越南湄公河三角洲大规模稻田CO2减排潜力研究：以OM4040水稻品种为例

本综述系统评估了越南湄公河三角洲地区大规模机械化水稻种植（OM4040品种）的环境与经济效益。研究采用IPCC方法论，揭示通过改进水管理（AWD）、激光平地与肥料优化可实现每吨水稻减排15.5% CO2e，秸秆再利用还可额外避免2.4–3.0吨CO2e/10公顷·季。尽管机械化增加燃料排放，但高产效益与碳效率（CE/CSI）指标显著提升。经济分析表明土地成本是影响盈利的关键因素。该研究为气候智慧型农业（Climate-Smart Agriculture）提供实证支持，强调基础设施与土地政策对可持续农业转型的重要性。

　　

1 引言

湄公河三角洲是越南重要的水稻产区，占全国土地面积的12.35%，承载着1746万人口。传统水稻种植以家庭式小规模生产为主，而大规模水稻生产采用机械化与先进技术，通过系统化施用化肥农药提升产量。水稻种植既是全球粮食安全的重要保障，又面临气候变化威胁与排放挑战。淹水栽培产生的甲烷(CH₄)占全球温室气体排放的94%，相当于7870 kg CO₂e。为应对气候变化，亟需转向可持续水稻生产方式，在保持高产的同时减少排放。

大规模机械化水稻种植展现出显著潜力，其中交替润湿干燥（AWD）和激光平地等技术被广泛采用以提高效率并降低排放。水稻田有效的水管理对减少温室气体排放尤为关键，持续淹水产生的厌氧环境会显著增加甲烷生成。合适的水管理策略既可减少温室气体排放，又能节约水资源，维持或提高作物产量。

化肥使用通过多种途径导致氧化亚氮(N₂O)排放，其中尿素、磷肥和NPK IBDU的N₂O排放量分别为1.67、1.47和1.29 kgN₂O/ha。氮肥约占全球温室气体排放的5%，用量直接影响排放强度。提高氮肥利用效率可最大限度减少水稻种植中的N₂O排放，推动可持续农业实践。

近期研究全面探讨了循环经济框架下农业和食物废弃物的可持续管理，包括堆肥、沼气生产及通过先进技术进行资源回收，凸显了农业废弃物增值的全球挑战与机遇。食物废弃物在采收后和加工阶段若处理不当会导致大量温室气体排放，因此需将废弃物价值化策略如秸秆堆肥、食物废弃物转化沼气或生物炭制备纳入水稻生产体系，以增强循环性和资源效率，减少排放，改善土壤健康，为农业社区提供新的经济机会。

本研究聚焦OM4040水稻品种，该品种具有高产、短生育期特点，适合机械化系统。主要目的是通过采用大规模机械化水稻生产评估CO₂e减排潜力，同时分析相关经济效益和废弃物管理效益。通过对比越南芹苴的传统与机械化系统，量化减排效果，并探索AWD、激光辅助平地及采收后秸秆再利用等气候智慧型实践对三角洲农业可持续性的贡献。

2 研究方法

2.1 实验设计

田间试验于芹苴市乌多县开展（2021–2023年）。传统地块（0.3–0.6公顷）代表小农实践，10公顷机械化地块代表大规模生产，两者均种植OM4040水稻。从播种、生长到采收阶段监测关键参数（投入、产量、排放）。传统模型设计简化呈现小农水稻种植，选择未获得平地、机械化或协调基础设施的小地块，虽未完全反映湄公河三角洲传统实践的演变，但实现了基础小农系统与全机械化模型的受控对比。该设置凸显明显差异，但需注意结构不对称性可能影响观察到的差异程度。

2.2 数据收集与验证

通过田间记录和结构化访谈收集小农数据，大规模操作数据来自BeeViet有限公司。数据按每公顷标准化，并通过两步检查验证异常值和一致性。

2.3 排放计算

机械化燃料使用（犁地、播种、收割）：40–60 L/公顷·作物 × 2.68 kg CO₂e/L。

甲烷(CH₄)质量通过公式估算：mCH₄ (kg-CH₄/ha) = D (天数) × EF_CH4 (kg-CH₄/ha·天)。其中D为水稻种植天数（OM4040为90天），EF_CH4为2.78 kg-CH₄/ha·天。

