稻田與稻作農業對碳中和的啟示

張旭輝 潘根興

稻作農業起源于中國。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模化水稻生產和稻米加工。良渚文化遺址也生動地展現了距今約5000年前中國南方已存在以稻作農業為基礎的早期文明。長期的稻作農業和相關的生產、加工、貿易和消費孕育出燦爛的稻作文化，它在中華文明形成和發展中具有重要的地位。

稻作農業極可能起源于南方丘陵河谷地區和沿海平原地區，特別是長江中下游是我國歷史最悠久的水稻產區。隨著人口遷移和歷代的屯墾，今天，稻作農業遍及全國，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，不僅產量遠高于北方旱作，抵抗不利氣候變化災害能力也更強，通過京杭大運河的“南糧北運”，稻作農業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，基于水耕的稻作農業歷經萬年，土地沒有退化，人口沒有減少，文化沒有湮沒，鄉村沒有衰落，生產可持續、生態可持續、生活可持續，堪稱全球可持續農耕文明的瑰寶，其對全球農業可持續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

稻田是生產能力高而土壤質量相對較好的農業資源，也是作物生產力較為穩定的農業土壤。我國稻區過去主要分布于南方各省，但當前華北、東北和西北都有較大面積分布，盡管土壤、氣候、水資源以及農業管理地區間差異大，但長期的耕作實踐和農藝培育，稻田土壤在土壤發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、穩定的土壤（微）結構和較高的養分有效性。千百年耕作利用和管理，特別是精耕細作的水耕熟化，在自然（母質和氣候）基礎上，形成和發育出一類特殊的人為土壤——水稻土，在《中國土壤系統分類》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，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《全國第二次土壤普查數據》，當時旱作地區農田耕層有機碳含量為10.9克/千克，而水稻土高達14克/千克；每公頃水稻土耕層保有的有機碳近45噸，遠高于旱地土壤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，中國農業土壤每年多固定了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業中重要的碳庫。

根據土壤學的研究，水稻土固碳與稻田水耕熟化下發育的穩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。土壤團聚體發育中，一些有機質被包裹在團聚體內部或細小的團聚體間，成為顆粒態有機質，具有較高的生物活性。太湖地區肥沃水稻土的典型特征是“鱔血結構”，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。大數據整合分析表明，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3.2%，也就是說，同樣含量的有機質，水稻土比旱地多養育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化和作物利用。20世紀八九十年代，糧食生產平均產量，稻田比旱地增加30%～40%。進入21世紀后，隨著生產技術的進步，旱地作物產量（例如玉米和小麥）大幅度提高，但水稻產量仍比旱作平均高產20%左右。

當然，水稻生產會導致溫室氣體排放，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，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。因此，通過節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。根據在太湖地區的研究，稻田生態系統的一季生產的凈碳匯可達6～8噸碳/公頃，而旱作下凈碳匯為2～4噸碳/公頃。因此，稻田生態系統的固碳減排潛力仍可能高于旱地農田。近年來的研究進一步證明，秸稈轉化為廄肥，甚而轉化為生物質炭施于農田可大幅度增加土壤凈碳匯，并提高水稻產量及其穩定性。

總之，水稻土有機碳固定及穩定性是一個復雜的問題，在長期的演化中，土壤有機質的積累，推動了土壤團聚體的建成和穩定，促進了有機質—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炭作為有機質管理的策略下，稻田的固碳減排將對農業碳中和做出更大的貢獻。

稻作農業文化遺產的碳中和意義

農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，是生態產品的重要供給者，同時也是生態系統的重要組成部分。雖然水稻種植等生產活動會產生大量溫室氣體，但另一方面，水稻生產可通過光合作用、土壤輸入及合理的農業措施等進行生物固碳和土壤固碳，通過養分周轉、廢棄物循環利用等有利于農業碳中和[3]。

