稻田与稻作农业对碳中和的启示
张旭辉 潘根兴
稻作农业起源于中国。在江西省万年县，野生稻驯化为栽培稻可追溯到1萬年前。在浙江省浦江县上山遗址考古发掘，破碎的红土陶罐中保存着1万年前的炭化稻粒，证实了南方新石器时期村落中已有规模化水稻生产和稻米加工。良渚文化遗址也生动地展现了距今约5000年前中国南方已存在以稻作农业为基础的早期文明。长期的稻作农业和相关的生产、加工、贸易和消费孕育出灿烂的稻作文化，它在中华文明形成和发展中具有重要的地位。
稻作农业极可能起源于南方丘陵河谷地区和沿海平原地区，特别是长江中下游是我国历史最悠久的水稻产区。随着人口迁移和历代的屯垦，今天，稻作农业遍及全国，从黑龙江到海南岛，从台湾到新疆伊犁河谷，从黄浦江流域到海拔2500米以上的云贵高原，播种面积达3000万公顷，约占全国耕地面积的1/4。利用丰富的天然水资源的南方水稻生产，不仅产量远高于北方旱作，抵抗不利气候变化灾害能力也更强，通过京杭大运河的“南粮北运”，稻作农业长期支撑着中华民族的粮食供需平衡，为中华民族的生存和繁衍做出了巨大贡献。同时，基于水耕的稻作农业历经万年，土地没有退化，人口没有减少，文化没有湮没，乡村没有衰落，生产可持续、生态可持续、生活可持续，堪称全球可持续农耕文明的瑰宝，其对全球农业可持续的启示和借鉴作用仍有待挖掘。
水稻土固碳与温室气体减排
稻田是生产能力高而土壤质量相对较好的农业资源，也是作物生产力较为稳定的农业土壤。我国稻区过去主要分布于南方各省，但当前华北、东北和西北都有较大面积分布，尽管土壤、气候、水资源以及农业管理地区间差异大，但长期的耕作实践和农艺培育，稻田土壤在土壤发生和肥力特性方面趋向于形成共同的特征：丰富的土壤有机质、稳定的土壤（微）结构和较高的养分有效性。千百年耕作利用和管理，特别是精耕细作的水耕熟化，在自然（母质和气候）基础上，形成和发育出一类特殊的人为土壤——水稻土，在《中国土壤系统分类》中被特别分类为人为土亚纲。
水稻土的共同特点是土壤积累丰富的有机质，同比旱地多1/4 以上。研究表明，1990年代，中国国土表层土壤有机碳库约200亿吨，3000万公顷面积的水稻土中约占11亿吨。[1]根据《全国第二次土壤普查数据》，当时旱作地区农田耕层有机碳含量为10.9克/千克，而水稻土高达14克/千克；
每公顷水稻土耕层保有的有机碳近45吨，远高于旱地土壤33吨。这些保存的有机碳来自植物光合作用对大气二氧化碳的固定。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来，中国农业土壤每年多固定了3400万吨碳，其中900多万吨碳是水稻土固定的。因此，保护稻田也保护了农业中重要的碳库。
根据土壤学的研究，水稻土固碳与稻田水耕熟化下发育的稳定的微团聚体固碳及水稻土中特殊的氧化铁矿物固碳有关。土壤团聚体发育中，一些有机质被包裹在团聚体内部或细小的团聚体间，成为颗粒态有机质，具有较高的生物活性。太湖地区肥沃水稻土的典型特征是“鳝血结构”，即淹水下的亚铁排水后形成氧化铁胶膜，不仅固定了可溶性的和根系沉积的有机碳，还有吸收甲烷的能力。
