稻田碳匯功能及其影響因子研究

摘要 本文通過對稻田固碳、減排能力及其影響因素進(jìn)行分析，合理調(diào)控水稻種植方式，發(fā)揮稻田碳匯潛力，有效降低稻田溫室氣體排放。研究發(fā)現(xiàn)，稻田生態(tài)系統(tǒng)可通過光合作用、土壤有機(jī)質(zhì)固碳等過程吸收和儲存二氧化碳；稻田碳排放主要來源包括生產(chǎn)過程中的碳排放（如農(nóng)藥、化肥使用）和運(yùn)輸過程中的碳排放；影響稻田碳匯的因素有氣候因素、土壤理化性質(zhì)以及人為因素等。采取科學(xué)管理措施和技術(shù)手段，可以提高稻田的固碳能力，減少碳排放，發(fā)揮碳匯效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 稻田；碳匯；固碳減排；土壤；溫室氣體

中圖分類號 S511" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A" "文章編號 1007-7731（2024）14-0135-06

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.14.029

Research on carbon sink function and influencing factors in rice fields

ZHANG Hua1" " ZHAN Weiming1" " XU Qianliang1" " LIANG Zhiyuan1" " TU Chunbao2" " HU Yuming3

WANG Zhe2" " WANG Xinwang4

（1Zhejiang Guolian Qianyi Ecological Agriculture Development Co.， Ltd.， Hangzhou 310056， China;

2 Zhinong Technology Development （Zhejiang） Co.， Ltd.， Hangzhou 310056， China;

3Zhejiang Environmental Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310056， China;

4 People’s Government of Zhentou Town， Wuyuan 333205， China）

Abstract The carbon sequestration and emission reduction capabilities of rice fields， as well as its influencing factors were analyzed， in order to reasonably regulate rice planting methods， tap into the carbon sequestration potential of rice fields， effectively reduce greenhouse gas emissions from rice fields. Research had found that rice field ecosystems had the ability to absorb and store carbon dioxide through processes such as photosynthesis and soil organic matter carbon sequestration. The main sources of carbon emissions from rice fields included carbon emissions during the production process （such as pesticide and fertilizer use） and transportation carbon emissions; the factors that affected carbon sequestration in rice fields included climate factors， soil physicochemical properties， and human factors. By adopting scientific management mearsures and technological means， the carbon sequestration capacity of rice fields could be improved， carbon emissions could be reduced， and utilized the carbon skin effect.

Keywords rice field; carbon sink; carbon sequestration and emission reduction; soil; greenhouse gas

稻田作為一個生態(tài)系統(tǒng)，具有重要的碳匯功能，既可以吸收大量的二氧化碳（CO2），又可以將碳固定在植物和土壤中。同時，稻田也是重要的溫室氣體排放源之一，其排放的溫室氣體主要為二氧化碳、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）等[1]。宮亮等[2]研究表明，水稻生產(chǎn)中碳排放占農(nóng)業(yè)碳排放總量的16%，是農(nóng)業(yè)碳排放的主要來源之一。水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用過程中也會造成CH4增加[3]。常琳溪等[4]研究表明，稻田土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）是重要的農(nóng)業(yè)碳庫之一，在減緩大氣CO2濃度上升和全球變暖速率中起著重要作用。隨著對氣候變化問題的重視程度提高，稻田碳匯功能及其影響因子的相關(guān)研究也日益受到重視。為進(jìn)一步提高稻田的碳匯能力，本文分析了稻田固碳、減排能力，并從氣候因素、土壤理化性質(zhì)和人為因素等方面探究了稻田碳匯的影響因素，合理調(diào)控水稻種植方式，發(fā)揮稻田碳匯潛力，有效降低稻田溫室氣體排放。

