水稻與全球變暖

張田勘

目前，除去工業、汽車排放等人類活動，全球主要溫室氣體約有30%來源于農業。溫室氣體包括甲烷、二氧化碳、氧化亞氮等，這些氣體進入大氣后會導致氣候變暖，從而造成災害頻發。甲烷是位于二氧化碳之后的第二大溫室氣體，對全球溫室效應的貢獻率為20%，其中稻田排放的甲烷約占人為甲烷排放總量的11%。另外，稻田還是氧化亞氮的主要排放源之一，氧化亞氮是第三大溫室氣體，對全球溫室效應的貢獻率為6%～8%。這些數據表明，水稻或多或少與氣候變暖有關，但是以水稻產生的溫室氣體分量來看，又未必是導致全球變暖的主要原因。

最近，中國農業科學院研究團隊發表于《環境研究通訊》上的一篇論文指出，中國水稻的種植北界在30年的時間內向北方的高緯度地區遷移了近25千米。導致這一變化的主要原因是全球變暖。現在科學界的主流意見認為，人類活動應對全球變暖問題負主要責任，同時，種植水稻可能是導致全球變暖的原因之一。

水稻是全球最主要的糧食作物，世界50%以上的人口以稻米為主食。預計到2050年，在現有水稻種植面積基礎上，全球水稻產量仍需提高30%左右才能滿足未來人口增長和經濟發展對稻米的需求。

同時，水稻也是中國人的主要食糧，超過一半的中國人以大米為主食。國家統計局的數據顯示，2020年，全國糧食播種面積116768千公頃，其中谷物播種面積97964千公頃。谷物包括水稻、小麥和玉米。其中，水稻種植面積為30076千公頃，總產量為21186萬噸；小麥種植面積為23380千公頃，總產量為13425萬噸；玉米種植面積為41264千公頃，總產量為26067萬噸。

中國的水稻無論是種植面積還是產量，都高于其他兩類谷物，這也符合中國有超過一半人口主要吃大米的飲食習慣。不過，水稻種植北界向北遷移顯然不應由水稻承擔主要責任，因為人類的工業生產、汽車排放和其他人類活動對氣候變暖的影響更大。但是，水稻種植北移涉及糧食安全，是福還是禍，在短時間內難以判斷，但至少應當引起關注。此前，由于氣候變化，其他農作物也出現了種植區域向北方高寒地區遷移的情況。不過，這些研究有的是采用氣象模擬條件作為參數，有的是采用水稻分布情況分析水稻種植可能向北遷移，但都難以得出現實中的水稻種植區域向北遷移的真實情況。

此次中國研究人員發表的論文采用了更能反映真實情況的研究方法。研究團隊使用中高空間分辨率遙感影像反演的長時間序列水稻時空分布數據集，利用核密度估計算法提取并定量分析了水稻種植北界的分布及演變規律，得出了中國水稻種植實際向北遷移的結論。具體情況為，在過去30年間，中國水稻種植北界向高緯度地區平均遷移了24.93千米，最大遷移距離為88.01千米；向高海拔地區平均遷移了39.15米，最大遷移距離為117.08米。

水稻種植北界向北擴展有多種原因，如收益、農業政策、灌溉條件、旱育稀植技術等，但對水稻種植北界區域水稻擴張起主要作用的是氣溫增高，平均溫度每升高1%，水稻種植北界區域的水稻種植面積將增加2.24%。

從表面上看，水稻種植面積擴大是一件好事，因為種植面積擴大，水稻的產量也會增加，能為更多的人提供食糧，因此對于糧食安全有益。氣候變化不只影響中國，也影響到其他國家的水稻種植，如果這種情況在全球都一樣，也會增加全球的水稻種植面積。這對于全球以大米為主食的35億人也是一件大好事。但是，另一方面，氣溫升高，也有可能造成水稻減產和水稻品質降低，這一漲一消之間，可能會抵消水稻種植面積向北擴增帶來的收益。

美國北卡羅來納州立大學的研究團隊近期發表在美國《國家科學院院刊》上的一項研究顯示，溫暖的夜晚會改變水稻的生物節律，導致數百個基因比平時表達得早，而其他數百個基因比平時表達得晚。這些因素會讓水稻的生物鐘失控，因而可能導致水稻減產。此前國內外一些研究表明，氣溫升高對水稻的產量和營養都有負面影響。在平均氣溫上升1℃時，水稻的生育期將縮短約15天。水稻分蘗速度會由于生育期縮短而加快，造成有效分蘗減少，引起水稻穗重和總干重下降，降低水稻產量。同樣，小麥、玉米等作物的產量也會受氣溫升高的影響。

氣候變暖還會直接影響水稻的質量和外觀。在水稻開花至成熟階段，持續高溫可明顯縮短水稻的成熟天數，收割后的稻米籽粒會出現充實不良、籽粒不飽滿、胚透明度低和精米率降低，同時米粒無光澤。此外，水稻灌漿結實期間氣溫較高，收獲后的水稻煮出來的米飯較硬。反之，如果水稻灌漿結實期間氣溫涼爽，晝夜溫差大，其做成的米飯味道更香。另外，受高溫影響的大米，營養成分也較低。

通過這些科學研究結果可以看出，即便水稻排出的溫室氣體對全球變暖只有少量的作用，也不應當忽視。在水稻產量越來越高并能較好解決人們吃飯問題時，下一個要考慮的目標就是減少水稻的溫室氣體排放。這對于提高水稻的產量和質量都有益處，也能對糧食安全做出進一步貢獻。

解決之道仍在于科學，方法之一是種植節水水稻。2019年，上海市農科院生態研究團隊和上海市農業生物基因中心針對安徽省亳州、蚌埠、滁州、淮南、合肥、安慶、銅陵7個地區種植的節水抗旱稻進行了兩年的碳減排效益評估。結果表明，傳統水稻種植模式改為節水抗旱稻旱管種植模式后，稻田主要溫室氣體成分甲烷的排放量降低97%。

雖然水稻的淹灌式種植改為旱管種植模式后，另一種溫室氣體氧化亞氮的排放略有增加，但綜合溫室氣體（包括甲烷和氧化亞氮）減排達92%。實驗證明，在確保水稻產量的前提下，該模式是目前已知稻田甲烷減排效果最好的方法。

解決方法之二是改良水稻種子。把其他作物的基因轉移到水稻中，可能既減少水稻的碳排放，又能提高水稻產量并增加稻米的營養。中國研究人員發現，把大麥的基因SUSIBA2轉移到水稻中，就能起到這種作用。將SUSIBA2基因轉移至水稻后，這一基因在水稻中的表型明顯，不僅實現了稻粒淀粉含量升高，顆粒飽滿，還大幅度降低了水稻種植過程中的甲烷排放。這是第一種既高產又能降低甲烷排放的大米，為稻田溫室氣體排放問題提供了可持續的解決方案。

依靠科學，可以既解決全球人口的吃飯問題，也可以減少種植水稻造成的溫室氣體排放，熊掌和魚也可兼得。