稻田與稻作農(nóng)業(yè)對碳中和的啟示

張旭輝 潘根興

稻作農(nóng)業(yè)起源于中國。在江西省萬年縣，野生稻馴化為栽培稻可追溯到1萬年前。在浙江省浦江縣上山遺址考古發(fā)掘，破碎的紅土陶罐中保存著1萬年前的炭化稻粒，證實了南方新石器時期村落中已有規(guī)模化水稻生產(chǎn)和稻米加工。良渚文化遺址也生動地展現(xiàn)了距今約5000年前中國南方已存在以稻作農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的早期文明。長期的稻作農(nóng)業(yè)和相關(guān)的生產(chǎn)、加工、貿(mào)易和消費孕育出燦爛的稻作文化，它在中華文明形成和發(fā)展中具有重要的地位。

稻作農(nóng)業(yè)極可能起源于南方丘陵河谷地區(qū)和沿海平原地區(qū)，特別是長江中下游是我國歷史最悠久的水稻產(chǎn)區(qū)。隨著人口遷移和歷代的屯墾，今天，稻作農(nóng)業(yè)遍及全國，從黑龍江到海南島，從臺灣到新疆伊犁河谷，從黃浦江流域到海拔2500米以上的云貴高原，播種面積達(dá)3000萬公頃，約占全國耕地面積的1/4。利用豐富的天然水資源的南方水稻生產(chǎn)，不僅產(chǎn)量遠(yuǎn)高于北方旱作，抵抗不利氣候變化災(zāi)害能力也更強，通過京杭大運河的“南糧北運”，稻作農(nóng)業(yè)長期支撐著中華民族的糧食供需平衡，為中華民族的生存和繁衍做出了巨大貢獻。同時，基于水耕的稻作農(nóng)業(yè)歷經(jīng)萬年，土地沒有退化，人口沒有減少，文化沒有湮沒，鄉(xiāng)村沒有衰落，生產(chǎn)可持續(xù)、生態(tài)可持續(xù)、生活可持續(xù)，堪稱全球可持續(xù)農(nóng)耕文明的瑰寶，其對全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)的啟示和借鑒作用仍有待挖掘。

水稻土固碳與溫室氣體減排

稻田是生產(chǎn)能力高而土壤質(zhì)量相對較好的農(nóng)業(yè)資源，也是作物生產(chǎn)力較為穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)土壤。我國稻區(qū)過去主要分布于南方各省，但當(dāng)前華北、東北和西北都有較大面積分布，盡管土壤、氣候、水資源以及農(nóng)業(yè)管理地區(qū)間差異大，但長期的耕作實踐和農(nóng)藝培育，稻田土壤在土壤發(fā)生和肥力特性方面趨向于形成共同的特征：豐富的土壤有機質(zhì)、穩(wěn)定的土壤（微）結(jié)構(gòu)和較高的養(yǎng)分有效性。千百年耕作利用和管理，特別是精耕細(xì)作的水耕熟化，在自然（母質(zhì)和氣候）基礎(chǔ)上，形成和發(fā)育出一類特殊的人為土壤——水稻土，在《中國土壤系統(tǒng)分類》中被特別分類為人為土亞綱。

水稻土的共同特點是土壤積累豐富的有機質(zhì)，同比旱地多1/4 以上。研究表明，1990年代，中國國土表層土壤有機碳庫約200億噸，3000萬公頃面積的水稻土中約占11億噸。[1]根據(jù)《全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)》，當(dāng)時旱作地區(qū)農(nóng)田耕層有機碳含量為10.9克/千克，而水稻土高達(dá)14克/千克；每公頃水稻土耕層保有的有機碳近45噸，遠(yuǎn)高于旱地土壤33噸。這些保存的有機碳來自植物光合作用對大氣二氧化碳的固定。因此，水稻土比旱地土壤固碳容量高30%左右。自第二次土壤普查以來，中國農(nóng)業(yè)土壤每年多固定了3400萬噸碳，其中900多萬噸碳是水稻土固定的。因此，保護稻田也保護了農(nóng)業(yè)中重要的碳庫。

