专栏 | 绿色情报员:饭碗里的甲烷(下)鸭子划水的大米低碳革命

2024.01.18
专栏 | 绿色情报员:饭碗里的甲烷(下)鸭子划水的大米低碳革命 中国的稻米年产量约2.1亿吨,是全球第一大水稻生产国,大米的低碳革命考验农民和政府。
路透社

旱涝交替,打乱水稻的生长节奏,这两年农民尝的苦头没少过。2023年夏天,连续的暴雨和洪涝蹂躏中国的“北大仓”,黑龙江省3万多亩水稻田泡在水里,黄浊洪水漫淹过抽穗扬花的绿田,以“五常大米”著称的五常市一年仅一收,稻农无奈说,这下又是做白工。

五常村子里的老人家说,“这辈子没见过发这么大的水。”这句话一如中国南方稻农的心声,2022年长江世纪大旱,不少农地因久旱龟裂,水稻田不是绝收就是收成空壳稻米,农民心血同样泡了汤。

去年夏天,中国黑龙江省接连遭遇洪患,放眼有如水乡泽国,稻田也淹没在黄浊洪水中。(法新社)
去年夏天,中国黑龙江省接连遭遇洪患,放眼有如水乡泽国,稻田也淹没在黄浊洪水中。(法新社)
 

米价和气温不断攀升

大米是全球一半人口的主要粮食,去年全球稻米价格攀升至15年来最高水平,今年极端气候叠加厄尔尼诺(El Niño)现象,专家预估上半年亚洲稻米的产量恐将持续下降。亚洲水稻产地大多位在气候变迁敏感区,去年北京大学一份研究显示,与没有人为暖化的世界相比,过去20年极端降雨造成中国水稻减产约8%,在本世纪末平均升温23°C的情境下,未来产量将进一步下降8%

极端天气冲击水稻生产,不过,水稻田排放庞大的甲烷也是暖化的祸首之一,甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。

去年12月,联合国气候峰会COP28召开期间,联合国粮农组织(FAO)发布第一份农业与食品产业对抗全球暖化的路径图,以协助达成巴黎协定的升温控制目标,在农作物方面建议采用各种农法来生产水稻,减少甲烷排放,包括改进给水方式、干式直播、部分移走稻秆等。

科学家持续提出各种水稻甲烷减排解方,台湾大学农艺学系名誉教授郭华仁指出,降低水稻田的甲烷排放,最直接的方法是减少水稻田淹水的时间,包括水稻直播栽培,也就是直接播种、取代移植法,以及水稻生长期的间断给水,当中最关键的是间断给水,一次给水以后,淹水层会慢慢下降,等到一段时间再给水,因为土壤淹水程度愈高,为甲烷创造了良好的厌氧条件。

专家认为,间接灌溉可抑制甲烷排放,但要农民精准控制水位并不容易。(路透社)
专家认为,间接灌溉可抑制甲烷排放,但要农民精准控制水位并不容易。(路透社)
 

间歇灌溉对抗甲烷

总部位在菲律宾的国际稻米研究所(IRRI)建议的间歇浅灌方式收效不错,也便于田间水分管理。郭华仁说明,这个方法是拿一个30公分长、8公分宽的塑胶管子,在管子四周挖许多洞孔,然后插进土壤里面约一半管长(15公分),借以观察水稻田的水位变化,当水位降低到剩下5公分,也就是土表10公分没有浸到水分的时候,才把水引进来,直到水淹至土表上面的5公分,这样反覆间断给水,水稻田维持有时淹水、有时让氧气进入,就可以减少甲烷的形成。

“这样操作下水分不至于少很多,比较不会影响水稻生长,可以维持产量。”郭华仁进一步说,“因为间断给水最怕的是不给水的时间太长,土壤稍微干燥、可能会裂开,水稻根系会受到影响,造成减产。”

长期投入稻田甲烷研究的上海农业科学院教授周胜也发现,对稻田的灌溉时间和水位进行细致管理,可以减少10%20%的甲烷排放,不过,他坦言,“农民不可能精确控制水位,而引入自动化系统的成本太高。”

郭华仁认为,过去农民种植水稻相对省工,秧苗移植到田地后,每天巡视水田,水不够再放水,水分管理较简单,现在要农民仔细控制水位,额外增加劳力负担,所以接受度可能不高,不过,各国政府可以透过政策,引导农民改变耕作模式。

台湾大学生物环境系统工程学系助理教授萧友晋表示,目前许多节水灌溉或旱稻研究普遍显示,在土壤好氧的情况下种植稻米,可以减少甲烷排放,但最大的问题是氧化亚氮就增加了,这是全球第三大温室气体;另外,在已发展国家或精致化农业国家推动节水灌溉和智慧化灌溉相对容易,不过,在发展中国家或是大型耕作环境要做到同样的精准控制,它的挑战会比较大。

不同水稻品种的甲烷排放量不同,培育节水低碳稻蔚为农业趋势。(路透社)
不同水稻品种的甲烷排放量不同,培育节水低碳稻蔚为农业趋势。(路透社)
 