1 稻田固碳能力分析

1.1 光合作用固碳

光合作用即綠色植物利用光能同化CO2和水，制造有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過程。其涉及的光吸收、電子傳遞和碳同化等過程，對自然界能量轉(zhuǎn)換和維持大氣碳—氧平衡具有重要意義。植物光合有機(jī)物質(zhì)的傳輸和分配是構(gòu)建大氣—作物—土壤碳循環(huán)系統(tǒng)的重要影響因素之一[5]。有機(jī)物質(zhì)通過植物根系分泌、植物殘留物分解等方式進(jìn)入土壤碳循環(huán)系統(tǒng)，以達(dá)到固碳的作用。王群艷等[6]研究表明，水稻光合碳對土壤有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較為明顯，能夠有效促進(jìn)土壤碳循環(huán)，提高土壤碳匯能力，降低大氣CO2濃度，減緩溫室效應(yīng)。同時，水稻生長后期固定的光合碳在土壤中的表現(xiàn)相對穩(wěn)定，易被固定于土壤中[7]，但水稻生育后期光合碳向土壤中的分配減少，因此，水稻不同生育期光合碳的分配特性對土壤有機(jī)碳的影響不同。

1.2 土壤有機(jī)質(zhì)固碳

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中不同形式的含碳有機(jī)化合物，包含動植物殘體、微生物及其分解合成的各類有機(jī)化合物。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中固相部分的主要組成成分之一，在改變土壤物理性質(zhì)、促進(jìn)微生物活動和供給植物養(yǎng)分等方面都有著重要作用，是土壤養(yǎng)分和碳的儲藏庫。土壤有機(jī)碳作為土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分之一，其微小的變化可能會對大氣CO2濃度造成較大影響。目前相對成熟的土壤有機(jī)質(zhì)固碳方式有秸稈還田、施用有機(jī)肥和生物炭等，通過增加和更新土壤有機(jī)質(zhì)，達(dá)到土壤有機(jī)質(zhì)固碳的目的。秸稈還田不僅能夠直接輸入有機(jī)碳，還能增加土壤有機(jī)質(zhì)、酶活性和微生物量，改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物生長，而作物生長和土壤微生物活動是產(chǎn)生和排放溫室氣體的重要影響因素[8]。有機(jī)肥是指以動物排泄物和動植物殘體等富含有機(jī)質(zhì)的農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料，經(jīng)過腐熟發(fā)酵后生產(chǎn)的肥料，其具有改良土壤、改善土壤微生態(tài)環(huán)境和培肥地力等特點(diǎn)。邱堯等[9]研究表明，有機(jī)肥含有大量有機(jī)質(zhì)，施用有機(jī)肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤碳儲存量。生物炭是指生物質(zhì)原料經(jīng)過高溫?zé)峤夂螽a(chǎn)生的一種作為土壤改良劑的木炭，其可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、碳收集和儲存等。李飛躍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)秸稈在轉(zhuǎn)化生物炭過程中會產(chǎn)生混合氣及生物質(zhì)油等生物能源產(chǎn)品，其可有效減少化石原料的碳排放。生物炭固碳技術(shù)可為溫室氣體減排工作及生物質(zhì)秸稈的綜合有效利用開辟新的途徑。由此可見，生物炭固碳技術(shù)是一種非常有前景的碳匯技術(shù)，固碳潛力較大，對緩解溫室效應(yīng)具有重要意義。

2 稻田減排能力分析

稻田減排分為兩個方面，一是減少生產(chǎn)過程中的CO2、CH4和N2O等溫室氣體的排放量，二是減少水稻生產(chǎn)投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放量。邸超等[11]研究表明，生產(chǎn)過程中溫室氣體釋放的碳約占水稻總排放的70%，其中以CH4形態(tài)的排放量占生產(chǎn)中排放量的60%。賈丙瑞等[12]研究發(fā)現(xiàn)，稻田CO2的排放主要為土壤呼吸作用和水稻自身呼吸作用，呼吸作用受溫度、水分、生物量、土壤含碳量、O2和CO2濃度的影響。因此，合理控制相關(guān)因子，減弱稻田呼吸作用，對CO2的減排能力提升具有促進(jìn)作用。稻田CH4的排放包含土壤CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸3個階段，其與稻田土壤、環(huán)境氣候、施肥情況和農(nóng)藝措施等因素相關(guān)，在保證水稻產(chǎn)量的前提下，合理調(diào)控上述因子，可有效降低稻田CH4的排放，促進(jìn)稻田溫室氣體減排[13]。同時，抑制劑的研發(fā)和應(yīng)用也能通過影響稻田土壤中微生物和酶的活性，提高稻田減排能力。脲酶、雙氰胺等均能有效減少N2O的排放[14-15]。