氧化亚氮(N₂O)质量通过公式估算：m_N2O (kg-N₂O/ha) = mN-CF (kg-N-CF/ha) × EF_z (kg-N₂O-N/kg-N-CF^-1) × 1.57。mN-CF为施用的N-CF量；EF_z为种植系统类型排放因子[旱作为1% N₂O-N，水稻种植为0.59–0.768 kg N₂O/ha·季]；1.57为44/28（N₂O与N的质量比）。

计算排放与肥料元素收益（Em-FG）指数，以清晰解释排放权衡与肥料元素施用之间的关系。种植面积的Em-FG：Em-FG (kg-CO₂e/kg-元素·ha) = 温室气体排放 (kg-CO₂e/ha) / [氮元素(kg-N/ha) + 磷元素(kg-P₂O₅/ha) + 钾元素(kg-K₂O/ha)]。谷物的Em-FG：Em-FG (kg-CO₂e/kg-元素·t) = GHGs-FG (kg-CO₂e/kg-养分·ha) / 生产力(t/ha)。

避免秸秆焚烧排放：2.4–3.0吨CO₂e/10公顷。

2.4 碳指标

使用越南特有的排放和转化因子，以100年时间尺度设定系统边界，所有排放转化为CO₂e。包括机械化农事活动（犁地、平地、直播、喷药、收割）的排放估算。燃料消耗基于湄公河三角洲水稻种植标准柴油使用率（40–60升/公顷·作物），乘以IPCC排放因子2.68 kg CO₂e/升计算机械化相关排放。评估激光平地效益时，引入文献基于的甲烷减排估计（10–15%），以反映灌溉效率提高和厌氧区减少，这些减排值与芹苴田间条件进行交叉验证。

副产物质量通过作物残体比（CRR）估算，水稻秸秆的CRR为1.53。碳排放与清除通过公式估算：C_Net (kg-C/ha) = C_O (kg-C/ha) – C_I (kg-C/ha)。其中C_I为总碳输入(kg-C/ha)，基于CO₂e排放确定，C_I = CO₂e排放 × 0.27（12/44，C与CO₂的质量比）；C_O为总碳输出(kg-C/ha，包括产品和副产物)，C_O = Σ (Yj × %Cj)（Yj：植物j部分产量——谷粒、秆/秸秆、壳，单位为kg-C/ha；%C：植物j部分的碳含量，谷粒约45.2%，秸秆约53.5%）。

投入品的温室气体排放通过公式估算：GHGs_input = Σ [m_k (kg-投入品_k/ha) × EF_k (kg-CO₂e/kg-投入品_k^-1)]。土壤管理产生的温室气体排放 = Σ [m_q (kg-气体_q/ha) × ConF_q (kg-CO₂e/kg-气体_q^-1)]。m_k为投入品k的质量；EF_k为投入品k生产和施用的排放因子；m_q为气体q（CH₄和N₂O）的土壤排放质量；ConF_q为气体q向CO₂e的转化因子（1 kg-N₂O = 265 kg-CO₂e，1 kg-CH₄ = 28 kg-CO₂e）。

碳效率：CE = C_O (kg-C/ha) / C_I (kg-C/ha)。

碳可持续性指数（CSI）= [C_O (kg-C/ha) – C_I (kg-C/ha)] / C_I (kg-C/ha)。

作物j谷物的营养量：Nu_j-g (kcal/ha) = m_j-g (t/ha) × NuC_j-g (kcal/t)。m_j-g为作物j谷物的质量(t/ha)；NuC_j-g为作物j谷物的营养转化(kcal/t)。越南水稻的稻米产出率约为80.4%。营养收益的排放权衡(g-CO₂e/kcal) = 每吨产品的排放(g-CO₂e/t) / 每吨谷物的营养量(kcal/t)。

2.5 经济分析

经济评估考虑两种情景：（1）情景A含土地租赁：假设大规模模型需支付土地租赁费1400万越南盾/公顷·年；（2）情景B无土地租赁：反映自有土地经营，排除土地成本。这种双情景框架允许在不同土地权属安排下更现实地比较经济可行性。比较两种情景下的成本、收入和利润。

