中國中部南部雙季稻栽培CH4和N2O排放特征及其環境成本評估

沈建凱

摘 要 CH4和N2O是水稻生產過程中產生的2種重要溫室氣體。本文評估了中國中部和南部雙季稻生產CH4和N2O排放及潛在溫室效應環境成本。通過評估1992～2011年華中、華南10省（區）CH4和N2O排放量和環境成本發現：（1）20 a間，華中、華南CH4和N2O年均排放總量變化趨勢一致，呈“V”字走勢，2003年為轉折點。（2）1992～1996、1997～2001、2002～2006、2007～2011年華中、華南CH4和N2O年均排放量表現逐漸下降，近幾年排放量有增加態勢；單位面積排放量逐漸增加；CH4和N2O排放量對應環境成本變化與其一致。（3）華中CH4、N2O年均排放總量分別為200.13、0.66萬t，單位面積排放量分別為234.89、0.89 kg/hm2。華南CH4、N2O年均排放總量分別為125.42、0.48萬t，單位面積排放量分別為216.78、1.17 kg/hm2。（4）華中CH4、N2O年均排放量環境成本分別為7.05、0.41億美元，單位面積成本分別為98.65、5.54美元/hm2；華南CH4、N2O年均排放量環境成本分別為4.60、0.40億美元，單位面積成本為91.05、7.25美元/hm2。（5）華中的湖南和江西CH4、N2O分別占華中排放總量的68.02%、61.07%，華南的廣東和廣西CH4、N2O分別占華南排放總量的80.49%、75.51%，需重點考慮減少這些地區的CH4、N2O排放，降低生產環境成本。由此可見，中國中南部雙季水稻種植CH4、N2O排放量和環境成本較高，需要采取符合實際情況的減排措施，適度降低溫室氣體排放量和環境成本。

關鍵詞 雙季稻；CH4；N2O；溫室效應；環境成本

中圖分類號 X511、S511 文獻標識碼 A

Abstract Paddy field is an important source of atmospheric CH4 and N2O. Based on the agricultural date from National Bureau of Statistics of China， from 1992 to 2011， the CH4 and N2O emission and its greenhouse effect environmental cost of double rice cropping in Central and South China were estimated and analyzed， and reduction methods of CH4 and N2O emission were recommended for rice cultivation. The results showed that（1）In Central and South China， the annual emission variation of CH4 and N2O had a similar“V”trend， and a turning point was happened in 2003.（2）The average annual emission of CH4 and N2O was gradually decreased every 5 years from 1992 to 2011， but the unit area emission of rice cultivation of CH4 and N2O were increased gradually. And the variation trend of environment cost of greenhouse effects of CH4 and N2O were the same as their emission trend.（3）In Central China， the average annual emission of CH4 and N2O was 200.13×104， 0.66×104 t respectively， and the unit area emission was 234.89， 0.89 kg/ha correspondingly. In South China， the average annual emission of CH4 and N2O was 125.42×104， 0.48×104 t， and the unit area emission was 216.78， 1.17 kg/ha respectively.（4）In Central China， the environment cost of greenhouse effects of CH4 and N2O was 7.05×109， 0.41×109 USD and the unit area cost was 98.65， 5.54 USD/ha， and in the South China， the environment cost of greenhouse effect of CH4 and N2O was 4.60×109， 0.40×109 USD and the unit area cost was 91.05， 7.25 USD/ha.（5）The highest of CH4 and N2O emission was in Hunan and Jiangxi in Central China， and that in South China they was in Guangdong and Guangxi. To reduce the emission of CH4 and N2O in these areas is of a top priority. According to the study， in Central and South China， the emission and environmental cost of CH4 and N2O was so high that it should be reduced in a manner of innovative rice planting technology.

