基于沼氣工程的稻田甲烷排放減半策略

晏珍梅， 孫 輝, 郭建斌, 鞠鑫鑫, 董仁杰*

(1.國(guó)家級(jí)生物質(zhì)能科學(xué)與技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部可再生能源清潔化利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳中和研究中心， 北京 100083； 2. 山東中農(nóng)三月環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 山東 煙臺(tái) 264006)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)氣候變化第二次兩年更新報(bào)告》[1]，2014年我國(guó)溫室氣體年排放為111.86億噸二氧化碳當(dāng)量(CO2e)，其中農(nóng)業(yè)活動(dòng)的排放為8.3億噸CO2e，包括4.67億噸CO2e的農(nóng)業(yè)活動(dòng)甲烷排放，占全國(guó)總甲烷排放量的40%。農(nóng)業(yè)活動(dòng)甲烷排放來(lái)源于動(dòng)物腸道、動(dòng)物糞便管理、水稻種植、農(nóng)業(yè)廢棄物田間焚燒等4個(gè)方面(見(jiàn)圖1)，其中水稻種植產(chǎn)生的甲烷排放約為兩億噸CO2e，占全國(guó)甲烷排放的15%以上。面向我國(guó)雙碳戰(zhàn)略和甲烷減排的國(guó)際博弈[2]，稻田甲烷減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 我國(guó)農(nóng)業(yè)活動(dòng)中甲烷排放的來(lái)源及比例[1]

1 稻秸沼渣還田

“稻秸沼渣還田”是指在水稻收獲時(shí)，稻秸離田進(jìn)入沼氣工程厭氧消化生產(chǎn)清潔能源沼氣，并以去除產(chǎn)甲烷潛力后的沼渣形式還田。當(dāng)前國(guó)家鼓勵(lì)秸稈還田實(shí)現(xiàn)肥料化利用[3]，其具有促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累、增加土壤氮磷鉀等養(yǎng)分含量、實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)等效果。但與此同時(shí)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)秸稈直接還田時(shí)存在一些問(wèn)題，例如土傳病蟲(chóng)害的高發(fā)、為快速降解秸稈需額外施用氮肥等[4]，同時(shí)在水稻種植中稻秸還田無(wú)疑將增大進(jìn)入稻田的有機(jī)物量，進(jìn)而導(dǎo)致稻田甲烷排放的提升。

圖2展示了秸稈生物質(zhì)通過(guò)直接還田和經(jīng)沼氣工程處理還田的物質(zhì)流動(dòng)。秸稈生物質(zhì)中有機(jī)組分根據(jù)結(jié)構(gòu)和降解難易可以分為易降解組分(非結(jié)構(gòu)性有機(jī)物)和難降解組分(結(jié)構(gòu)性有機(jī)物)，以質(zhì)量計(jì)其中非結(jié)構(gòu)性的易降解組分可占總重的50%～60%[5]。在秸稈直接還田時(shí)，土壤微生物將快速降解秸稈中的易降解組分，在旱田非厭氧環(huán)境下被分解產(chǎn)為二氧化碳，而在水田厭氧環(huán)境下被分解產(chǎn)生甲烷(即產(chǎn)生稻田甲烷排放)，而難降解組分將成為土壤有機(jī)質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間尺度下緩慢降解產(chǎn)生CO2；在秸稈沼渣還田時(shí)，易降解組分將于沼氣工程中分解產(chǎn)生沼氣實(shí)現(xiàn)清潔能源的產(chǎn)出，同時(shí)難降解組分進(jìn)入沼渣還田同樣將成為土壤有機(jī)質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間尺度下緩慢降解產(chǎn)生CO2。因此秸稈的直接還田或沼渣還田將不會(huì)影響還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增加和固碳效果，侯曉莉[6]圍繞稻田不同施肥措施下固碳效果的研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。此外厭氧消化還具有滅活病蟲(chóng)害的作用，可以避免直接還田時(shí)土傳病害的發(fā)生[7]；同時(shí)厭氧消化過(guò)程還將生成植物激素、腐殖質(zhì)類(lèi)等具有良好農(nóng)藝效果的物質(zhì)[8]。總體而言，相比秸稈直接還田，通過(guò)秸稈沼渣還田不僅不減少對(duì)農(nóng)田有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)更為良好的肥料化利用。