节水低碳稻催生中

培育节水抗旱或低碳排的稻米品种也是重要手段,因为水稻田减少用水,甲烷产生量相对降低,同时可提高应对干旱天气的气候韧性。

郭华仁指出,不同水稻品种的甲烷排放量可能有所不同,以中国和瑞典学者去年共同发表的论文来看,研究人员从22个水稻品种选出潜在的低甲烷稻米品种-黑龙江的黑粳5号,在瑞典和中国的高纬度地区进行田间试验后发现,相较其他品种,黑粳5号在水稻根系附近的甲烷能减少大约50%,这意味其他地方或许可以选出甲烷排放量比较低的水稻品种。

中国科学家接二连三投入稻田里的革命,积极研发低碳稻,2015年问世的转基因“减排水稻”强调甲烷释放量仅约一般水稻的1%,且能生产更多的稻米,这些转基因研究往往是昙花一现,并未在田里长出收成。

郭华仁表示,一般传统育种在选育出品种后,会先在自己的实验田试种,成效不错再到其他地方做栽培试验,等到各地的表现也都很好,这时候才正式命名通过新品种,不过,研究转基因的科学家并非如此,他们在实验室用盆栽实验,做出成果马上宣布消息,引来媒体报导,目前这些研究都没有实际生产情况,因为实验室的表现和实际生产是两回事。

“况且它所谓的减少甲烷,是把水稻根系释放有机酸的量减少,可是有机酸也养活了各式各样的土壤好菌,如果水稻根系释放出来的有机酸太少的话,其他的好菌也会减少,因此减排水稻恐怕也不是没有缺点。”郭华仁提醒,“其实传统选育低碳排的水稻品种,例如黑粳5号,也要进一步去探讨有没有类似的情况。”

透过栖地营造,增加土壤表层的嗜甲烷菌活性,有助甲烷减排。(路透社)
透过栖地营造,增加土壤表层的嗜甲烷菌活性,有助甲烷减排。(路透社)
 

吃甲烷菌当帮手

除了田间的栽培和管理,各国科学家也试图调整土壤的微生物群落结构,借由栖地营造,降低水稻田的甲烷产生。

萧友晋解释,在自然的环境状况下,深层的土壤比较偏向厌氧环境,自然而然让“产甲烷菌”这种微生物比较容易存在,它会产生甲烷藏在土壤的深层,但是在土壤的表层,当它处于好氧条件会有另一种“嗜甲烷菌”,这种微生物把甲烷当作能量,作为食物的来源,最后把甲烷分解为二氧化碳,再回到大气;其实土壤里面有各式各样的生物,所以有些人认为透过栖地营造、控制环境条件,让产甲烷菌的生长条件变差,或者在微生物竞争有机质的过程中,让产甲烷菌竞争不过脱硫菌、脱氮微生物或脱硝微生物,自然可以抑制甲烷的排放。

“不过,这个过程中也需要留意一件事情,脱氮微生物是氧化亚氮的释出来源之一。”萧友晋说,“我们希望营造一个环境让产甲烷菌的活性变小、嗜甲烷菌的活性增加,同时脱氮菌又不要太多,这是一个困难的过程,在科学家的努力之下,我相信有机会可以找到一个平衡的方法。”

最近美国华盛顿大学研究团队找到一种新型嗜甲烷菌,在甲烷浓度较低时也能快速“吃掉”甲烷,还能不断增加自身数量,而且不会制造氧化亚氮。萧友晋的实验室也从台湾的特殊自然环境中分离出类似的嗜甲烷菌,这种高效能的嗜甲烷菌偏好有点盐分且pH值大于6的土壤环境,他表示,嗜甲烷菌最早是在1906年由荷兰科学家发现,过去120年来,大部分研究是透过高浓度的甲烷去培养嗜甲烷菌,而目前全球大气甲烷浓度大概是12ppm左右,所以要能够有效去利用它,应用在实际场域,其实还有一大段科学的路要走。

稻田减排和粮食安全是中国考量的问题之一。(路透社)
稻田减排和粮食安全是中国考量的问题之一。(路透社)
 

水稻减排和粮食安全

中国作为全球最大的甲烷排放国,减排难题依旧卡脖子,去年COP28前夕,中国姗姗来迟交出《甲烷排放控制行动方案》,在农业领域强调2025年畜禽粪污综合利用率达到85%以上,科学控制肠道发酵甲烷排放,不过,稻田方面仅提到有序推进甲烷排放控制,没有具体目标。中国专家坦言,在保障粮食安全的同时实践水稻的甲烷减排效果,具有较大难度。

郭华仁表示,这种说法有其根据,过去农民断水晒田,经常发生减产的状况,不过那是因为管理的方式不恰当,譬如排水干田的时间太长、太过度,所以导致减产,如果相关单位能够透过教育,指导农民正确操作,可以降低减产的风险,采用传统育种和正确的干湿交替灌溉模式,两者同时并行就有机会减少水稻田碳排,而且还可以维持产量。

萧友晋认为,从联合国的永续发展目标来看,气候变迁、粮食安全、消除饥饿都列入核心目标,减少水稻田的甲烷排放是重要的事情,但前提是在确保粮食安全下减少甲烷排放,其实水稻田的甲烷排放大概占全球甲烷排放的十分之一,剩下的十分之九来自于其他人为活动或是自然环境,从各个源头控制甲烷排放也是关键,整体的甲烷减排效益会更为显著。

撰稿、制作和主持:麦小田 责编:陈美华

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