Key Words Double rice cropping； CH4； N2O； Greenhouse effect； Environmental cost

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.033

水稻是全球主要糧食作物之一，中國水稻種植面積約占世界的18.72%（FAO 2012年統計數據，http：//faostat.fao.org/）。水稻生產過程中會產生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體。稻田溫室氣體產生是一個復雜的過程，有機質經微生物分解產生CO2，淹水發酵產生CH4，硝化、反硝化過程產生N2O，土壤微生物也可促進CO2、CH4和N2O排放[1]。水稻種植雖排放CO2，但也吸收利用CO2，綠色植物CO2固定和呼吸釋放基本處于平衡態，所以水稻種植稻田產生的主要溫室氣體為CH4和N2O[2-4]。CH4和N2O溫室氣體排放產生的環境問題已引起了科學家的高度關注[5]。

據相關研究報道，1994年我國農業活動CH4排放量1 719.6萬t，占中國CH4排放總量的50.15%，稻田CH4排放量為614.7萬t，占中國CH4排放總量的17.9%[6]。王少彬等[7]采用IPCC方法估算中國1990年旱作地N2O排放為6.3萬t；王智平[8]估算我國農田N2O年排放總量為18.06萬t；王明星等[9]利用相關模型估算中國稻田CH4年排放總量在967～1 266萬t之間。李艷春等[10-11]估算了福建農業源CH4和N2O排放量發現，稻田是農業CH4溫室氣體主要排放源，福建稻田CH4排放量1991～1995年均值31.11萬t，2006～2010年年均值僅為18.80萬t；農業生態系統N2O排放從1991年2.62萬t增加到2010年的3.13萬t，農田排放量占總排放量66.2%，但并未對水稻生產產生的N2O排放量做出評估。王平等[12]采用CH4 MOD模型估算了我國1955～2005年稻田CH4排放量發現，從20世紀60年代到90年代，CH4排放量逐漸增加，主要集中分布在華中和華南地區的湖南、湖北、江西、廣東、廣西、江蘇和安徽，其排放總量約占全國稻田CH4排放總量的73.2%。我國亞熱帶和熱帶地區水稻主產省份湖南、湖北、浙江、安徽、江西、福建、廣東、廣西、云南、海南等10省（區）2011年稻谷播種面積占全國的62.56%（國家統計局數據），稻谷總產量占全國的58.15%，是中國中部、南部雙季稻主要生產區。為此，筆者初步評估了該地區1992～2011年雙季稻栽培CH4和N2O排放及其排放潛在溫室效應的環境成本，為進一步提出符合當前實際情況、在技術上可行的減排減量溫室氣體控制措施，并為實現增加水稻生產保障糧食安全與水稻生產環境保護問題的協調解決提供參考。

2 結果與分析

2.1 稻田CH4和N2O排放量與排放特征

2.1.1 CH4排放量與排放特征 根據中國中南部雙季稻主要產區10省（區）1992～2011年稻田CH4排量走勢（圖2），除海南和云南年度變化幅度不明顯外，其它8省（區）稻田CH4排放量于1992年開始逐漸下降，2003年排量下降至最低點；2003年之后湖南、江西地區CH4排放量逐年快速增加，其它省份（區）排放量趨于平緩增加。1992～1996、1997～2001、2002～2006、2007～2011年華中和華南地區CH4年均排放量分別為247.89、216.74、159.17、176.71萬t和140.01、142.45、113.66、105.56萬t。

華中、華南10省（區）20 a稻田CH4年均排放量中，湖南居首（77.23萬t），占年均CH4排放總量23.72%；排放量最低則是云南（2.03萬t），僅占年均排放總量0.62%。華中CH4年均排放量200.13萬t，華南（125.42萬t）為華中的62.67%。華中湖南排放量最高，占華中總排量38.59%，安徽（15.33萬t）最低；華南廣東（54.24萬t）CH4排放量最高，占華南地區的43.25%，云南最低。