水稻土的独特性还在于土壤中的有机质可以支撑更多的微生物生物量，这对于土壤生物多样性具有特殊意义。大数据整合分析表明，旱地土壤耕层微生物商（微生物生物量碳占土壤有机碳的比例）平均为2.6%，而水稻土达3.2%，也就是说，同样含量的有机质，水稻土比旱地多养育0.6%的微生物，并且微生物生物量的碳氮比，旱地不到10，而水稻土为15，说明水稻土微生物的碳利用效率明显高于旱地，而对氮素的竞争要低于旱地。这些特性可能使得水稻土比旱地土壤有更高的氮素转化和作物利用。20世纪八九十年代，粮食生产平均产量，稻田比旱地增加30%～40%。进入21世纪后，随着生产技术的进步，旱地作物产量（例如玉米和小麦）大幅度提高，但水稻产量仍比旱作平均高产20%左右。
当然，水稻生产会导致温室气体排放，特别是淹水下的甲烷排放和化肥施用引起的氧化亚氮排放。每季每公顷稻田的甲烷排放在200～400千克，主要与水分状况有关，淹水时间越长、新鲜秸秆还田越多，甲烷排放越高[2]。稻田氮肥施用引起的氧化亚氮排放系数平均约0.27%，显著低于旱地（缺省值1.0%）。特别地，稻田水分状况对甲烷和氧化亚氮排放有显著影响，淹水增加甲烷排放但降低氧化亚氮排放，称为“跷跷板”效应。因此，通过节水灌溉控制稻田温室气体排放是把“双刃剑”。有意义的是，土壤有机碳增加有利于降低氧化亚氮排放，但并不一定增加甲烷排放，尤其是秸秆不直接还田下。因此，稻田仍可能是温室气体的汇，或者是净碳汇。根据在太湖地区的研究，稻田生态系统的一季生产的净碳汇可达6～8吨碳/公顷，而旱作下净碳汇为2～4吨碳/公顷。因此，稻田生态系统的固碳减排潜力仍可能高于旱地农田。近年来的研究进一步证明，秸秆转化为厩肥，甚而转化为生物质炭施于农田可大幅度增加土壤净碳汇，并提高水稻产量及其稳定性。
总之，水稻土有机碳固定及稳定性是一个复杂的问题，在长期的演化中，土壤有机质的积累，推动了土壤团聚体的建成和稳定，促进了有机质—微生物—生命活动的耦合，既有利于维持和提高土壤肥力、保持生物多样性，又有利于通过固碳而减少温室气体排放（如氧化亚氮的排放）。特别是采用秸秆生物质炭作为有机质管理的策略下，稻田的固碳减排将对农业碳中和做出更大的贡献。
稻作农业文化遗产的碳中和意义
农田具有碳源和碳汇的双重属性，特别是稻田是人工湿地，本身就具有“綠色”属性和多重功能，是生态产品的重要供给者，同时也是生态系统的重要组成部分。虽然水稻种植等生产活动会产生大量温室气体，但另一方面，水稻生产可通过光合作用、土壤输入及合理的农业措施等进行生物固碳和土壤固碳，通过养分周转、废弃物循环利用等有利于农业碳中和[3]。
在中华民族的农业历史上，依据特定地区的资源禀赋和人文特征，在长期植稻的历史进程中发育出具有地域性或者乡土性稻作农业文化。而稻作农业文化遗产是指以水稻种植为基础，包括传统稻作品种资源、稻作技术、稻作文化和稻田景观等要素在内的传统稻作生产系统，是农业文化遗产中的一种重要类型。从遗产的核心特征角度来看，稻作农业文化遗产可以分为稻作起源类、稻鱼共生类、稻作梯田类、稻作地标文化类和稻旱轮作类等。稻作起源类农业文化遗产的核心特征是重要稻作品种与技术的起源和悠久的水稻栽培历史，遗产地多在考古学界认可的栽培稻发源地之列；
稻作地标文化类农业文化遗产的核心特征是其名贵珍稀的稻米在历史上曾作为“贡米”。而其他稻作文化遗产或多或少基于生态系统循环，特别是养分、有机质的循环利用，总体上具有碳中和效益：稻鱼共生类农业文化遗产的核心特征是在水稻田中养殖各种水产品，如鱼、鸭、虾、蟹等，其中以稻田养鱼、稻田养鸭最为普遍；
稻作梯田类农业文化遗产的核心特征是在梯田上进行水稻种植，多具有森林—村落—梯田—水系“四度同构”的生态结构和精巧的水土资源管理技术；
稻旱轮作类农业文化遗产的核心特征是水稻与小麦、蔬菜等轮作[4]。