3 结果与讨论

3.1 生产力与投入品使用

OM4040品种显著提高了投入效率和产量。大规模系统平均产量达7.8吨/公顷，略高于传统系统的7.3吨/公顷，同时用种量减少约32%（85.0 kg/ha vs. 125.6 kg/ha）。这种提升归因于激光辅助平地、直播和机械化收割等精准农业实践，实现了更均匀的种植和更少的损失。

大规模机械化系统显示出投入效率提高，农药使用量减少50%，主要得益于协调的害虫管理和更严格的质量控制（尤其针对出口稻米）。因此，总生产费用从传统系统的约2800万越南盾/公顷降至大规模模型的3600万越南盾/公顷。大规模模型的成本包含土地租金1400万越南盾/公顷·年，因此若公司拥有土地，大规模模型的总生产费用为2200万越南盾/公顷。研究表明机械化大规模种植可提高生产力并降低投入成本，提供更经济环保的替代方案。

一个有趣的发现是大规模模型中肥料和农药使用的优化。氮施用量略低（180.0 kg/ha vs. 200.2 kg/ha），农药成本因综合害虫管理实践而减半。这与显示智能农业减少对农用化学品依赖的研究一致。

尽管机械化及土地租金导致总费用更高（3650万越南盾/公顷），但排除土地租金后，大规模模型利润更高。这表明有利的土地权属安排是此类农业经济可行性的关键因素，与先前强调机械化系统成本效率和产量收益的研究一致。

3.2 温室气体排放

淹水田地产生的甲烷(CH₄)是主要排放源，传统田块为7900 kg CO₂e/ha，大规模田块为6950 kg CO₂e/ha。交替润湿干燥（AWD）和激光平地改进的灌溉控制使CH₄排放减少12%（6950 kg CO₂e/ha vs. 7900 kg CO₂e/ha）。该发现得到其他研究支持，证实AWD可在不牺牲产量的情况下减少高达48%的CH₄排放。

大规模系统的氧化亚氮(N₂O)排放也较低（250 kg CO₂e/ha vs. 320 kg CO₂e/ha），可能源于更高效的肥料施用和减少的氮损失。尽管机械化操作略微增加燃料排放，但更高产量完全抵消了这一增加。机械化整地的燃料排放略高（1321.6 vs. 1300.4 kg CO₂e/ha）。研究显示大规模系统每吨水稻产生的温室气体排放显著减少，碳效率提高15.5%，每吨水稻排放1135 kg CO₂e，传统系统为1356 kg CO₂e。

除技术进步外，将综合废弃物管理策略纳入水稻种植操作进一步增强了可持续性。通过堆肥或能量回收方法（如厌氧消化生产沼气）利用秸秆和谷壳等作物残余，显著减轻农业废弃物的环境负担。此外，处理供应链中的食物废弃物（从采收后损失到零售和家庭层面）有助于闭合水稻生产循环。这些实践符合循环经济原则，通过最小化废弃物、提高资源利用效率和减少总体CO₂排放支持气候智慧型农业。

研究表明大规模水稻种植可降低每吨水稻的CO₂e排放，但当前分析未完全计算机械化操作产生的排放。大规模系统不可或缺的机械化整地、播种、施药和收割均需使用燃油机械，贡献额外的CO₂排放。使用保守估计，拖拉机作业的柴油消耗范围为40–60 L/公顷·作物，基于IPCC柴油排放因子2.68 kg CO₂e/升，相当于约107–161 kg CO₂e/公顷·作物季。纳入该数值会略微增加大规模系统的总排放，尽管因产量更高，每吨CO₂e仍较低。此外，关键减缓措施——激光辅助平地——在以往研究中显示通过改进水控、减少厌氧区和优化灌溉计划，可减少10–15%的甲烷排放。

