秸稈還田下水稻豐產(chǎn)與甲烷減排的技術(shù)模式

張 俊 鄧艾興 尚子吟 唐志偉 嚴(yán)圣吉 張衛(wèi)建

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，100081，北京；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達(dá)峰碳中和研究中心，100081，北京）

水稻是亞洲第一、世界第二大口糧作物，稻田是全球第二大溫室氣體甲烷（CH4）的主要排放源之一，其CH4排放約占全球人為CH4排放的20%[1]。水稻豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和稻田 CH4減排直接關(guān)系到世界糧食安全和全球氣候變化減緩，是國內(nèi)外學(xué)界、政界及社會廣泛關(guān)注的重大科學(xué)問題。2019年我國水稻總產(chǎn)居世界第一，超過2.1億t，占全球水稻總產(chǎn)的21.9%；水稻播種面積近0.3億hm2，占全球水稻播種面積的 15.6%，僅次于印度[2]。因此，我國水稻產(chǎn)量變化和CH4排放一直被世界關(guān)注，2021年4月18日《中美應(yīng)對氣候危機聯(lián)合聲明》中將CH4等非CO2溫室氣體減排納入減緩氣候變化的八大行動之中[3]；2021年11月由美國和歐盟牽頭，在英國格拉斯哥舉行的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第26次締約方大會（UNFCCC COP26）上，108個國家組建“全球甲烷承諾”（Global Methane Pledge），承諾到2030年前CH4排放降至2020年的70%[4]。在此次會議上，中美雙方于2021年11月11日簽訂了《中美關(guān)于在21世紀(jì)20年代強化氣候行動的格拉斯哥聯(lián)合宣言》，共同承諾創(chuàng)新激勵機制，促進(jìn)農(nóng)業(yè)CH4減排，其中稻田CH4減排是重點領(lǐng)域[5]。

水稻是我國第一大口糧作物，稻田CH4排放占我國農(nóng)業(yè)碳排放總量的22%以上[6]。因此，水稻豐產(chǎn)與 CH4減排不僅是國家糧食安全戰(zhàn)略和農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略需求，也是國家碳達(dá)峰與碳中和的戰(zhàn)略要求，是體現(xiàn)我國提高國家自主貢獻(xiàn)的具體舉措之一。隨著我國稻田作物產(chǎn)量水平的不斷提升以及農(nóng)村居民生活條件的不斷改善，稻田秸稈利用問題日益突出[7]。事實上，作物秸稈作為土壤肥力培育和碳匯功能提升最有效的材料，稻田秸稈還田日益受到重視。研究[8-9]表明，秸稈還田有利于提高土壤有機質(zhì)，且還田年限越長，增產(chǎn)作用越明顯。但是在傳統(tǒng)淹水耕作下，大量秸稈集中還田會產(chǎn)生不利于水稻根系生長的還原性有毒物質(zhì)，以及導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體 CH4排放增加[10]。前期研究[11-13]表明，秸稈還田下通過品種、耕作和栽培方式優(yōu)化均可以有效減少稻田CH4排放，同時維持較高的水稻產(chǎn)量。為了協(xié)調(diào)稻田碳匯提升和水稻豐產(chǎn)減排，作者依托 “十三五”國家重點研發(fā)計劃“稻作區(qū)土壤培肥與豐產(chǎn)增效耕作技術(shù)”項目，創(chuàng)建了秸稈好氧還田與水稻豐產(chǎn)減排種植技術(shù)模式，并進(jìn)行了大面積示范應(yīng)用，取得顯著效果。為此，本文對該稻作模式的主要技術(shù)環(huán)節(jié)及綜合效應(yīng)進(jìn)行總結(jié)，為其他類似區(qū)域提供技術(shù)參考。