采取有機(jī)肥部分替代化肥、減量施肥和合理施藥等措施，可有效減少部分生產(chǎn)資料在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放。邵曉輝等[16]探究了在稻菜輪作模式下綜合作物產(chǎn)量和溫室氣體減排效果，發(fā)現(xiàn)化肥有機(jī)肥配施比單施氮磷鉀肥的溫室氣體排放強(qiáng)度下降更多，減排穩(wěn)產(chǎn)效果明顯，且優(yōu)于全量有機(jī)肥替代模式。因此，合理的化肥減量不僅可以保證產(chǎn)量，還能減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)集約化種植。

3 稻田碳匯影響因素分析

3.1 氣候因素

劉心等[17]研究發(fā)現(xiàn)，對稻田碳匯影響較大的氣候因子為大氣CO2濃度、溫度和降水波動。高濃度CO2會影響CH4氧化菌數(shù)量和活性，進(jìn)而減少CH4排放，可以在一定程度上緩解全球氣候變暖。同時，大氣CO2濃度升高，會造成水稻葉片光合系統(tǒng)受損，抑制光合系統(tǒng)電子傳遞能力、電子受體氧化還原能力、光化學(xué)效率最大值和活性[18]。高溫會影響植物體內(nèi)水分、離子和有機(jī)物等的移動性，從而對植物自身生命活動造成影響，抑制植物光合作用，降低植物吸收CO2的能力，同時一定范圍內(nèi)的高溫會造成土壤反硝化細(xì)菌、甲烷菌活性增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解加快，從而增加N2O、CH4和CO2排放。常思琦等[19]分析了降雨對城市草坪溫室氣體源匯效應(yīng)的影響，研究認(rèn)為，降雨會降低植物光合作用和土壤溫度，削弱CO2和N2O排放，促進(jìn)CH4排放。氣候因子通過對植物光合作用和呼吸作用的影響，從而調(diào)控CO2的吸收和排放，通過對硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的作用影響N2O的排放量，通過對甲烷菌和甲烷氧化菌的作用影響CH4的排放量，進(jìn)而對稻田碳匯造成影響。

3.2 土壤理化性質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、透氣性和含水量等不同也會影響溫室氣體的排放情況。稻田CH4是土壤有機(jī)質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)甲烷菌作用分解產(chǎn)生的，土壤有機(jī)質(zhì)作為該過程的分解原料，其含量和活性會對CH4的產(chǎn)生造成較大影響。謝立勇等[20]研究表明，有機(jī)質(zhì)經(jīng)一系列分解后產(chǎn)生的甲酸（CH2O2）和一氧化碳（CO）在甲烷菌作用下產(chǎn)生CH4或甲基營養(yǎng)進(jìn)行脫甲基作用產(chǎn)生CH4。土壤甲烷菌和甲烷氧化菌的活性受土壤pH值影響，進(jìn)而對土壤CH4排放產(chǎn)生影響。同時，土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌活性也受土壤pH值影響，進(jìn)而對土壤N2O的排放產(chǎn)生影響。中性pH值適宜多數(shù)甲烷菌生長代謝活動，土壤pH值偏低會對甲烷的產(chǎn)生形成抑制[21]。土壤pH值lt;6時，可降低反硝化細(xì)菌數(shù)量和活性，降低反硝化效率，進(jìn)而減少N2O排放；高pH值會降低反硝化強(qiáng)度，從而減少N2O排放[22]。土壤透氣性可增加土壤氧含量，促進(jìn)甲烷氧化菌作用，從而減少CH4排放。田坤云等[23]研究指出，甲烷氧化菌分為專性好氧型、微需氧型和兼性厭氧型，其代謝活性均需要充足的氧氣濃度，其中兼性厭氧型在缺氧狀態(tài)下雖能生長，但生長情況弱于氧氣充足時。陳美慈等[24]探究了設(shè)施栽培土壤CH4氧化情況，研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分含量會對土壤O2含量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響甲烷氧化菌的活性，最終對CH4的排放造成影響。含水量適宜的情況下，土壤透氣性好，CH4氧化菌活性高；含水量過高時，土壤處于缺氧狀態(tài)，CH4氧化菌的活性受到抑制；含水量過低時，CH4氧化菌生長所需水分得不到滿足，導(dǎo)致其活性降低。