圖2 秸稈生物質(zhì)直接還田和經(jīng)沼氣工程處理還田的物質(zhì)流動(dòng)

秸稈生物質(zhì)不同還田路徑物質(zhì)流動(dòng)計(jì)算：

秸稈易降解有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～60%[5]，同時(shí)秸稈中有機(jī)碳含率約為40%[9]，因此1 kg干秸稈中易降解組分的有機(jī)碳量為0.20～0.24 kg，難降解組分的有機(jī)碳量為0.16～0.20 kg。

(1)旱田秸稈直接還田時(shí)，1 kg秸稈中的易降解組分將轉(zhuǎn)化為0.73～0.88 kgCO2(由于秸稈生長(zhǎng)中吸收CO2，這部分并不產(chǎn)生溫室氣體排放)；難降解組分進(jìn)入農(nóng)田可實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)增加并產(chǎn)生0.16～0.20 kg C的固碳效果(折合0.59～0.73 kgCO2)。

(2)稻田秸稈直接還田時(shí)，1 kg秸稈中的易降解組分將轉(zhuǎn)化為0.27～0.32 kgCH4(折合6.75～8.00 kgCO2e)，即造成稻田甲烷排放，此值為理論上限，但這部分甲烷在進(jìn)入大氣前將有大約80%被土壤和根系附近的甲烷氧化菌氧化[10]，因此實(shí)際的甲烷減排要遠(yuǎn)小于此；難降解組分進(jìn)入農(nóng)田可實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)增加并產(chǎn)生0.16～0.20 kgC的固碳效果(折合0.59～0.73 kgCO2)。

(3)秸稈沼渣還田，阻斷了易降解組分向旱田或稻田中的流動(dòng)，在消化罐中1 kg秸稈中的易降解組分將可生成0.37～0.44 kgCO2和0.13～0.16 kgCH4(以二氧化碳和甲烷產(chǎn)生比1∶1計(jì)算，其中所產(chǎn)CO2不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放；所產(chǎn)CH4將被收集利用作為清潔能源折合5.8～7.0 MJ能量，折合0.20～0.24 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，換言之可減少標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的0.54～0.65 kgCO2排放)；秸稈的難降解組分將進(jìn)入沼渣還田實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)增加并產(chǎn)生0.16～0.20 kgC的固碳效果(折合0.59～0.73 kgCO2)。

先前已有報(bào)道針對(duì)秸稈沼氣工程替代化石能源和實(shí)現(xiàn)土壤固碳效果溫室氣體減排的測(cè)算，例如霍麗麗[11]等認(rèn)為，通過(guò)沼氣工程處理離田秸稈生產(chǎn)沼氣替代煤炭并將沼渣還田固碳可減少溫室氣體排放945.4 g CO2e·kg-1秸稈。針對(duì)產(chǎn)生大量甲烷排放的水稻種植，稻秸沼渣還田還可有效阻斷稻秸直接還田所帶來(lái)的甲烷排放。

2 稻田甲烷排放核算方法

稻田甲烷的排放是植株—土壤—微生物互作的結(jié)果，本質(zhì)上決定于稻田的厭氧狀態(tài)和稻田中有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)甲烷潛力[12]。在以國(guó)家或省域等為對(duì)象計(jì)算大尺度下稻田甲烷排放時(shí)，《2019年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》[13]中的推薦公式為：

CH4 rice=∑i,j,k(EFi,j,k×ti,j,k×Ai,j,k)

即通過(guò)匯總不同生態(tài)系統(tǒng)與水分管理體系(i)、有機(jī)質(zhì)添加(j)和其他條件(k)的日排放因子EF與其種植時(shí)間t和年度收獲面積A獲得。其中，生態(tài)系統(tǒng)與水分管理體系決定了稻田中的厭氧狀態(tài)水平；有機(jī)質(zhì)添加決定了稻田中有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)甲烷潛力；其他條件包括土壤類(lèi)型、水稻品種、含添加劑的硫酸鹽等，將通過(guò)影響稻田厭氧水平、甲烷菌活動(dòng)等對(duì)稻田甲烷排放產(chǎn)生影響。

