源，作物秸稈既是土壤生物的食物，也是高效的有機肥源。我國每年生產8億多噸作物秸稈，其養分含量相當於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「負增長」的重要措施，也是避免秸稈焚燒汙染空氣的有效途徑。

但就稻田而言，秸稈也是土壤甲烷產生的主要原料之一，學界和公眾非常擔心稻田秸稈還田會顯著增加甲烷排放。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）認為，稻田秸稈還田對甲烷排放的促進效應僅與還田量有關，與還田年限無關。而張衛建團隊通過15年長期定位試驗，2019年1月16日在《科學—進展》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生菌和氧化菌控制，前者喜好秸稈等有機物料及厭氧環境，後者喜歡甲烷和氧氣。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產生菌生長，甲烷大量產生。此時，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年後，稻田土壤肥力顯著提高，水稻植株和根系生長旺盛，促進了氧氣輸送，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。

「綜合國內外已有成果，發現IPCC對秸稈還田的甲烷排放量高估了近50%。」張衛建表示，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，而且可以矯正社會對稻田秸稈還田的認識。

「錯誤的估算會導致評價不準，對亞洲一些稻作國家不太公平，另外也希望引起人們對創新作物選育與栽培技術更加準確的認知。目前，我們正聯合全國優勢隊伍，以『十三五』國家重點研發項目為平臺，開展水稻豐產優質和稻田固碳減排的稻作技術研發，積極為水稻提質增效和綠色發展做貢獻。」他說道。

相關論文信息：DOI：10.1111/gcb.13737；

DOI：10.1111/gcb.14529；

DOI：10.1126/sciadv.aau9038

 

《中國科學報》 (2019-01-22 第8版 生態環境)