3.3 人為因素

3.3.1 種植模式因素" 不同的農(nóng)作物種植模式（作物根系殘留、秸稈還田和施肥等）對稻田有機(jī)碳氮的投入有所不同，同時翻耕次數(shù)也會直接影響稻田土壤有機(jī)碳的循環(huán)和積累。不同復(fù)種輪作方式下，其耕作方式、作物殘留秸稈和秸稈還田方式等不同會影響土壤有機(jī)質(zhì)積累、分解和礦化等，同時其翻耕次數(shù)、施肥等管理措施的不同也會改變土壤物理、化學(xué)和生物性狀[25]，都會導(dǎo)致SOC含量發(fā)生變化。稻田免耕方式可加快腐殖化過程，活性碳轉(zhuǎn)化為腐殖酸可提高土壤有機(jī)質(zhì)的積累和更新，同時穩(wěn)定增加土壤碳庫[26]，吳家梅等[27]研究表明，稻草覆蓋免耕處理能明顯減少CH4排放，從而提高稻田SOC含量。水旱輪作模式相較于雙季稻模式更能促進(jìn)稻田SOC積累和穩(wěn)定，明顯增加稻田SOC含量。江漢平原等區(qū)域中稻種植因采用水旱輪作方式，其溫室氣體排放量較少，相較于早稻和晚稻每千克產(chǎn)量分別減排0.45和0.19 kg溫室氣體[28]。南方地區(qū)氣候適宜，水稻收割后冬季可種植多種其他作物。余佳等[29]研究發(fā)現(xiàn)，冬閑稻田缺乏必要的排水、翻耕等管理，且受降水、土壤溫度等因素影響，溫室氣體排放通量為7.58 g/m2，可采取措施讓冬閑期稻田增匯。冬閑期稻田種植綠肥的土壤可溶性碳氮明顯提高，且能為下茬水稻生長提供必需的營養(yǎng)[30]。因此，多樣化的種植模式可以影響稻田碳匯能力，促進(jìn)SOC積累。不同的種植模式通過土壤翻耕、有機(jī)物料投入、施肥和灌溉等方式影響土壤物理、化學(xué)和生物性狀，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳氮的穩(wěn)定性。

3.3.2 田間管理因素" （1）稻漁綜合種養(yǎng)。稻漁綜合種養(yǎng)通過生態(tài)工程改造，建設(shè)魚溝、魚溜保證養(yǎng)殖用水需求，同時能夠起到稻田土壤增溫、保溫作用。曹曉強(qiáng)等[31]研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉模式均能有效提高土壤溫度，且土壤溫度呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，土壤的最高溫度時期均在水稻分蘗末期或拔節(jié)孕穗期，有助于在生長前期提供適宜的溫度，加快水稻生長，為水稻高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。稻—魚—萍的立體種養(yǎng)能夠起到除草、松土透氣和除蟲的作用，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分解，釋放水稻生長必需的氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，提高了水稻對營養(yǎng)元素的吸收利用，同時還可以提高土壤氧化還原電位，抑制CH4的排放。林孝麗等[32]通過對南方稻田稻漁綜合種養(yǎng)模式進(jìn)行實(shí)證分析，發(fā)現(xiàn)在稻漁綜合種養(yǎng)模式下，稻田化肥和農(nóng)藥的使用量大幅降低，化肥和農(nóng)藥節(jié)約率分別為15.21%和40.17%，同時水稻產(chǎn)量保持不變甚至略有增長。岳冬冬等[33]對共生系統(tǒng)的碳減排量進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)減排溫室氣體CO2較多，碳匯價值較高，可充分發(fā)揮綜合種養(yǎng)的碳匯功能。馬永躍等[34]對稻田浮萍固碳能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)浮萍能夠降低CH4的排放，在一定程度上降低了研究區(qū)稻田綜合溫室效應(yīng)。