通過(guò)選擇不同的生態(tài)系統(tǒng)和水分管理體系以改變厭氧環(huán)境實(shí)現(xiàn)稻田甲烷減排，已有不少研究成果和實(shí)際的農(nóng)業(yè)模式[14-15]，不再贅述。而在有機(jī)物方面，稻田甲烷排放核算中涉及的“有機(jī)質(zhì)的投入”是指通常具有產(chǎn)甲烷潛力的有機(jī)質(zhì)，例如稻秸、堆肥。如果將有機(jī)質(zhì)在投入稻田之前去除其產(chǎn)甲烷潛力，即消除前季作物根茬殘留、稻稈還田和農(nóng)家肥等有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)甲烷潛力，則無(wú)論生態(tài)系統(tǒng)和水分管理體系如何，從有機(jī)質(zhì)角度將大大減少甲烷產(chǎn)生的可能，這即是探索的水稻甲烷減排的另一個(gè)主要方式：基于沼氣工程處理離田稻秸后沼渣還田助力稻田甲烷減排。

參照IPCC方法學(xué)Tier2，可以對(duì)特定條件下的稻田甲烷日排放因子EF進(jìn)行改進(jìn)與修正以提高精確性：

EF=EFo×SFi×SFp×SFs×SFr×SFj

(1)

式中：EF為日排放因子,kgCH4ha-1d-1；EFo為不含有機(jī)添加物的持續(xù)性淹水稻田的基準(zhǔn)排放因子(見(jiàn)表1)；SFi為種植期中生態(tài)系統(tǒng)和水分管理?yè)Q算系數(shù)(見(jiàn)表2)；SFp為種植期前季前不同水分狀況的換算系數(shù)(無(wú)量綱，本文取作1)；SFs和SFr為土壤類(lèi)型和水稻品種轉(zhuǎn)化系數(shù)，暫無(wú)推薦值需根據(jù)核算實(shí)際情況確定，缺省值可暫取1；SFj為有機(jī)添加物類(lèi)型和數(shù)量變化的換算系數(shù)，其計(jì)算公式為：

表1 不含有機(jī)添加物的持續(xù)性淹水稻田的基準(zhǔn)排放因子EFo (kgCH4·ha-1d-1)

表2 種植期中生態(tài)系統(tǒng)和水分管理?yè)Q算系數(shù)SFi

SFj= (1+ ∑ROAm×CFOAm)0.59

(2)

式中：ROAm為第m種有機(jī)添加物的施用率，t·ha-1，稻秸為干重，其它為鮮重；CFOAm為第m種有機(jī)添加物的轉(zhuǎn)換系數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 有機(jī)添加物的轉(zhuǎn)換系數(shù)COFAi

3 稻秸沼渣還田的稻田甲烷減排量

稻秸直接還田和稻秸沼渣還田直接影響的是稻田的甲烷排放因子EF中稻田有機(jī)物添加的系數(shù)SFj。SFj與有機(jī)添加物使用率ROAm和有機(jī)添加物轉(zhuǎn)換系數(shù)CFOAm有關(guān)，稻秸直接還田和稻秸沼渣還田的有機(jī)物使用情況列于表4。

表4 稻秸直接還田和稻秸沼渣還田下有機(jī)物施用情況

根據(jù)我國(guó)當(dāng)前水稻生產(chǎn)情況，每公頃約產(chǎn)稻7噸，相應(yīng)稻秸產(chǎn)量約為每公頃7噸(水稻谷草比約為1[16])。在直接還田的情景下，7噸稻秸將全部進(jìn)入稻田導(dǎo)致甲烷的生成，根據(jù)表4中COFAm系數(shù)和公式2，對(duì)于稻秸還田不久就進(jìn)行下一季種植(南方一年多熟水稻田情景)和稻秸還田很久才進(jìn)行下一季種植(北方地區(qū)一年一熟水稻田情景)而言，SFj分別約為3.41和1.65。

在稻秸沼渣還田情景下，同樣每公頃7噸稻秸，根據(jù)當(dāng)前稻秸離田收獲的機(jī)械收集系數(shù)為74%[17]，即大約1.82 t稻秸(含根系)仍無(wú)法離田，這部分稻秸與直接還田的情景相類(lèi)似；對(duì)于5.18 t離田稻秸，考慮當(dāng)前厭氧消化降解率約為50%[18]，則經(jīng)沼氣工程處理后有約2.59 t沼渣返還田中。根據(jù)表4中COFAm系數(shù)和公式2，在稻秸沼渣還田情景下，南方一年多熟水稻田的SFj為1.93～2.01，相比稻秸直接還田的3.41減少了41%～43%；北方一年一熟水稻田的SFj為1.31～1.41，相比稻秸直接還田的1.65減少了15%～21%。