碳效率（CE）和碳可持续性指数（CSI）更详细描绘了农业实践集约化所涉及的权衡。这些指标对评估农业集约化固有的权衡至关重要。

3.3 经济比较

传统与大规模水稻系统之间的经济比较包含1400万越南盾/公顷的土地租金扣除，代表公司拥有土地的情景。但该假设显著影响利润率，可能误导大规模种植广泛复制的成本效益。为此呈现两种经济情景：含土地租金和不含土地租金。计入租金时，大规模生产的净利润从1920万越南盾/公顷降至约520万越南盾/公顷，低于小农平均利润（760万越南盾/公顷）。排除租金成本，大规模模型表现优于传统方法。这凸显了土地权属安排对可扩展水稻种植盈利性的重要性。建议进行多季度的更 rigorous 成本效益分析，纳入固定资本成本、机械折旧和长期运营效率，以准确反映经济可持续性。

该方法符合循环经济模型，强调将农业残余转化为宝贵资源。除减少排放外，秸秆再利用为农民提供额外收入来源，本地市场销售额高达250万越南盾/公顷。整合废弃物价值化策略（如堆肥、沼气生产和生物炭制备）可显著增强农场可持续性，并提供新的经济机会。

3.4 废弃物管理与循环经济

大规模农场有效的采收后废弃物管理有助于进一步减排。传统小农因物流和劳动力挑战常焚烧秸秆，而大规模农场使用联合收割机和打捆机高效收集秸秆。该实践避免了露天焚烧，本研究中年均每10公顷避免2.4–3.0吨CO₂e排放。这支持了早期研究的发现，强调循环经济实践在减少农业排放的同时从废弃物创造经济价值的作用。

在传统水稻种植系统（通常为小规模）中，采收后秸秆收集常受限于交通基础设施不足。因此，出售秸秆产生的收入较低，往往无法抵消人工收集成本。结果，许多农民将秸秆犁入田间，常结合木霉等微生物剂加速分解。在较小或较难进入的地块，露天焚烧秸秆仍然常见，导致雾霾和局部空气污染。大规模系统中改进的采收后残余管理进一步强化了其环境优势，尤其在避免秸秆焚烧方面。

此外，机械化农场改进的基础设施允许更高的收集效率，使秸秆转化为堆肥或能源，支持气候目标和农村生计。资源循环的这一方面是气候智慧型农业的关键支柱，必须纳入未来政策框架。

3.5 局限性

尽管本研究为大规模水稻种植的环境和经济效益提供了有力证据，但存在一些局限性。比较小规模传统地块与大型机械化田块的设计造成了影响结果的结构差异。例如，小地块无法使用激光辅助平地等关键实践，而这是减少甲烷排放的主要因素。研究发现强调，观察到的效益并非 solely 来自OM4040水稻品种本身，而是来自管理系统、技术和废弃物处理等方面的集成系统级变化，这些变化因大规模种植而成为可能。未来研究应探索多季度的长期碳预算，并评估不同土地所有权模式下这些系统的可扩展性。

4 结论

本研究提供了新的实证证据，说明在湄公河三角洲从传统小农水稻种植转向大规模机械化系统（使用OM4040水稻品种）的环境和经济优势。一个关键贡献是量化了两种模型的CO₂e排放，并将减排与激光辅助平地、优化肥料使用和改进采收后废弃物管理等具体干预措施联系起来。研究表明，即使考虑机械化操作的排放，排放强度（每吨水稻的CO₂e）也降低了15.5%。

重要的是，这是越南首批将碳效率指标（CE和CSI）纳入水稻生产系统评估的研究之一，更细致地描绘了与集约化相关的碳权衡。秸秆再利用——避免露天焚烧——还可每10公顷·季贡献高达3.0吨CO₂e减排，阐明了循环废弃物管理策略的具体气候效益。

尽管OM4040在产量稳定性中发挥作用，但观察到的收益主要驱动于土地利用、水控和残余处理的系统级变化。这些发现强调减排并非水稻品种固有，而是源于规模和技术 enabled 的集成农场管理方法。

未来研究应探索多个种植周期的长期碳预算，评估不同土地权属安排下机械化系统的可扩展性，并评估越南不同水稻产区的社会经济权衡。此外，整合数字技术进行实时排放跟踪和加强农民合作社以实现机械化共享访问，可能是推进气候智慧型水稻生产的关键后续步骤。随着气候压力增大，此类干预措施将对实现低排放、可持续农业的国家和全球目标至关重要。