根據(jù)土壤學(xué)的研究，水稻土固碳與稻田水耕熟化下發(fā)育的穩(wěn)定的微團聚體固碳及水稻土中特殊的氧化鐵礦物固碳有關(guān)。土壤團聚體發(fā)育中，一些有機質(zhì)被包裹在團聚體內(nèi)部或細(xì)小的團聚體間，成為顆粒態(tài)有機質(zhì)，具有較高的生物活性。太湖地區(qū)肥沃水稻土的典型特征是“鱔血結(jié)構(gòu)”，即淹水下的亞鐵排水后形成氧化鐵膠膜，不僅固定了可溶性的和根系沉積的有機碳，還有吸收甲烷的能力。

水稻土的獨特性還在于土壤中的有機質(zhì)可以支撐更多的微生物生物量，這對于土壤生物多樣性具有特殊意義。大數(shù)據(jù)整合分析表明，旱地土壤耕層微生物商（微生物生物量碳占土壤有機碳的比例）平均為2.6%，而水稻土達(dá)3.2%，也就是說，同樣含量的有機質(zhì)，水稻土比旱地多養(yǎng)育0.6%的微生物，并且微生物生物量的碳氮比，旱地不到10，而水稻土為15，說明水稻土微生物的碳利用效率明顯高于旱地，而對氮素的競爭要低于旱地。這些特性可能使得水稻土比旱地土壤有更高的氮素轉(zhuǎn)化和作物利用。20世紀(jì)八九十年代，糧食生產(chǎn)平均產(chǎn)量，稻田比旱地增加30%～40%。進入21世紀(jì)后，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步，旱地作物產(chǎn)量（例如玉米和小麥）大幅度提高，但水稻產(chǎn)量仍比旱作平均高產(chǎn)20%左右。

當(dāng)然，水稻生產(chǎn)會導(dǎo)致溫室氣體排放，特別是淹水下的甲烷排放和化肥施用引起的氧化亞氮排放。每季每公頃稻田的甲烷排放在200～400千克，主要與水分狀況有關(guān)，淹水時間越長、新鮮秸稈還田越多，甲烷排放越高[2]。稻田氮肥施用引起的氧化亞氮排放系數(shù)平均約0.27%，顯著低于旱地（缺省值1.0%）。特別地，稻田水分狀況對甲烷和氧化亞氮排放有顯著影響，淹水增加甲烷排放但降低氧化亞氮排放，稱為“蹺蹺板”效應(yīng)。因此，通過節(jié)水灌溉控制稻田溫室氣體排放是把“雙刃劍”。有意義的是，土壤有機碳增加有利于降低氧化亞氮排放，但并不一定增加甲烷排放，尤其是秸稈不直接還田下。因此，稻田仍可能是溫室氣體的匯，或者是凈碳匯。根據(jù)在太湖地區(qū)的研究，稻田生態(tài)系統(tǒng)的一季生產(chǎn)的凈碳匯可達(dá)6～8噸碳/公頃，而旱作下凈碳匯為2～4噸碳/公頃。因此，稻田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排潛力仍可能高于旱地農(nóng)田。近年來的研究進一步證明，秸稈轉(zhuǎn)化為廄肥，甚而轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭施于農(nóng)田可大幅度增加土壤凈碳匯，并提高水稻產(chǎn)量及其穩(wěn)定性。

總之，水稻土有機碳固定及穩(wěn)定性是一個復(fù)雜的問題，在長期的演化中，土壤有機質(zhì)的積累，推動了土壤團聚體的建成和穩(wěn)定，促進了有機質(zhì)—微生物—生命活動的耦合，既有利于維持和提高土壤肥力、保持生物多樣性，又有利于通過固碳而減少溫室氣體排放（如氧化亞氮的排放）。特別是采用秸稈生物質(zhì)炭作為有機質(zhì)管理的策略下，稻田的固碳減排將對農(nóng)業(yè)碳中和做出更大的貢獻。

稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的碳中和意義

農(nóng)田具有碳源和碳匯的雙重屬性，特別是稻田是人工濕地，本身就具有“綠色”屬性和多重功能，是生態(tài)產(chǎn)品的重要供給者，同時也是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。雖然水稻種植等生產(chǎn)活動會產(chǎn)生大量溫室氣體，但另一方面，水稻生產(chǎn)可通過光合作用、土壤輸入及合理的農(nóng)業(yè)措施等進行生物固碳和土壤固碳，通過養(yǎng)分周轉(zhuǎn)、廢棄物循環(huán)利用等有利于農(nóng)業(yè)碳中和[3]。

在中華民族的農(nóng)業(yè)歷史上，依據(jù)特定地區(qū)的資源稟賦和人文特征，在長期植稻的歷史進程中發(fā)育出具有地域性或者鄉(xiāng)土性稻作農(nóng)業(yè)文化。而稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)是指以水稻種植為基礎(chǔ)，包括傳統(tǒng)稻作品種資源、稻作技術(shù)、稻作文化和稻田景觀等要素在內(nèi)的傳統(tǒng)稻作生產(chǎn)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)中的一種重要類型。從遺產(chǎn)的核心特征角度來看，稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)可以分為稻作起源類、稻魚共生類、稻作梯田類、稻作地標(biāo)文化類和稻旱輪作類等。稻作起源類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的核心特征是重要稻作品種與技術(shù)的起源和悠久的水稻栽培歷史，遺產(chǎn)地多在考古學(xué)界認(rèn)可的栽培稻發(fā)源地之列；稻作地標(biāo)文化類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的核心特征是其名貴珍稀的稻米在歷史上曾作為“貢米”。而其他稻作文化遺產(chǎn)或多或少基于生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，特別是養(yǎng)分、有機質(zhì)的循環(huán)利用，總體上具有碳中和效益：稻魚共生類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的核心特征是在水稻田中養(yǎng)殖各種水產(chǎn)品，如魚、鴨、蝦、蟹等，其中以稻田養(yǎng)魚、稻田養(yǎng)鴨最為普遍；稻作梯田類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的核心特征是在梯田上進行水稻種植，多具有森林—村落—梯田—水系“四度同構(gòu)”的生態(tài)結(jié)構(gòu)和精巧的水土資源管理技術(shù)；稻旱輪作類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的核心特征是水稻與小麥、蔬菜等輪作[4]。

傳統(tǒng)的稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)因其經(jīng)受了歷史的檢驗，具有豐富的農(nóng)業(yè)生物多樣性和良好的生態(tài)效益，如稻作地標(biāo)文化類農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)可以形成并保護優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源。稻魚共生類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中，稻魚、稻鴨共作時的相互作用能夠控制稻田病蟲草害，提高土壤肥力，改善根系性狀，增強抗倒伏能力，從而在減少化肥農(nóng)藥施用量的同時提高水稻產(chǎn)量。稻作梯田類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)可以通過精巧的水土資源管理技術(shù)實現(xiàn)卓越的水土保持和水源涵養(yǎng)功能。稻旱輪作類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的復(fù)種輪作制度在充分利用地區(qū)水熱資源的同時，可以有效預(yù)防土壤病蟲害的發(fā)生[4]。因此，傳統(tǒng)的稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)本身就是水稻生產(chǎn)的 “碳中和”歷史實踐。在穩(wěn)定氣候變化作為全球社會重大需求的今天，挖掘這些稻作文化的碳中和意義，弘揚這些遺產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展的理念，具有重要的現(xiàn)實意義。