稻秸沼渣還田的稻田甲烷減排量計(jì)算過(guò)程如下：

(1)南方一年多熟稻田，稻秸直接還田時(shí)：

SFj=(1+7×1.00)0.59≈3.41

(2)北方一年一熟稻田，稻秸直接還田時(shí)：

SFj=(1+7×0.19)0.59≈1.65

(3)南方一年多熟稻田，稻秸沼渣還田時(shí)，當(dāng)沼渣的CFOAm取下限0.09時(shí)：

SFj=(1+1.82×1.00+2.59×0.09)0.59≈1.93

當(dāng)沼渣的CFOAm取上限0.17時(shí)：

SFj=(1+1.82×1.00+2.59×0.17)0.59≈2.01

因此南方一年多熟稻田稻秸沼渣還田時(shí)：

SFj=1.93～2.01

(4)北方一年一熟稻田，稻秸沼渣還田，當(dāng)沼渣的CFOAm取下限0.09時(shí)：

SFj=(1+1.82×0.19+2.59×0.09)0.59≈1.31

當(dāng)沼渣的CFOAm取上限0.17時(shí)：

SFj=(1+1.82×0.19+2.59×0.17)0.59≈1.41

因此北方一年一熟稻田稻秸沼渣還田時(shí)：

SFj=1.31～1.41

比較不同情景的SFj，對(duì)于南方一年多熟稻田稻秸沼渣還田比稻秸直接還田減少41%～43%;對(duì)于北方一年多熟稻田稻秸沼渣還田比稻秸直接還田減少15%～21%。

4 稻秸沼渣還田和水分管理相耦合

通過(guò)沼氣工程處理離田稻秸并以沼渣形式還田的減排策略還可與稻田水分管理措施進(jìn)行耦合。稻秸沼渣還田發(fā)生在水稻收獲后和新的一季水稻種植前，而稻田水分管理發(fā)生在水稻生長(zhǎng)期間。兩種稻田甲烷減排工藝不沖突，通過(guò)耦合可以形成減排的疊加效果。

根據(jù)表2，采用先進(jìn)的水分管理策略，例如“間歇性灌水+單次落干”、“間歇性灌水+多次落干”，其水分管理系數(shù)SFi分別是連續(xù)灌水的71%和55%。盡管有的研究中認(rèn)為先進(jìn)節(jié)水型灌溉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)稻田甲烷排放減少60%以上[19]，本文仍參考IPCC推薦的水分管理系數(shù)SFi(見(jiàn)表2)計(jì)算SFi×SFj，比較分析情景下稻田甲烷排放變化。對(duì)于南方一年多熟水稻田，稻秸沼渣還田耦合間歇性灌水相比常規(guī)水稻生產(chǎn)(稻秸直接還田并連續(xù)灌水)，稻田甲烷排放可減少58%～69%；對(duì)于北方一年一熟水稻田，稻秸沼渣還田耦合間歇性灌水相比常規(guī)水稻生產(chǎn)可減少39%～56%。

需要指出的是，稻田水分管理雖然是一項(xiàng)有效的稻田甲烷減排的技術(shù)路徑，但受當(dāng)?shù)貧夂驐l件影響巨大。在我國(guó)南方，水稻生產(chǎn)季節(jié)與連雨天氣季節(jié)高度重疊，即使不灌水也難以實(shí)現(xiàn)稻田落干的目標(biāo)，這給我國(guó)稻田生產(chǎn)甲烷減排帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。如果考慮南方水稻生產(chǎn)中有一半的機(jī)會(huì)可以實(shí)施有效的稻田水分管理，耦合稻秸沼渣還田的平均稻田甲烷排放可減少50%～56%。

目前全國(guó)秸稈還田率約為50%[20]，其中稻秸還田率達(dá)70%左右[21]，按此測(cè)算實(shí)施稻秸沼渣還田且南方水稻生產(chǎn)中有一半的機(jī)會(huì)、北方水稻生產(chǎn)全部進(jìn)行有效的稻田水分管理，全國(guó)稻田甲烷減排將達(dá)到31%～39%。隨著耕地質(zhì)量提升要求的進(jìn)一步落實(shí)，稻秸還田率將進(jìn)一步增加，有機(jī)肥化肥替代的力度也進(jìn)一步加強(qiáng)，稻秸沼渣還田耦合水分管理有望在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)稻田甲烷減半的目標(biāo)。