在中華民族的農業歷史上，依據特定地區的資源稟賦和人文特征，在長期植稻的歷史進程中發育出具有地域性或者鄉土性稻作農業文化。而稻作農業文化遺產是指以水稻種植為基礎，包括傳統稻作品種資源、稻作技術、稻作文化和稻田景觀等要素在內的傳統稻作生產系統，是農業文化遺產中的一種重要類型。從遺產的核心特征角度來看，稻作農業文化遺產可以分為稻作起源類、稻魚共生類、稻作梯田類、稻作地標文化類和稻旱輪作類等。稻作起源類農業文化遺產的核心特征是重要稻作品種與技術的起源和悠久的水稻栽培歷史，遺產地多在考古學界認可的栽培稻發源地之列；稻作地標文化類農業文化遺產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或多或少基于生態系統循環，特別是養分、有機質的循環利用，總體上具有碳中和效益：稻魚共生類農業文化遺產的核心特征是在水稻田中養殖各種水產品，如魚、鴨、蝦、蟹等，其中以稻田養魚、稻田養鴨最為普遍；稻作梯田類農業文化遺產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”的生態結構和精巧的水土資源管理技術；稻旱輪作類農業文化遺產的核心特征是水稻與小麥、蔬菜等輪作[4]。

傳統的稻作農業文化遺產因其經受了歷史的檢驗，具有豐富的農業生物多樣性和良好的生態效益，如稻作地標文化類農業遺產可以形成并保護優質的種質資源。稻魚共生類農業文化遺產系統中，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，從而在減少化肥農藥施用量的同時提高水稻產量。稻作梯田類農業文化遺產可以通過精巧的水土資源管理技術實現卓越的水土保持和水源涵養功能。稻旱輪作類農業文化遺產的復種輪作制度在充分利用地區水熱資源的同時，可以有效預防土壤病蟲害的發生[4]。因此，傳統的稻作農業文化遺產本身就是水稻生產的 “碳中和”歷史實踐。在穩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，弘揚這些遺產的可持續發展的理念，具有重要的現實意義。

以稻魚共生系統為例，這種稻作文化起源于春秋時期，我國南方山區先民適應自然的水稻生產，發展出“火耕水耨、飯稻羹魚”的稻作經營和生活模式，歷經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廣泛分布，廣義的結合水產的稻魚共作系統總面積曾達到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。2005年，聯合國糧農組織將浙江青田稻田養魚“稻魚共生”列入首批世界農業遺產予以掛牌保護[5]。根據溫室氣體觀測研究，稻田養魚的稻魚系統比水稻單作每年每公頃減少溫室氣體排放約1噸二氧化碳當量。粗略估計，全國現有稻田養魚共作系統面積120多萬公頃，每年比單作水稻生產減排了120多萬噸溫室氣體排放（以二氧化碳當量計）[6]。在高原山區，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和生活方式，既利于土地可持續利用，又利于人類飲食結構改善和生活質量的提升，是人類對旱地農業利用的創新。

同時，這些具有地域性歷史（文化）價值的稻作文化遺產的保護和開發，不但有助于傳承中華農耕文明中碳中和的歷史積淀，還有助于發展基于循環、綠色、健康稻作農業的鄉土性農業產業鏈，融合這些文化遺產中生物多樣性農業、碳中和農業和地域文化（歷史）傳承農業的核心價值，發展水稻生產、田園服務和鄉土康養多功能服務型農業，助推鄉村振興，并通過“健康生態、健康生產和健康生活”最終服務于健康中國大戰略。這既有利于保持中國稻作農業的生產優勢，又利于傳承和保護稻作農耕文化傳統，樹立中國農業在世界上的“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排放消長關系及其減排措施. 農業環境科學學報， 2008， 27（6）： 2123-2130.

[3]劉明明，雷錦鋒.我國農業實現碳中和的法制保障研究. 廣西社會科學，2021，9： 30-38.

[4]閔慶文， 張碧天. 稻作農業文化遺產及其保護與發展探討. 中國稻米， 2019， 25（6）： 1-5.

[5]岳冬冬， 王魯民. 稻魚共生系統的低碳漁業生態補償標準研究——基于溫室氣體減排視角. 福建農業學報， 2013， 28（4）： 392-396.

[6]游修齡. 稻田養魚——傳統農業可持續發展的典型之一. 農業考古， 2006， 4（4）： 222-224.

關鍵詞：稻作農業 水稻土 土壤固碳 碳中和 稻作文化遺產 ■