水稻養(yǎng)活了全球一半以上的人口。從東南亞的梯田稻田，到南亞的灌溉農(nóng)田，數(shù)十億人的日常飲食都離不開它。但幫助水稻生長的淹水土壤，也為釋放氣候變暖氣體的微生物創(chuàng)造了理想條件。

我們這個由環(huán)境與農(nóng)業(yè)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)在一項(xiàng)新研究中發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)60年代以來，全球稻田溫室氣體排放幾乎翻了一番。到2010年代，年均排放約為11億噸二氧化碳當(dāng)量，大致相當(dāng)于23900萬輛汽車一年的排放。這使水稻種植成為畜牧業(yè)之外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最大的排放來源，而且未來對稻米的需求預(yù)計(jì)還會繼續(xù)上升。

農(nóng)民其實(shí)可以在不降低產(chǎn)量的情況下減少水稻種植的排放。我們的研究發(fā)現(xiàn)，如果所有種植者都采用目前最佳的“氣候智慧型”做法，到本世紀(jì)中葉，全球水稻排放可減少約10%。不過，要減緩氣候變化，還需要更大幅度的減排，這意味著必須開發(fā)更多、也更有效的新策略。

水稻排放上升，主要有兩個原因：一是水稻種植面積擴(kuò)大，二是管理方式不斷強(qiáng)化。全球排放增量中，略高于一半來自水稻種植面積擴(kuò)張。以非洲為例，自20世紀(jì)60年代以來，當(dāng)?shù)厮痉N植面積大致翻了一番，并推動該地區(qū)甲烷排放增加到原來的兩倍。

稻農(nóng)使用了更多化肥和有機(jī)改良物，比如秸稈和糞肥；栽種了產(chǎn)量更高的水稻品種；也提高了種植密度。結(jié)果是，稻米產(chǎn)量增加了，溫室氣體排放也隨之上升。收割后，把曬干的稻稈翻入土壤，是一種提高土壤肥力的做法。但這也會增加甲烷排放。

我們發(fā)現(xiàn)，尤其值得注意的一項(xiàng)做法是：收割后將稻稈留在田里，再翻耕入土，以提升土壤肥力。自20世紀(jì)60年代以來，這一做法約占水稻總體凈排放增量的18%。

原因在于，這會增加土壤中的有機(jī)質(zhì)，而微生物分解這些有機(jī)質(zhì)時，會產(chǎn)生更多甲烷排放。全球氣溫上升還會進(jìn)一步加快土壤中微生物的活動，從而帶來更多排放。

化肥也是排放的重要來源。2000年以后，合成氮的使用量增加了約76%，推動了一氧化二氮排放上升。這也是一種強(qiáng)效溫室氣體。它約占全球人類活動總凈排放增量的9%。

灌溉方式同樣會影響排放。過去，灌溉稻田在整個生長季通常始終保持淹水狀態(tài)，因此適應(yīng)潮濕環(huán)境的微生物會持續(xù)產(chǎn)生溫室氣體。不過，在過去20年里，越來越多農(nóng)民開始采用間歇性淹水，也就是定期把田里的水排掉。

與持續(xù)淹水相比，這種變化降低了甲烷排放。但我們也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤在干濕之間循環(huán)變化時，氮氧化物排放會略有增加。這是因?yàn)檫@種變化會促使微生物把有機(jī)質(zhì)中的氮轉(zhuǎn)化為氮氧化物氣體，尤其是一氧化二氮。如果要為水稻生產(chǎn)標(biāo)出完整的氣候成本，僅僅分別測量某一種溫室氣體還不夠。

稻田會從潮濕或淹水土壤中排放甲烷和一氧化二氮。水稻生長過程中會從大氣中吸收二氧化碳，而在作物輪作間隙，土壤又會流失碳。要得到可信的全球估算，必須一致地核算不同氣體以及土壤碳變化，同時還要處理跨越不同地區(qū)和時間的數(shù)據(jù)追蹤所帶來的不確定性。