1 豐產(chǎn)減排稻作新模式的綜合效益及其技術(shù)原理

水稻豐產(chǎn)和 CH4減排的協(xié)同理論與技術(shù)是作者近20年來一直努力創(chuàng)新的領(lǐng)域，尤其是在“十三五”國家重點研發(fā)計劃“稻作區(qū)土壤培肥與豐產(chǎn)增效耕作技術(shù)”項目的資助下，聯(lián)合全國水稻主產(chǎn)區(qū)的 39家優(yōu)勢團(tuán)隊，開展了稻田秸稈好氧還田耕作、增密調(diào)氮控水增氧栽培和耕種肥一體化作業(yè)機具等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，并針對我國南方雙季稻區(qū)、長江流域水旱兩熟區(qū)和東北一熟稻區(qū)的稻田生態(tài)環(huán)境和稻作技術(shù)特征，進(jìn)行技術(shù)集成和示范推廣。水稻主產(chǎn)區(qū)百畝示范方結(jié)果（表1和表2）顯示，與秸稈厭氧還田的常規(guī)稻作模式相比，稻作新模式水稻單產(chǎn)提高 4.1%～8.8%，氮肥利用效率提高30.2%～36.0%，水稻凈收益增加 8.3%～9.7%，穩(wěn)糧增效增收效應(yīng)顯著。

表1 三大水稻主產(chǎn)區(qū)常規(guī)稻作模式和稻作新稻作模式技術(shù)要點Table 1 Key technical points of conventional model and optimized model in three main rice planting regions

表2 水稻主產(chǎn)區(qū)不同稻作模式下水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和凈收益比較Table 2 Comparison of rice yield, partial factor productivity of nitrogen and net income during rice growth duration of different models in main rice planting regions

對百畝示范方田間溫室氣體排放監(jiān)測（表3）發(fā)現(xiàn)，稻作新模式與常規(guī)模式相比也表現(xiàn)出顯著的綜合減排效果。稻作新模式下，水稻季單位面積CH4排放量在 80.1～362.1kg/hm2，比常規(guī)模式減排31.7%～75.7%。氧化亞氮（N2O）排放有增有減，但模式間差異不顯著，而且相對于 CH4排放來說，N2O排放只占稻田溫室氣體總排放的3.1%。因此，稻作新模式下水稻季溫室氣體總排放比常規(guī)模式下降31.5%～71.7%，減排效果顯著。與此同時，稻作新模式的水稻產(chǎn)量略占優(yōu)勢（表2），且單位產(chǎn)量溫室氣體排放量僅為 0.25～0.54kg CO2-eq/kg，即單位水稻產(chǎn)量溫室氣體排放量比常規(guī)模式下降 34.4%～73.4%，水稻季溫室氣體排放強度也下降顯著。

表3 水稻主產(chǎn)區(qū)不同稻作模式的溫室氣體排放差異Table 3 Differences of greenhouse gas emission of different models in main rice planting regions

與常規(guī)模式相比，稻作新模式通過秸稈切碎勻拋還田，提高了秸稈入土率和還田質(zhì)量；通過改變泡田整地、高強度攪漿為旱耕或旱旋、免攪漿濕整地，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和通透性，增加稻田耕層氧含量，促進(jìn)耕層CH4氧化；通過增加栽插密度、調(diào)整氮肥用量和控水灌溉，促進(jìn)水稻根系生長，增加根際泌氧量和CH4氧化，同時減少水稻生長前期還原性有毒、有害物質(zhì)，保證構(gòu)建高質(zhì)量水稻群體，從而提高產(chǎn)量，最終實現(xiàn)水稻豐產(chǎn)和稻田CH4減排的協(xié)同。

2 豐產(chǎn)減排稻作新模式的技術(shù)要點與參數(shù)

