平衡水稻生产和减少温室气体排放：评估农业实践的可行潜力

《Resources, Conservation and Recycling》：Balancing rice production and greenhouse gas mitigation: assessing the feasible potential of agricultural practices

本研究通过数据合成和决策树模型评估水稻水、有机质、氮管理实践对产量和温室气体排放的影响，发现综合管理可提升全球水稻产量11.4%并创造62亿美元社会效益，但导致排放增加17.1%和5.1%，需平衡减排与粮食安全，强调经济可行性和区域适应性。

　　水稻田温室气体（GHG）排放是全球范围内重要的温室气体排放源之一，主要受到水分管理、有机质和氮素管理的影响。尽管优化这些农业实践可以有效减少排放，但以往的评估多集中于其理论上的减排潜力，忽视了当前的实施情况、现实中的限制因素以及对粮食安全的影响。本研究通过数据综合分析和决策树模型，揭示了综合管理实践对全球水稻产量和温室气体排放的双重影响。结果显示，综合管理实践可使全球水稻产量提升11.4%，并带来620亿美元的社会效益。然而，这些实践也导致单位面积和单位产量的温室气体排放分别增加17.1%和5.1%。排放的增加主要归因于发展中国家如印度、缅甸和孟加拉国，这些国家广泛采用秸秆还田作为提高产量的可行方法。我们的研究强调了改进灌溉、推广先进农业机械和合理处理秸秆的重要性，以限制温室气体排放。研究还指出，如果没有显著的投资，水稻农业在温室气体减排方面的潜力可能比之前认为的要小。

在全球人口持续增长并日益富裕的背景下，水稻作为世界上最重要的主粮作物之一，其生产面临着巨大的压力。虽然近年来农业集约化提高了水稻产量，但水稻农业仍然贡献了约52%的农田温室气体排放，尤其是甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）。这些排放主要源于水稻田中长期淹水造成的厌氧条件，以及营养物质循环的低效。因此，迫切需要在维持或提高水稻产量的同时，减少温室气体排放的管理措施。

在农业管理实践中，水分、有机质和氮素管理是影响水稻产量和温室气体排放的关键因素。根据IPCC Tier 1方法论，这些因素对水稻田的排放和产量有显著影响。已有研究和元分析表明，优化这些管理措施可以提高作物产量、减少温室气体排放，或同时实现两者。例如，秸秆还田和有机肥的施用可以提高水稻产量2.5%至8.5%。实施季节中排水可以减少水稻种植过程中的甲烷排放达53%。使用硝化抑制剂和深施氮肥则能降低氧化亚氮排放73%至95%。然而，这些减排措施的效果受到土壤特性和气候条件的强烈影响，而目前对这些措施在不同地区实施效果的空间差异仍缺乏充分理解，限制了针对不同农业生态区制定具体措施的能力。

此外，这些减排措施的可行性仍然存在不确定性。其实施往往受到基础设施不足、农业机械陈旧和实施成本高昂等因素的制约。例如，尽管生物炭和硝化抑制剂能有效减少排放，但其较高的生产成本限制了其广泛应用。减排措施必须具备经济可行性，才能吸引农民的采纳，因为农民的首要关注通常是即时的经济利益。此外，一些减排措施已经在某些地区广泛采用，这意味着它们进一步减少温室气体排放的潜力有限。一项最近的建模研究预测，提出的适应性策略可以使全球水稻产量增加36%，同时减少温室气体排放23%。然而，现有评估通常未能考虑关键的现实实施挑战和这些措施当前的采用率。为了实现从理论潜力到实际政策的转变，必须将这些社会经济限制因素，如经济成本、技术可及性和农民接受度，纳入考虑范围。准确评估减排机会需要一个能够平衡这些实际限制因素，并兼顾粮食安全和温室气体减排的框架。

本研究综合分析了来自21个国家的287篇文献中的2961个田间观测数据，以评估水分、有机质和氮素管理实践对水稻产量和温室气体排放的影响。首先，我们进行了元分析，以量化这些实践的影响。其次，我们建立了回归模型，结合土壤、气候和管理数据，估算这些实践在全球范围内的潜在影响。第三，我们使用决策树模型，为每个国家设计定制的实践组合，以确保粮食安全并实施可行的措施。决策树方法在土地管理和农业领域已被证明是一种有效的工具，因为它能够基于数据做出实际且经济可行的决策。通过考虑多种因素，如环境条件和经济限制，这种方法在印度、孟加拉国和非洲国家等地区得到了成功应用，这些地区的土壤管理和作物产量优化是关键挑战。最后，我们估算了这些综合实践对水稻产量、温室气体排放和社会效益的影响，分别在国家和全球尺度上进行分析。据我们所知，本研究是首个考虑现实约束条件的国家特定评估，揭示了在现有社会经济条件下，温室气体减排潜力的有限性。

在数据收集方面，我们全面搜索了Web of Science、Scopus和Google Scholar等数据库，寻找探讨农业管理实践对目标变量（甲烷排放、氧化亚氮排放和水稻产量）影响的研究。关键词包括“稻田”或“水稻”以及“间歇灌溉”、“交替湿润干燥”、“节水灌溉”、“有机改良”、“有机肥料”、“秸秆还田”等。通过这一系统性的数据收集，我们能够覆盖1989年至2023年间的广泛研究，并确保数据的多样性和代表性。

在常见管理实践的影响分析中，我们筛选了七种普遍报道的水分、有机质和氮素管理实践，用于元分析。这一综合分析基于21个国家的287篇文献中的2961个田间观测数据。元分析结果显示，间歇灌溉在平均情况下能显著减少甲烷排放达73%。生物炭、缓释/控制释放氮肥、尿素酶/硝化抑制剂等措施也被纳入分析，显示出其在不同条件下的减排潜力。然而，这些措施的实施效果因地区而异，且受到多种因素的影响，如土壤类型、气候条件和农业技术水平。

在讨论部分，我们指出，全球范围内对稻田管理措施的研究普遍忽视了这些措施在实施中的可行性，特别是经济可行性以及区域差异。这些因素对于在国家和全球范围内大规模实施减排措施至关重要。例如，某些地区可能由于经济条件限制，难以推广高成本的减排技术，而另一些地区则可能因农业基础设施不足而无法有效实施这些措施。因此，未来的政策制定和农业实践优化必须考虑到这些现实因素，以确保减排措施能够真正落地并产生预期效果。

在结论部分，本研究展示了通过空间优化和经济可行的水分、氮素和有机质管理实践组合，可以显著提升全球水稻产量的潜力。通过整合近3000个田间观测数据，并采用决策树方法制定定制化的管理策略，我们发现这些综合措施可以将全球水稻产量提高约8800万吨每年，几乎是预期增长的1.5倍。然而，这一增长伴随着温室气体排放的增加，这表明在提高产量的同时，必须找到有效的减排途径。本研究强调了在农业实践中平衡产量提升与温室气体减排的重要性，同时指出需要进一步的研究和政策支持，以克服实施中的障碍，实现可持续的农业发展。