以稻魚共生系統(tǒng)為例，這種稻作文化起源于春秋時期，我國南方山區(qū)先民適應(yīng)自然的水稻生產(chǎn)，發(fā)展出“火耕水耨、飯稻羹魚”的稻作經(jīng)營和生活模式，歷經(jīng)1200多年而不廢，至今在浙江、貴州、云南、四川、廣西、湖南等長江以南地區(qū)廣泛分布，廣義的結(jié)合水產(chǎn)的稻魚共作系統(tǒng)總面積曾達(dá)到150萬公頃。具有特定水稻品種和魚類品種組合的歷史“稻魚共生”稻作文明遺存在浙江青田、貴州從江得到保護和開發(fā)。2005年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織將浙江青田稻田養(yǎng)魚“稻魚共生”列入首批世界農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)予以掛牌保護[5]。根據(jù)溫室氣體觀測研究，稻田養(yǎng)魚的稻魚系統(tǒng)比水稻單作每年每公頃減少溫室氣體排放約1噸二氧化碳當(dāng)量。粗略估計，全國現(xiàn)有稻田養(yǎng)魚共作系統(tǒng)面積120多萬公頃，每年比單作水稻生產(chǎn)減排了120多萬噸溫室氣體排放（以二氧化碳當(dāng)量計）[6]。在高原山區(qū)，這種“火耕水耨、飯稻羹魚”的稻作文明，擺脫了“刀耕火種、 茹毛飲血”的原始和低效的生產(chǎn)和生活方式，既利于土地可持續(xù)利用，又利于人類飲食結(jié)構(gòu)改善和生活質(zhì)量的提升，是人類對旱地農(nóng)業(yè)利用的創(chuàng)新。

同時，這些具有地域性歷史（文化）價值的稻作文化遺產(chǎn)的保護和開發(fā)，不但有助于傳承中華農(nóng)耕文明中碳中和的歷史積淀，還有助于發(fā)展基于循環(huán)、綠色、健康稻作農(nóng)業(yè)的鄉(xiāng)土性農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，融合這些文化遺產(chǎn)中生物多樣性農(nóng)業(yè)、碳中和農(nóng)業(yè)和地域文化（歷史）傳承農(nóng)業(yè)的核心價值，發(fā)展水稻生產(chǎn)、田園服務(wù)和鄉(xiāng)土康養(yǎng)多功能服務(wù)型農(nóng)業(yè)，助推鄉(xiāng)村振興，并通過“健康生態(tài)、健康生產(chǎn)和健康生活”最終服務(wù)于健康中國大戰(zhàn)略。這既有利于保持中國稻作農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)優(yōu)勢，又利于傳承和保護稻作農(nóng)耕文化傳統(tǒng)，樹立中國農(nóng)業(yè)在世界上的“文化自信”，并作為中華民族對世界做出重要貢獻的示范。

[1]Pan G X， Li L Q， Wu L S， et al. Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in Chinas paddy soils. Global Change Biology， 2004，10： 79-82.

[2]李得蘭，徐華，蔡祖聰. 稻田CH4和N2O排放消長關(guān)系及其減排措施. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2008， 27（6）： 2123-2130.

[3]劉明明，雷錦鋒.我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)碳中和的法制保障研究. 廣西社會科學(xué)，2021，9： 30-38.

[4]閔慶文， 張碧天. 稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)及其保護與發(fā)展探討. 中國稻米， 2019， 25（6）： 1-5.

[5]岳冬冬， 王魯民. 稻魚共生系統(tǒng)的低碳漁業(yè)生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)研究——基于溫室氣體減排視角. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報， 2013， 28（4）： 392-396.

[6]游修齡. 稻田養(yǎng)魚——傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的典型之一. 農(nóng)業(yè)考古， 2006， 4（4）： 222-224.

關(guān)鍵詞：稻作農(nóng)業(yè) 水稻土 土壤固碳 碳中和 稻作文化遺產(chǎn) ■