2.1 選用高產(chǎn)低碳排放水稻品種，提高植株輸氧能力

水稻是濕生植物，具有發(fā)達(dá)的通氣組織，可以將空氣中的氧氣輸送到地下根系，并分泌到稻田根際土壤中。不同的水稻品種和栽培措施下，植株的通氣組織和輸氧能力不同，這不僅影響根系活力進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量，也將影響土壤CH4氧化菌的氧化能力。因此，不同水稻品種不僅生產(chǎn)力差異顯著，而且CH4排放也顯著不同。通氣組織強、根系活力壯、收獲指數(shù)高的品種，不僅產(chǎn)量潛力高，而且CH4排放低[11,14]。因此，各稻區(qū)首先要結(jié)合種植制度和溫光資源特征，選擇通過國審（或省審）的收獲指數(shù)高、莖稈強壯、根系發(fā)達(dá)、抗倒能力強并且生育期適宜、抗逆性強的優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)水稻品種。

2.2 前茬作物秸稈切碎勻拋，緩解秸稈對水稻播栽質(zhì)量的影響

秸稈還田是改善土壤肥力和提升碳匯功能的主要措施。但是大量秸稈還田下，如果處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致后期稻田耕整和播栽質(zhì)量不高，影響水稻產(chǎn)量。同時，秸稈成堆翻入土壤，也容易促進(jìn)CH4產(chǎn)生。因此，前茬作物（水稻、小麥、油菜等）收獲時，需采用帶有秸稈切碎功能和拋撒裝置的收獲機（圖1a）。作物收獲時留茬高度≤15cm，秸稈切碎長度≤10cm，均勻覆蓋地表。若留茬過高、秸稈切碎拋撒達(dá)不到要求，宜采用滅茬旋耕機進(jìn)行一次滅茬作業(yè)。

圖1 稻田秸稈好氧還田耕作作業(yè)示意圖Fig.1 Diagram of tillage pattern for straw aerobic incorporation

2.3 旱耕濕整耕作，改善土壤通透性，增加耕層氧含量

前茬作物秸稈切碎勻拋后，根據(jù)田間墑情和種植季節(jié)要求，適時進(jìn)行耕整地作業(yè)。由于傳統(tǒng)淹水耕作模式下，作物秸稈處于厭氧環(huán)境，加上還田量大且氣溫高，不僅CH4排放高，而且秸稈集中腐解產(chǎn)生的大量還原性物質(zhì)容易毒害水稻根系。為此，稻田需改水耕水旋為旱耕旱旋，改善耕層結(jié)構(gòu)，提高土壤通透性，促進(jìn)耕層增氧；若條件不允許時，也可以濕耕或濕旋（圖1b）。同時，采用淺水泡田整地埋茬，可有效避免深水反復(fù)攪漿，不僅破壞耕層結(jié)構(gòu)，而且產(chǎn)生很多殘茬漂浮。對于不同的稻作區(qū)，耕作方式需因地制宜[15]。

2.3.1 旱耕或旱旋 秸稈還田后，東北一熟稻區(qū)可采取“1年翻 1年旋”輪耕整地方式，翻耕深度18～20cm，反旋深度＞15cm。水旱兩熟區(qū)可采取“水稻季翻耕+反旋碎垡埋茬、小麥季旋耕”的輪耕整地方式，夏糧收獲后，進(jìn)行旱耕或旱旋，翻耕深度25～30cm，旋耕深度 12～15cm。雙季稻區(qū)可采取“冬季1年翻耕、2年免耕”的輪耕整地方式，冬季翻耕深度20～25cm，春季旱（濕）反旋（＞15cm）埋茬，夏季旱（濕）反旋（＞15cm）埋茬。

2.3.2 免攪漿濕整 水稻栽插前，東北翻耕稻田灌水到淹沒最高垡片的2/3處（見水見土），泡田時間5～7d；東北旋耕稻田灌水深度高出土壤表面2～3cm，泡田時間 3～5d；南方旋耕整地后，淺水1～2cm泡田半天。淺水泡田后，進(jìn)行免攪漿平整田面、壓埋殘茬，使田面無秸稈及根茬漂浮，確保田塊四周平整一致。稻田旱整濕整可以保證秸稈還田后整地效果，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高耕層含氧量。