為此，我們結(jié)合了三種方法：

生態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型，用來模擬作物生長、水分條件和土壤過程，從而同時估算甲烷、一氧化二氮和土壤碳的變化。人工智能驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在實(shí)測數(shù)據(jù)稀缺的地區(qū)改進(jìn)估算，以覆蓋全球所有水稻種植區(qū)域。對1200多個田間試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行的薈萃分析，則為灌溉、化肥使用和作物殘體管理等做法如何影響排放，提供了直接證據(jù)。

綜合這些方法后，我們得以量化1961年至2020年的排放，識別這些排放背后的驅(qū)動因素，并測試在未來氣候條件下各種減排技術(shù)的潛力。

在不犧牲產(chǎn)量的前提下，水稻生產(chǎn)確實(shí)存在減排空間。我們的研究發(fā)現(xiàn)，減少化肥和作物殘體施用，調(diào)整灌溉方式，在兩次淹水之間留出干燥期，以及減少耕作，合起來到本世紀(jì)中葉可使全球水稻溫室氣體排放減少約10%。

一個讓我們意外的發(fā)現(xiàn)是，從溫室氣體排放角度看，用更多有機(jī)肥替代化學(xué)肥料并不總是更好，盡管這種做法在有機(jī)農(nóng)業(yè)中受到重視。在田間保留適量秸稈和其他作物殘體，有助于提升土壤肥力；但如果過量，反而會增加甲烷排放，并加快土壤碳流失。另一種辦法，是把部分殘體制成生物炭，即先在低氧條件下焚燒，再混入淹水土壤。生物炭有助于穩(wěn)定土壤碳，并減少甲烷排放。

水稻長期種植在淹水田中，這會促進(jìn)甲烷生成。研究人員發(fā)現(xiàn)，定期排水可以幫助農(nóng)民減少稻田甲烷排放。改進(jìn)水分管理，是減少排放的有力工具。定期排水會減少甲烷生成，盡管它可能會輕微增加一氧化二氮排放。這一策略在灌溉基礎(chǔ)設(shè)施可靠的地區(qū)尤其有效，包括亞洲大片地區(qū)。

管理化肥使用也是有效的減排策略，尤其適用于施肥強(qiáng)度較高的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，包括亞洲部分地區(qū)和南亞部分地區(qū)。氮肥過量并不會明顯提高作物產(chǎn)量，卻會增加一氧化二氮排放和水污染。減少過量施氮，既能減排、減輕水污染，也能幫農(nóng)民節(jié)省成本。

耕作，也就是在作物季之間翻耕土壤，這種做法的效果在不同地區(qū)差異很大。減少耕作常被視為更有利于氣候，但我們的研究發(fā)現(xiàn)，在淹水系統(tǒng)中，它并不總能把凈排放降到最低。

在溫帶稻田，包括美國大部分地區(qū)和其他一些溫帶種植區(qū)，較低的氣溫會限制甲烷生成，因此減少耕作帶來的土壤碳收益，可能超過甲烷風(fēng)險。但在溫暖且長期淹水的系統(tǒng)中，低氧條件會增強(qiáng)微生物活動，增加甲烷生成，并加快土壤碳流失。

總體來看，沒有一種做法在所有地方都有效。每個地區(qū)都需要評估最適合本地的減排方式。

結(jié)論既讓人看到希望，也令人警醒：有針對性地組合并優(yōu)化管理措施，可以在不損失水稻產(chǎn)量的前提下，實(shí)現(xiàn)有意義的減排，但全球范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的總減排幅度仍然有限。

如果要進(jìn)一步減排，就需要提供更好的指導(dǎo)，幫助農(nóng)民確定秸稈、生物炭等有機(jī)改良物的最佳使用水平，同時還需要開發(fā)新的方法，在不削弱水稻生產(chǎn)的情況下減少排放。