综述：稻田中的气候变化缓解措施：农业干预措施的全球综述

《Journal of Environmental Management》：Climate change mitigation in rice fields: A global synthesis of agronomic interventions

水稻作为全球半数人口的主粮，其栽培方式是重要温室气体排放源。本研究通过整合91项元分析，系统评估了54种水稻农艺措施对产量、甲烷/氧化亚氮排放及全球变暖潜势的影响。生物炭技术可使产量提升12%，同时减少15-18%的温室气体排放；残茬还田和有机肥虽增产5-19%，但导致甲烷排放激增76-144%，全球变暖潜势分别增加65-96%。免耕技术降低全球变暖潜势15%且不损害产量；间歇灌溉技术减少甲烷排放50%，温室气体排放强度下降39%。氮肥过量使用导致氧化亚氮排放增130%。研究指出需通过整合管理策略平衡产量与减排，不同措施存在显著环境效应差异，为制定区域性可持续水稻系统提供依据。

　　

Jean-Martial Johnson | Ando M. Radanielson | Kazuki Saito

国际水稻研究所（IRRI），DAPO Box 7777，马尼拉大都会，1301，菲律宾

摘要

水稻养活了全球一半的人口，但其种植是温室气体（GHG）排放的主要来源。为了满足不断增长的需求，需要采取农艺措施来提高产量同时减少温室气体排放。在此，我们首次对91项元分析进行了综合研究，量化了54种农艺措施对产量、CH₄和N₂O排放、全球变暖潜能（GWP）以及温室气体排放强度（GHGI）的影响。生物炭始终表现出多重效益，使产量增加了12%，同时减少了CH₄、N₂O和GHGI的排放量，降幅分别为15-18%。相比之下，残渣还田和有机改良虽然提高了产量（分别增加了5%和19%），但显著增加了CH₄排放量（增加了144%和76%）和GWP（增加了96%和65%）。免耕或少耕技术使GWP降低了15%，且没有影响产量。节水技术使CH₄排放量减少了50%，GHGI减少了39%，但产量略有下降（减少了3%）。在这一类别中，间歇性灌溉提供了最佳的平衡方案；而非淹水灌溉系统虽然实现了更大的减排效果，但产量损失更大（减少了9%）。无机氮肥使产量增加了31%，但N₂O排放量增加了130%。创新措施，包括深施肥料和高效肥料，使N₂O排放量减少了多达38%，产量提高了6%-19%。共生系统（例如水稻-鸭子）减少了CH₄排放，但对N₂O的影响则各不相同。尽管一些农艺措施显示出潜力，但其他措施的证据仍然有限（例如施用石灰、作物种植和杂草管理）。需要评估综合方法，以明确协同效应和权衡因素，从而设计出适合不同环境的可扩展、可持续的水稻系统。

引言

水稻是全球超过一半人口的食物安全基础，其种植面积超过1.6亿公顷（FAO，2025年）。然而，这种主粮作物也是温室气体排放的主要来源之一，约占全球人为甲烷（CH₄）排放量的11%——主要来自持续淹水的灌溉系统（IPCC，2023年；Linquist等人，2012年）。随着全球对水稻需求的增加，挑战不再仅仅是提高产量，而是在地球资源的限制下实现这一目标（Zhang等人，2024年）。

为了减少水稻种植的气候足迹，人们采取了多种农艺措施，从改进的水分管理（如交替湿润和干燥灌溉）到生物炭的应用和精准养分管理（Qian等人，2023年；Zhang等人，2024年）。这些措施旨在减少排放的同时保持或提高生产力。然而，它们的效果高度依赖于具体环境，且不同研究的结果往往存在冲突（Pittelkow等人，2014年）。因此，农民、政策制定者和发展机构在选择既能促进粮食生产又能确保环境可持续性的措施时面临不确定性。

元分析已成为整合多项研究结果并产生广泛适用见解的强大工具（Gurevitch等人，2018年）。过去十年中，专注于水稻系统温室气体排放和产量响应的元分析数量迅速增加。然而，大多数元分析分别评估各项措施，使用不一致的效果量指标，仅关注一两种温室气体排放指标，或缺乏透明的报告机制，这限制了它们在基于证据的政策制定和综合系统设计中的应用（Kaur等人，2023年）。此外，关于农艺措施总体影响的结论也不一致，因为一级元分析中报告的效果量差异很大，在某些情况下甚至相互矛盾（Young等人，2021年）。二级元分析通过更高层次的数据汇总和将现有元分析作为分析单元，解决了这些局限性。这使得综合证据可以直接整合和比较，增强了累积知识，并提供了统一的证据图谱。对于政策制定者、实践者和科学家来说，这有助于解决不一致性问题，明确共识强烈的领域或仍存在不确定性的地方，并确定需要进一步研究或综合的领域，从而支持基于证据的决策和研究优先级。然而，目前还缺乏一项全面评估所有农艺措施以减少水稻种植系统温室气体排放的定量综合研究。最近的元分析主要集中在气候智能型水资源管理（Minamikawa，2025年）或农业多样化（He等人，2023年）上，而其他研究（例如Beillouin等人，2019年、2021年；Young等人，2021年）并未专门针对水稻系统。

在此，我们首次对91项关于水稻种植的一级元分析进行了综合研究，以回答三个关键问题：（i）哪些农艺措施已被用于减缓水稻田的气候变化，哪些受到了最多的研究关注，哪些尚未得到充分探索？（ii）这些措施对谷物产量、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放、全球变暖潜能（GWP）以及温室气体排放强度（GHGI）的总体影响是什么？（iii）生产力和减排效果之间存在哪些协同效应和权衡，哪些措施最具潜力？通过回答这些问题，本研究旨在指导未来的研究重点，并为制定能够协调粮食生产目标和气候缓解目标的可扩展水稻系统提供依据。

文献搜索和数据收集

文献搜索和数据收集

我们使用在线数据库（Web of Science、Scopus和Google Scholar）系统地搜索了关于农艺措施对水稻田可持续指标（主要是谷物产量、CH₄和N₂O排放、全球变暖潜能（GWP）以及温室气体排放强度（GHGI）影响的已发表的一级元分析。文献搜索于2025年3月进行，并在之后进行了更新。

一级元分析的回顾

通过筛选过程共选择了91篇一级元分析文献；所有文献均发表于2012年之后（见补充文本2）。其中24篇发表于2010年代，67篇发表于2020年代，表明近年来研究数量快速增长。43项研究专门关注水稻（2010年代12篇，2020年代31篇）。63项研究进行了全球范围的分析（2010年代15篇，2020年代48篇），而24项研究专门针对中国（7篇）

讨论

过去十年中，关于水稻系统的元分析研究数量激增，反映了食品系统研究中证据综合趋势的扩大（Schievano等人，2024年）。这一趋势既受到气候缓解紧迫性的推动（特别是减少农业CH₄排放的需求），也受到在变化的环境条件下确保粮食安全的可扩展措施的需求（IPCC，2023年）。我们的综合研究表明，尽管在减少温室气体排放方面取得了显著进展

CRediT作者贡献声明

Jean-Martial Johnson：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、调查、数据分析、概念化。Ando M. Radanielson：撰写——审阅与编辑、验证。Kazuki Saito：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、调查、资金获取、概念化。

数据声明

补充信息可在线获取。本研究生成和分析的数据集以及R脚本，可根据合理请求向相应作者索取。

资金来源

本项工作得到了日本政府的支持，通过IRRI实施的“促进东盟国家水稻种植系统实现碳中和和粮食安全”项目。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢IRRI的高级科学家Bui Tan Yen博士对本文早期版本的宝贵意见。