2.4 增密調(diào)氮控水栽培，促進(jìn)根系，增強莖稈，增加根際氧含量

水稻植株和根系是氧氣的主要通道，強壯的莖稈和強大的根系是增加水稻根際含氧量的基礎(chǔ)。增加栽插密度，既可確保水稻群體，也可直接增加前期單位土壤面積的根量；秸稈還田下可調(diào)節(jié)水稻生長前、后期氮肥用量，通過降低秸稈還田的碳氮比來減輕根系與土壤微生物的養(yǎng)分競爭，促進(jìn)根系生長；控水有利于增強根系活力和群體輸氧量，增加莖稈強度，提高抗倒能力[16]。

2.4.1 縮株距增密度 在當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培基礎(chǔ)上，縮小株距（或增加基本苗數(shù)），栽插密度提高 20%左右。通過提高密度，保苗擴根，保證群體數(shù)量，增加根系泌氧量（圖2a）。

圖2 水稻分蘗期（a）和灌漿初期（b）稻田控水狀況Fig.2 Controlled irrigation in rice tillering stage (a) and early grain-filling stage (b)

2.4.2 調(diào)蘗肥減穗肥 秸稈還田下，以當(dāng)?shù)赝寥牢⑸锾嫉葹閰⒄?，調(diào)整水稻前期和后期氮肥施用比例，協(xié)調(diào)水稻與土壤微生物的養(yǎng)分競爭。各稻區(qū)氮肥運籌調(diào)整因地而異，東北一熟稻區(qū)減少基肥氮用量（減量為全生育期總氮量 20%），同時將穗肥中占總氮量20%的氮肥調(diào)至蘗肥；對于南方水旱兩熟區(qū)，可減少穗肥氮用量（減量為全生育期總氮量20%）；對于南方雙季稻區(qū)，早稻和晚稻減少穗肥氮用量（減量為全生育期總氮量 20%），也可以冬季種植豆科綠肥，進(jìn)行秸稈與綠肥混合還田。

2.4.3 溝畦配套控水 通過全生育期水分控制，促根壯稈，提高水稻群體質(zhì)量，增加稻株輸氧量。栽插后淺水護(hù)苗，緩苗后適時露田3～5d，增加土壤含氧量，促進(jìn)根系生長；之后保持田面濕潤，促進(jìn)秧苗早發(fā)快長，增強水稻根系活力和泌氧能力，促進(jìn) CH4氧化；有效分蘗臨界葉齡期前后看苗曬田，苗到不等時，時到不等苗；孕穗、揚花期淺水?；?，齊穗后干濕交替；收獲前7～10d斷水?？厮鲅醮俑?，提高CH4氧化能力，實現(xiàn)CH4減排。對于直播田塊，直播后至3葉1心期，田間以濕潤為主，保持畦面無水，淺溝有水，做到田面不開裂不灌水，促使種芽快出苗，出全苗；分蘗期淺水和露田相結(jié)合，以減少還原性物質(zhì)毒害，促進(jìn)根系生長和CH4氧化[13]。

2.5 綠色病蟲草害防控，降低下茬作物病蟲草害發(fā)生率

病蟲草防控要堅持“預(yù)防為主、綠色防控、綜合防治”的原則，充分利用農(nóng)業(yè)防治、生物防治和化學(xué)防治等措施進(jìn)行統(tǒng)防統(tǒng)治[17]。苗期主要防治青枯病、立枯病、稻瘟病、稻薊馬、稻飛虱和潛葉蠅等病蟲害；抽穗期主要防治紋枯病、稻曲病、稻瘟病、螟蟲、稻縱卷葉螟、稻飛虱和稻苞蟲等病蟲害。不同區(qū)域應(yīng)根據(jù)田塊的草害發(fā)生特點及當(dāng)?shù)刂脖２块T病蟲草害情報，及時除草和防治病蟲害。

