中国高产水稻加速全球变暖?新研究给出有力反击

源自大麦里的一段基因,帮高产水稻摘掉温室“黑手”之名。



天空下的稻田 | pixabay


作者 | [中]刘强 [日]名古屋大学农学院


 当我们吃饭的时候,不会想到,米饭正在被西方国家所诟病。当我们经过一片稻田,也不会想到,它们竟然还为气候变暖做了“贡献”。


据2016年联合国粮农组织报告,以二氧化碳、甲烷等为代表的主要温室气体的产生,除去工厂、汽车等大家熟知的人类活动外,还有约30%来源于农业。换句话,农业要为气候变暖付约三分之一的责任


其中,水稻因为浸水种植导致的超高甲烷排放尤其受诟病。


中国是世界水稻的第一生产消费国,种植面积占全球总体三分之一以上。西方国家因此对我们国家研究高产水稻一直大加指责,对我国农业绿色发展也持怀疑态度。


不过最近,中国农科院的一项研究对此给出了有力反击:50年来我国的水稻品种改良与稻作技术创新,在促进粮食增产的同时,也为碳减排做出了重要贡献,纠正了此前人们对于现代稻作“高产高碳排”的错误认知


该研究于11月发表在《环境研究快报》上。


水稻田是甲烷排放重灾区


和其他植物一样,农作物的光合作用会将空气中的二氧化碳转化为氧气。另一方面,它们自身也会呼吸,消耗氧气排放出二氧化碳。在一些特定的长黑夜周期,其对于碳循环(减少碳排放)的贡献甚至呈现负值。


此外,大量的化肥和农药的使用,也加剧了农业的温室气体排放。据统计,常用杀虫剂、杀菌剂和除草剂的生产碳排放分别是4.9,5.2和4.7千克每公顷(以二氧化碳换算),其理论热值可以烧开300-400升的水。


而这其中,最令人关注的是水稻的碳排放,更具体地,水稻的甲烷排放。


和玉米、小麦等旱地种植的作物不同,由于采用浸水种植,水稻的甲烷排放在诸多作物中十分突出,达到25.6百万吨每年。与它相比,玉米和小麦的甲烷排放几乎可以忽略不计。


因为其植株部分浸在水中时长得最好,稻田多为灌溉模式。而在淹水的条件下,稻田土壤中残存的腐烂植物体等有机物会被产甲烷细菌分解,产生大量甲烷,并经液相扩散、气泡和植株传输这三种途径释放到大气中。                            

甲烷排放进入大气有三条途径 , 其中8 0 % 从根系经植株排放到大气 , 少部分则通过稻田发泡或通过水层从土壤缓慢地扩散到大气层| 作者供图


这些气体,和天然气同属一种成分(CH4,也称沼气),进入大气后,与二氧化碳、氧化亚氮一样都会导致气候变暖,从而造成灾害频发(甲烷所起的作用约占15%)。


据《政府间气候变化专门委员会第二次评估报告》(1992,此后数值小幅浮动),地球表面每年向大气释放甲烷约5.15亿吨,其中约12%来自稻田。


而根据当前研究,在百年尺度上,单位质量的甲烷对气候变暖的贡献是二氧化碳的25倍少甲烷排放显得尤为迫切。


在我国,水稻是主要粮食作物,且以灌溉稻田为主,甲烷排放比较显著。80年代末,据国外研究机构推算,中国水稻田甲烷排放量为每年0.30亿吨,占当年世界稻田年排放总量的27%。


虽然这一测算的科学根据并不充分,却给我国环境外交带来深刻的负面影响,在包括《京都议定书》、《巴黎协定》等重大国际气候谈判中制造了许多责难中国的声音。


多年来,为了应对有限的耕地和庞大人口粮食需求的矛盾,中国的水稻研究主要集中在如何提高亩产上。随着杂交水稻不断创造高产纪录,我国实现了用7%的耕地面积养活22%人口的创举。


在解决了国人吃饭问题后,中国也逐渐将目光转向水稻生产的生态影响及全生产环节的环境代偿控制上。


在这一思想的指导下,寻求一种高产、同时减少碳排放的水稻品种和耕作模式,成了水稻创新的时代命题。


我国水稻以灌溉稻田为主 | pixabay

高产就高排吗?没有必然联系,甚至相反


好在,大自然从来不会辜负勇于探求的人类。


在上世纪90年代,荷兰科学家就发现,雨季稻田的甲烷释放量要高于旱季。联想到雨季作物减产,研究人员提出假说:甲烷的生成量与作物的收成呈负相关。


为了检验这一猜想,他们设计了一个实验:通过去除一些植株的花朵来控制稻米的收成。


结果发现,去除的花朵越多、产量越低,甲烷生成量就越多。——几乎证明了猜测。


究其原因,甲烷排放的重点不在于产量,而在于碳在哪里。花少的植株储存光合作用生成的碳的能力较低,碳转而被储存在土壤中,被土里的厌氧细菌转化成了甲烷。


也就是说,花穗越多、产量越高的植株体内存的碳越多,流入土壤的碳足迹减少,从而使甲烷的释放量也减少了。


顺着这个思路,研究者设想:只要能有效调整水稻体内的有机物分配过程,让一些本该运输到根部的有机物进入植物躯干乃至果实籽粒中,就既能够减少植物碳足迹向土壤释放,又能有效增加果实籽粒中有机物的含量,从而实现高产低排这一完美构想。


事实证明,这是一条极为精妙的水稻育种思路。通过筛查,一个来自大麦的基因SUSIBA2,帮助踏出了走向实践的第一步。科学家们将该基因插入水稻中,观察其碳排放,并于2015年7月在《自然》杂志上发表了成果(孙传信、王峰等)。


注:该研究从源头上减少了甲烷的产生,也为本次研究(为高产水稻正名)提供了技术背景。


通过对照实验,他们发现,SUSIBA2基因在水稻上表型明显,不仅实现了稻粒淀粉含量升高,颗粒饱满,还大幅度降低了水稻种植过程中的甲烷排放。


这是首例高产低甲烷排放的大米,为稻田的强效温室气体排放问题提供了可持续的解决方案。


昆虫与稻田 | pixabay

应对全球变暖,农业也要积极改革


全球变暖已是地球生态安全头上的一朵乌云。除去工业革命带来的大规模化石燃料燃烧导致的二氧化碳浓度骤升,农业生产已是不可忽略的温室气体重要来源。


水稻作为五谷之首、在我国源远流长,从长江中下游向南一直延伸到印度平原和东南亚热带雨林,一块块水田勾勒着千年不变的农耕风貌。


古往今来,这些默默长在苍穹下的作物,用春耕秋收的节律支撑着人类文明的延续。在科技高速发展的今天,我们不能让它成为地球生态的“问题”。


本次的研究表明,培育高产低排水稻,是实现生态和生产共存的需要。此外,改进耕作工艺,也是降低碳排放的重要手段。


比如,使用浅灌代替间歇性淹水,有望将水稻对气候变暖的影响降低六成。若综合考虑化肥施用和水稻自身生长阶段,科学合理地安排蓄放水,甚至可以使一些农场的温室气体净排放降低九成。这也是需要我们努力的方向。


和自然相处,我们不能只想着碗里的方寸,还要有俯仰之间对天地的敬畏。金色稻浪声不应只是人类贪欲的佐证,更应是我们和自然和谐共处的协奏曲。

(责编 高佩雯)


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