甲烷排放这个“锅”，其实水稻背不起

　　说到温室气体，公众都知道二氧化碳，而仅次于它的第二大温室气体正是甲烷（CH4）。虽然甲烷总量少，但升温效应高，是二氧化碳的25~28倍。
 
　　农业产生的甲烷占人类活动排放甲烷的40%左右，其中稻田约占农业甲烷排放的30%。我国是世界上的水稻生产和消费国，稻田甲烷排放问题一直受到国际广泛关注。因此，也产生了一些科学争议。
 
　　中国农业科学院作物科学研究所研究员张卫建领衔的作物耕作与生态创新团队，近年来在《科学—进展》《全球变化生物学》上发表研究成果，揭示水稻与甲烷排放关系及其生物学机制。《中国科学报》对此采访发现，甲烷这个“黑锅”，其实水稻背不起。
 
　　水稻品种越高产，甲烷越多？
 
　　水稻是世界第二大口粮作物。张卫建介绍，水稻高产途径有两条：提高生物学产量；提高收获指数，即收获物中稻谷与稻草之比。而这两种途径对稻田甲烷排放的影响，迄今尚无定论。
 
　　适度提高植株生物量和增强茎秆及根系，是突破水稻单产徘徊不前的育种与栽培新途径。但由于水稻当季光合产物也是稻田甲烷产生菌的重要碳源，因此，国内外普遍认为水稻高产新品种将进一步增加稻田甲烷排放。
 
　　该团队研究发现，水稻高产新品种不仅可以通过根系分泌物和凋落物的形式为稻田甲烷产生菌提供更多的碳源，促进甲烷产生过程；同时也可以通过强大的通气组织（根系）为稻田甲烷氧化菌提供更多氧气，促进甲烷氧化过程。
 
　　团队成员、中国农科院作物科学研究所张俊博士解释道：“当土壤贫瘠时，甲烷产生的碳源主要来自当季光合产物，高产品种可以显著促进甲烷产生进而增加排放。当土壤比较肥沃时，土壤有机碳源充足，但氧气不足，高产品种根际泌氧强，可以促进甲烷氧化进而减少排放。”
 
　　“水稻品种对稻田甲烷排放的调控，是通过植株影响土壤碳源和氧源及微生物群落状况，进而调控甲烷的产生和氧化过程，是作物—土壤系统的地上地下互作过程。”张卫建说。
 
　　2017年，他们发表在《全球变化生物学》上的成果表明，高产新品种对稻田甲烷排放的影响取决于稻田土壤有机质水平。当稻田土壤贫瘠（有机质含量低于1.4%）时，高产品种会提高甲烷排放；在中高产稻田（有机质含量高于2.1%），高产新品种显著降低稻田甲烷排放。
 
　　由于中高产稻田的甲烷排放总量远高于贫瘠稻田，因此，高产新品种的甲烷净减排量远高于其在贫瘠稻田的增排效果。而且根据第二次土壤普查数据，我国80%以上的稻田有机质含量高于2.1%，且近年来呈现递增趋势。
 
　　“由此可见，我国水稻高产新品种的大面积推广，不仅保障了国家的口粮安全，而且起到了甲烷显著减排效果。”张卫建指出。
 
　　收获指数越高，减排越显著？
 
　　高产水稻品种“促进耕层增氧—激活土壤氧化菌—促进甲烷氧化”的减排机制被揭示，意味着“鱼与熊掌，亦可兼得”。那么，第二条途径——以提高水稻收获指数来获得高产的同时实现减排，可行吗？
 
　　张卫建在《自然》杂志上阅读到一篇研究文章，其认为通过提高收获指数，减少光合产物向地下输入，能显著降低甲烷排放，是高产低碳排放的品种选育之路。
 
　　但他带领团队发现，收获指数变化对甲烷排放的影响只在水稻后期显著，而此期排放的甲烷不到全生育期总量的20%；另外，收获指数提高只在长期淹水稻田有减排效果，减排潜力只有4.4%，而目前全生育期淹水的稻田占稻田总面积不足30%。
 
　　“也就是说，通过提高收获指数实现甲烷减排的潜力非常有限。”张俊说道，不过，收获指数提高可能减少下一季稻草还田量，的确存在一定的减排潜力。
 
　　2018年12月，该团队在《全球变化生物学》上发表研究成果称，现代水稻高产品种收获指数已达到一个较高水平（约0.55），进一步大幅提升的难度非常大。因此，仅靠提高现代品种的收获指数，很难实现水稻单产的大幅度提升和稻田甲烷排放的显著减少。
 
　　“在水稻复种指数持续下降、稻田面积难以增加、收获指数已近高限等多重压力下，通过品种改良和农艺创新，实现水稻单产的持续稳定增长，是确保我国‘口粮安全’的根本途径。”张卫建认为，高产低排放的品种选育和稻作创新需要新智慧。
 
　　秸秆还田越多，甲烷排放越多？
 
　　提高植株生物量、增强茎秆及根系，水稻长得又高又大，秸秆量增加了怎么办？
 
　　张卫建介绍，“作为宝贵的农田生物质资源，作物秸秆既是土壤生物的食物，也是高效的有机肥源。我国每年生产8亿多吨作物秸秆，其养分含量相当于500多万吨尿素、1000多万吨过磷酸钙、1000多万吨硫酸钾。”
 
　　在他看来，秸秆能还田则还田。这既是保障土壤健康和化肥“负增长”的重要措施，也是避免秸秆焚烧污染空气的有效途径。
 
　　但就稻田而言，秸秆也是土壤甲烷产生的主要原料之一，学界和公众非常担心稻田秸秆还田会显著增加甲烷排放。
 
　　联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）认为，稻田秸秆还田对甲烷排放的促进效应仅与还田量有关，与还田年限无关。而张卫建团队通过15年长期定位试验，2019年1月16日在《科学—进展》上揭示了秸秆对甲烷排放的影响随还田年份延长而呈显著降低趋势。
 
　　稻田甲烷排放由土壤中甲烷产生菌和氧化菌控制，前者喜好秸秆等有机物料及厌氧环境，后者喜欢甲烷和氧气。稻田淹在水下，土壤中的氧气主要通过水稻植株和根系输入。在还田起始年份，秸秆和淹水迅速激发产生菌生长，甲烷大量产生。此时，水稻植株和根系生长受秸秆还田抑制，影响了氧气输送，氧化菌生长则受影响，稻田甲烷不能被氧化，排放高。
 
　　但还田约3年后，稻田土壤肥力显著提高，水稻植株和根系生长旺盛，促进了氧气输送，土壤含氧量迅速提高，氧化菌快速增长，将甲烷氧化为二氧化碳，甲烷排放量显著下降。
 
　　“综合国内外已有成果，发现IPCC对秸秆还田的甲烷排放量高估了近50%。”张卫建表示，该成果不仅可为全球稻田温室气体排放估算提供重要参数，而且可以矫正社会对稻田秸秆还田的认识。
 
　　“错误的估算会导致评价不准，对亚洲一些稻作国家不太公平，另外也希望引起人们对创新作物选育与栽培技术更加准确的认知。目前，我们正联合全国优势队伍，以‘十三五’国家重点研发项目为平台，开展水稻丰产优质和稻田固碳减排的稻作技术研发，积极为水稻提质增效和绿色发展做贡献。”他说道。
 
　　相关论文信息：DOI：10.1111/gcb.13737；
 
　　DOI：10.1111/gcb.14529；
 
　　DOI：10.1126/sciadv.aau9038