传统的稻作农业文化遗产因其经受了历史的检验，具有丰富的农业生物多样性和良好的生态效益，如稻作地标文化类农业遗产可以形成并保护优质的种质资源。稻鱼共生类农业文化遗产系统中，稻鱼、稻鸭共作时的相互作用能够控制稻田病虫草害，提高土壤肥力，改善根系性状，增强抗倒伏能力，从而在减少化肥农药施用量的同时提高水稻产量。稻作梯田类农业文化遗产可以通过精巧的水土资源管理技术实现卓越的水土保持和水源涵养功能。稻旱轮作类农业文化遗产的复种轮作制度在充分利用地区水热资源的同时，可以有效预防土壤病虫害的发生[4]。因此，传统的稻作农业文化遗产本身就是水稻生产的 “碳中和”历史实践。在稳定气候变化作为全球社会重大需求的今天，挖掘这些稻作文化的碳中和意义，弘扬这些遗产的可持续发展的理念，具有重要的现实意义。
以稻鱼共生系统为例，这种稻作文化起源于春秋时期，我国南方山区先民适应自然的水稻生产，发展出“火耕水耨、饭稻羹鱼”的稻作经营和生活模式，历经1200多年而不废，至今在浙江、贵州、云南、四川、广西、湖南等长江以南地区广泛分布，广义的结合水产的稻鱼共作系统总面积曾达到150万公顷。具有特定水稻品种和鱼类品种组合的历史“稻鱼共生”稻作文明遗存在浙江青田、贵州从江得到保护和开发。2005年，联合国粮农组织将浙江青田稻田养鱼“稻鱼共生”列入首批世界农业遗产予以挂牌保护[5]。根据温室气体观测研究，稻田养鱼的稻鱼系统比水稻单作每年每公顷减少温室气体排放约1吨二氧化碳当量。粗略估计，全国现有稻田养鱼共作系统面积120多万公顷，每年比单作水稻生产减排了120多万吨温室气体排放（以二氧化碳当量计）[6]。在高原山区，这种“火耕水耨、饭稻羹鱼”的稻作文明，摆脱了“刀耕火种、 茹毛饮血”的原始和低效的生产和生活方式，既利于土地可持续利用，又利于人类饮食结构改善和生活质量的提升，是人类对旱地农业利用的创新。
同时，这些具有地域性历史（文化）价值的稻作文化遗产的保护和开发，不但有助于传承中华农耕文明中碳中和的历史积淀，还有助于发展基于循环、绿色、健康稻作农业的乡土性农业产业链，融合这些文化遗产中生物多样性农业、碳中和农业和地域文化（历史）传承农业的核心价值，发展水稻生产、田园服务和乡土康养多功能服务型农业，助推乡村振兴，并通过“健康生态、健康生产和健康生活”最终服务于健康中国大战略。这既有利于保持中国稻作农业的生产优势，又利于传承和保护稻作农耕文化传统，树立中国农业在世界上的“文化自信”，并作为中华民族对世界做出重要贡献的示范。
[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]李得兰，徐华，蔡祖聪. 稻田CH4和N2O排放消长关系及其减排措施. 农业环境科学学报， 2008， 27（6）：
2123-2130.
[3]刘明明，雷锦锋.我国农业实现碳中和的法制保障研究. 广西社会科学，2021，9：
30-38.
[4]闵庆文， 张碧天. 稻作农业文化遗产及其保护与发展探讨. 中国稻米， 2019， 25（6）：
1-5.
[5]岳冬冬， 王鲁民. 稻鱼共生系统的低碳渔业生态补偿标准研究——基于温室气体减排视角. 福建农业学报， 2013， 28（4）：
392-396.
[6]游修龄. 稻田养鱼——传统农业可持续发展的典型之一. 农业考古， 2006， 4（4）：
222-224.
关键词：稻作农业 水稻土 土壤固碳 碳中和 稻作文化遗产 ■
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