1992～2011年20 a華中、華南10省（區）稻田CH4單位面積排放量（圖3），除湖北和廣東有逐年下降趨勢外，其它8省（區）單位稻田面積CH4排放量逐年增加，且遞增速率不同。1992～1996、1997～2001、2002～2006、2007～2011年華中和華南地區的CH4單位面積排放量分別為230.25、233.75、232.48、243.08 kg/hm2和208.39、216.73、214.88、227.12 kg/hm2，均表現逐漸增加。

10省（區）20 a稻田CH4單位面積排放量湖南和湖北最高，分別249.96和250.75 kg/hm2，最低海南為173.91 kg/hm2，僅為湖北的69.35%。華中CH4單位面積平均排放量234.89 kg/hm2，華南為（216.78 kg/hm2）華中的92.29%，華中和華南地區CH4單位種植面積排放數量接近。華中湖北和湖南單位面積排放量最高，安徽（208.74 kg/hm2）省最低；華南地區云南以241.72 kg/hm2排放量居首，海南（173.91 kg/hm2）最低，為云南的71.95%。3 討論與結論

1992～2011年華中和華南10省（區）CH4和N2O年均排放量除海南和云南表現年際變化較小或略微增加外，其它省（區）均表現為1992～2003年處于下降態勢，2003年以后呈增加態勢，但速率不同，這與華中、華南在國家生產糧食政策引導下雙季稻播種面積變化趨勢一致。稻田CH4和N2O溫室氣體的排放量受稻作制、水稻品種、土壤理化性質、生態氣候條件及水肥田間管理措施等因素的綜合影響[22-28]，在不同生態條件下，稻田CH4和N2O排放均存在差異，研究結果具有一定的不確定性。但以本文方法估算福建、湖南稻田CH4排放量估算結果與李艷春[10]、樂群[29]研究結果基本一致，從這個意義上講，該研究結果在實踐中具有一定參考價值。中國中南部10省（區）雙季稻種植年均CH4和N2O排放量325.55萬t和1.14萬t，對應潛在溫室效應環境成本分別是13.67億美元和0.71億美元；華中雙季稻種植CH4和N2O排放量為200.13萬t和0.66萬t，對應環境成本分別為8.41億美元和0.41億美元；華南雙季稻種植CH4和N2O排放量為125.42萬t和0.48萬t，對應環境成本分別為5.27億美元和0.30億美元。由此可見，中國中南部地區雙季稻種植CH4和N2O排放量和對應的環境成本均較高，且CH4排放量大于N2O排放量，CH4環境成本大于N2O環境成本；CH4、N2O排放量和環境成本均是華中大于華南。從單位水稻種植面積CH4、N2O排放量及環境成本來看，華中地區CH4、N2O單位面積排放量分別為234.89、0.89 kg/hm2，對應單位面積環境成本分別為98.65、5.54美元/hm2；華南CH4、N2O單位面積排放量分別為216.78、1.17 kg/hm2，對應單位面積環境成本為91.05、7.25美元/hm2。單位水稻種植面積CH4排放量和環境成本華中高于華南，N2O排放量和環境成本則華中低于華南。華中地區湖南和江西的CH4、N2O排放量分別占華中排放總量的68.02%、61.07%，華南地區廣東和廣西的CH4、N2O分別占華南排放總量的80.49%、75.51%。由此可見，華中的湖南、江西和華南的廣東、廣西是CH4和N2O排放量較大的地區，應優先考慮減少這些地區稻田CH4和N2O溫室氣體的排放。

糧食安全是永恒的主題，農業生態環境惡化問題也日益突出，在糧食生產中應當積極利用科技成果，采用稻-鴨生態種養[30-32]、肥料替代[33-34]、間歇或濕潤灌溉[35]、提高氮肥利用率[36]、長效肥料與控釋肥技術[37]、生物抑制劑[38]等技術減少水稻生產溫室氣體的排放。水稻生產實踐中，既不能一味追求糧食產量而忽略生態保護，也不能盲目減少糧食生產而保護環境，需研究符合國情的可實現水稻生產經濟效益、生態效益雙贏的水稻栽培技術與模式。

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