文章题目：Long-term changes of methane emissions from rice cultivation during 2000-2060 in China: Trends, driving factors, predictions and policy implications
发表期刊：《Environment International》
影响因子：10.3
第一单位：上海大学
在线日期：2024-08-14
水稻种植是全球重要的粮食生产活动，但它同时也是甲烷（CH₄）排放的重要来源。甲烷是一种强效温室气体，具有比二氧化碳（CO₂）更强的短期气候变暖潜力，对全球气候变化的影响显著。全球甲烷排放量中约有10%来自水稻种植，特别是在亚洲稻作国家，甲烷排放占到了更大的比例。作为全球水稻种植面积最大的国家之一，中国的稻田甲烷排放对全球甲烷排放总量有着重要贡献。
在中国，农业活动是甲烷排放的主要来源，约占全国甲烷排放总量的40%以上，而其中水稻种植贡献了中国农业甲烷排放量的42%。这表明，水稻种植的甲烷排放不仅对中国的温室气体排放有显著影响，也对全球气候变化的减缓具有重要意义。
然而，尽管已有研究估算了中国历史上水稻种植的甲烷排放情况，但关于未来甲烷排放趋势的研究仍然相对有限。特别是，考虑到气候变化、农业技术进步和政策干预等因素，未来水稻种植甲烷排放可能会发生显著变化，这些变化将对中国乃至全球的温室气体减排目标产生重要影响。因此，系统地分析过去甲烷排放的变化趋势，并预测在不同情景下未来的排放变化，对于制定有效的减排政策至关重要。
本研究旨在通过探讨2000年至2060年期间中国水稻种植甲烷排放的长期变化趋势、驱动因素和预测情况，并提出相应的政策建议。具体目标包括：分析过去二十年间中国水稻种植甲烷排放的时空变化，探讨主要驱动因素，并在不同气候变化和政策干预情景下预测未来的排放趋势。
材料与方法
（1）利用基于IPCC指南的排放因子法，结合中国全国及各省的稻田面积数据，计算了2000年至2020年间的甲烷排放量。
（2）采用标准差椭圆法（SDE）和中位中心法（MEC）分析了中国水稻种植甲烷排放的空间分布特征。
（3）通过相关性分析、地理探测器和逐步多元线性回归等方法，识别并分析了影响甲烷排放的主要驱动因素，包括耕作管理、气象因素、空间属性和土壤特性。
研究结果
（1）甲烷排放的时空变化
在2000年至2020年期间，中国水稻种植产生的甲烷排放量波动于6.21至6.57 Tg yr−1之间，表现出一定的波动性。尽管全国范围内排放总量变化不大，但区域间的排放变化则较为显著。
研究发现，中国南方地区的甲烷排放量有所减少，而北方地区的甲烷排放量则有所增加。这种区域变化主要与不同地区的经济发展水平、饮食结构的变化、农业技术的进步以及气候变化的影响有关。特别是在北方，随着稻田面积的扩大和农业生产技术的改进，甲烷排放出现了增加的趋势。
通过空间分析工具如标准差椭圆（SDE）和中位中心（MEC），研究发现中国水稻种植甲烷排放的重心正在向北迁移，这可能反映了北方地区稻田面积扩大的趋势。
图1.2000 年至 2020 年中国水田面积变化。
图2. 2000—2020年中国水稻种植甲烷排放变化。
图3.2000—2020年中国各地区水稻面积、水稻产量、甲烷排放量及水稻单位产量甲烷排放量变化。
（2）甲烷排放的驱动因素
稻草添加率（RSA）是影响水稻种植甲烷排放的最重要因素。增加稻草的还田量可以显著提高甲烷排放量，RSA解释了单位面积甲烷排放量变化的32%。施肥量、土壤质地、温度和降水量也是重要的影响因素，这些因素共同作用，导致了甲烷排放量的区域差异。
温度和降水量的变化对甲烷排放具有显著影响。较高的温度和充足的降水有利于甲烷产生的微生物活动，从而增加了排放量。未来气候变化将进一步影响这些气象因素，从而影响甲烷排放的趋势。
图4.水稻单位产量CH4排放的驱动因素：(a)单因素检测结果；(b)交互检测结果。
（3）未来预测
在没有额外政策干预的情况下，如果按照当前的生产或需求导向继续发展，甲烷排放可能在未来增加0.3%至5.6%。然而，如果采取措施调整稻草管理（如减少RSA），则可以显著减少甲烷排放，预计可减少9.4%至10.0%。
通过合理的政策干预，如优化稻田管理、推广减排技术等，到2060年，甲烷排放的减少幅度可能达到8.95%至12.01%。这表明，政策制定者需要在气候变化应对和农业生产之间找到平衡，以实现温室气体排放的有效控制。
图5.五个高解释性驱动因素在其自身类别中的空间变化。
图6.（a）宏观角度不同情景下中国水稻种植CH4排放预测；（b）不同情景下中国水稻产量及需求预测；（c）微观角度不同情景下中国水稻种植CH4排放预测。
图7.基于水稻供需平衡动态调整预测未来水稻种植甲烷排放。
综上，研究结果表明，尽管水稻种植甲烷排放在过去20年中相对稳定，但未来在气候变化和政策干预下可能会发生显著变化。这些发现为中国制定未来的温室气体减排策略提供了科学依据。