2.6 適時收獲，秸稈粉碎高質(zhì)量還田

水稻收獲應(yīng)在水稻蠟熟后期或完熟期進(jìn)行，田里應(yīng)提前排干積水，地表達(dá)到不陷腳的狀態(tài)，收獲時水稻籽粒含水率以 20%～25%為宜。選擇帶有秸稈切碎與拋撒裝置的水稻聯(lián)合收割機。收獲的同時進(jìn)行秸稈切碎，并均勻拋撒，水稻莖稈切碎長度約10cm，留茬高度約15cm[18]。對于雙季稻區(qū)冬季種植綠肥的田塊，可采取水稻留高茬套播綠肥的方式，留茬高度25～30cm，秸稈量少時也可適當(dāng)降低留茬高度。

3 豐產(chǎn)減排稻作新模式應(yīng)用的注意事項

3.1 前茬作物的病蟲草害控制

如果前茬作物的病蟲草害控制不到位甚至失控，可能導(dǎo)致還田秸稈攜帶過多的病源、蟲源及草種，增加水稻季防控難度。因此，對于前茬病蟲草害嚴(yán)重的田塊，建議進(jìn)行就地堆腐還田，或者離田無害化處理。

3.2 適時適墑?chuàng)尭?/h3>

旱耕地作業(yè)前，需保證田間土壤含水量≤30%。整地前如遇連續(xù)降雨，需排凈田面水，進(jìn)行濕耕濕整。該技術(shù)在洼地或排水不暢田塊的豐產(chǎn)減排效果可能會受影響，應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行技術(shù)調(diào)整。

3.3 增密調(diào)氮控水組合

秸稈好氧還田下，需要對水稻分蘗期控水，這可能影響水稻分蘗及群體形成。因此，在適度增密（20%）的基礎(chǔ)上，要適當(dāng)增加前期分蘗肥的氮肥施用，適當(dāng)減少后期氮肥用量。同時，控水時期要結(jié)合溝畦配套，實現(xiàn)快速排水和灌水。多雨地區(qū)，在不施肥的季節(jié)，可以打開田塊排水口，使排水口與田面齊平，實現(xiàn)及時自動排水。有效的灌排水管理需要配套的農(nóng)田溝渠，應(yīng)注意高標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)稻田建設(shè)。

3.4 先小面積示范后規(guī)模化推廣

任何一項新技術(shù)都存在一個學(xué)習(xí)過程，尤其是目前大多數(shù)農(nóng)戶還不太了解稻田 CH4排放及其減排技術(shù)。在推廣應(yīng)用中，要基于家庭農(nóng)場或合作社等新型經(jīng)營主體，建立低碳稻作示范基地，開設(shè)“田間課堂”，進(jìn)行手把手的技術(shù)指導(dǎo)和多種媒體形式的宣傳普及。在轉(zhuǎn)換農(nóng)戶生產(chǎn)理念的基礎(chǔ)上，提升他們對減排技術(shù)的認(rèn)知和接受水平，循序漸進(jìn)地擴大推廣應(yīng)用區(qū)域，確保技術(shù)指導(dǎo)到位，保障技術(shù)效果。

3.5 配套政策與激勵機制

水稻豐產(chǎn)與稻田 CH4減排是國家糧食安全與碳中和的戰(zhàn)略需求，盡管農(nóng)民在應(yīng)用新模式可以獲得部分收益，但是也需要承擔(dān)一定的風(fēng)險，比如氣候變化風(fēng)險，尤其是灌水得不到保障的地區(qū)。另外，CH4減排后的社會效益也不能直接體現(xiàn)在水稻價格上，也將影響農(nóng)民的積極性。因此，政府、企業(yè)及社會應(yīng)建立補貼政策、減排基金和保險政策，激勵水稻種植者積極參與CH4減排行動。