稻秸沼渣還田和水分管理相耦合的減排量計(jì)算過(guò)程如下：

(1) 南方一年多熟稻田，稻秸直接還田+連續(xù)灌水時(shí)：

SFi×SFj=1.00×3.41=3.41

(2) 北方一年一熟稻田，稻秸直接還田+連續(xù)灌水時(shí)：

SFi×SFj=1.00×1.65=1.65

(3)南方一年多熟稻田，稻秸沼渣還田(SFj=1.93～2.01)+間歇性灌水時(shí)，當(dāng)采用“間歇性灌水+單次落干”(SFi=0.71)時(shí)：

SFi×SFj≈1.37～1.43

若采用“間歇性灌水+多次落干”(SFi=0.55)時(shí)：

SFi×SFj≈1.06～1.11

因此南方一年多熟稻田，間歇性灌水+稻秸沼渣還田時(shí)：

SFi×SFj≈1.06～1.43

(4)北方一年一熟稻田，稻秸沼渣還田(SFj=1.31～1.41)+間歇性灌水時(shí)，當(dāng)采用“間歇性灌水+單次落干”(SFi=0.71)時(shí)：

SFi×SFj≈0.93～1.00

若采用“間歇性灌水+多次落干”(SFi=0.55)時(shí)：

SFi×SFj≈0.72～0.78

因此北方一年多熟稻田，間歇性灌水+稻秸沼渣還田時(shí)：

SFi×SFj≈0.72～1.00

比較不同情景的SFi×SFj，對(duì)于南方一年多熟稻田間歇性灌水+稻秸沼渣還田比連續(xù)灌水+稻秸直接還田減少58%～69%；對(duì)于北方一年一熟稻田間歇性灌水+稻秸沼渣還田比連續(xù)灌水+稻秸直接還田減少39%～56%。

5 結(jié)論與展望

稻秸沼渣還田相比較稻秸直接還田可使我國(guó)南方一年多熟稻田甲烷排放減少40%以上，使北方一年一熟水稻田甲烷排放減少15%以上。

與連續(xù)灌溉和稻秸直接還田相比，稻秸沼渣還田與優(yōu)化水分管理耦合，可以減少南方一年多熟水稻田甲烷排放50%以上，減少北方一年一熟水稻田甲烷排放39%以上。

隨著耕地質(zhì)量提升要求的進(jìn)一步落實(shí)，稻秸還田率將進(jìn)一步增加，有機(jī)肥化肥替代的力度也進(jìn)一步加強(qiáng)，稻秸沼渣還田耦合水分管理有望在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)稻田甲烷減半的目標(biāo)。

綜合而言，稻秸離田進(jìn)入沼氣工程厭氧消化去除產(chǎn)甲烷潛力后沼渣還田具有巨大的稻田甲烷減排潛力，此外其還具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)稻秸沼渣還田可以避免稻秸直接還田帶來(lái)的土傳病蟲(chóng)害高發(fā)、稻秸難以腐爛需額外肥料投入等缺點(diǎn)； 2)通過(guò)建設(shè)沼氣工程實(shí)施稻秸沼渣還田具有良好的工藝可操作性，秸稈沼氣工程厭氧消化技術(shù)成熟，與當(dāng)前水稻生產(chǎn)傳統(tǒng)不存在沖突，可以在不影響現(xiàn)有的種植制度下進(jìn)行，農(nóng)民接受度高。

稻田甲烷減半策略的實(shí)施，受限于水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。首先應(yīng)該出臺(tái)完整的稻田甲烷減排測(cè)算方法學(xué)，稻田甲烷減排納入國(guó)家溫室氣體減排交易；其次，國(guó)家應(yīng)在稻田甲烷減半建設(shè)初期進(jìn)行水分管理和沼氣工程建設(shè)和運(yùn)行補(bǔ)貼，引領(lǐng)全球稻田甲烷減半策略的實(shí)施，掌握全球甲烷減排的話語(yǔ)權(quán)。