（2）灌溉。稻田灌溉模式分為淹水灌溉、常規(guī)灌溉、常濕灌溉和干濕交替灌溉，其中淹水灌溉又分為淺水灌溉和深水灌溉。淹水狀態(tài)下稻田土壤處于強(qiáng)還原環(huán)境，土壤有機(jī)碳在甲烷菌的作用下促使CH4排出，但同時也促進(jìn)了反硝化作用，消耗大量的中間產(chǎn)物N2O，使最終產(chǎn)物氮?dú)馀懦鯷35]。在曬田期間，土壤處于氧化狀態(tài)，抑制CH4產(chǎn)出，促進(jìn)硝化作用產(chǎn)生N2O，證明稻田CH4和N2O排放存在明顯的此消彼長關(guān)系[36]。董艷芳等[37]發(fā)現(xiàn)與常規(guī)灌溉相比，常濕灌溉和干濕交替灌溉均能提高水稻產(chǎn)量，同時減少CH4排放和增加N2O排放，溫室氣體排放通量均有減少。傅志強(qiáng)等[38]發(fā)現(xiàn)深水灌溉由于水深的原因，可阻礙CH4排放，同時抑制N2O產(chǎn)生，但對水稻生長存在不利影響。胡國輝等[39]研究表明，在秸稈資源化利用的背景下，利用生物質(zhì)可降解膜覆蓋水稻，可節(jié)約稻田灌溉用水量，同時保證水稻產(chǎn)量和控制稻田溫室氣體排放。

（3）施肥。施肥是稻田溫室氣體的主要排放原因之一，有機(jī)肥和化肥投入能快速改變土壤碳氮比（C/N比）、pH值和氧化還原電位（Eh值）等，同時為溫室氣體排放提供了碳源和氮源，從而改變溫室氣體的排放量和組成成分。郭騰飛等[40]對不同的施肥處理下溫室氣體排放進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥和氮肥均會導(dǎo)致溫室氣體排放增加，但排放強(qiáng)度不同。同時，抑制劑的配施也可有效減少CH4排放。不同的施肥處理能給稻田帶來碳源或氮源，從而提高稻田溫室氣體排放。實(shí)踐中，不同的施肥配比可改變溫室氣體排放強(qiáng)度，不同的氮肥施用方式對水稻碳匯能力也有影響。張鮮鮮等[41]研究發(fā)現(xiàn)氮肥70%施肥和全量施用對水稻產(chǎn)量的影響不大，但溫室氣體減排效果明顯，通過合理控制氮肥用量實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排具有可行性。氮肥深施可加快甲烷氧化菌的代謝活動，使稻田CH4氧化為CO2，同時稻田氮肥深施可激發(fā)反硝化細(xì)菌作用，減少N2O排放。

（4）秸稈處理。目前秸稈資源化處理方式主要有肥料化、飼料化、能源化、基料化和原料化，以抵消部分或全部碳排放，將大氣中CO2固定存儲在生物質(zhì)或土壤中，從而促進(jìn)稻田增匯。秸稈經(jīng)腐熟發(fā)酵后再還田，可達(dá)到農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化利用的目的，而且相比于秸稈直接還田，可明顯減少CH4排放[42]。陳曉煒等[43]對飼料替代和廢棄物循環(huán)利用等因素進(jìn)行碳匯評估，發(fā)現(xiàn)種養(yǎng)循環(huán)相較于分離模式可有效提高固碳減排效果?；酐慃惖萚44]研究表明，利用秸稈自身可再生生物質(zhì)能源的特性進(jìn)行發(fā)電、發(fā)熱，從而部分替代傳統(tǒng)化石能源，可達(dá)到減排的目的。利用秸稈生產(chǎn)食用菌，可減少部分林木資源的砍伐，從而實(shí)現(xiàn)菌菇生產(chǎn)原材料的固碳減排。秸稈制造板材、紙張和包裝制品等可替代因板材、造紙和包裝制品等制造引起的森林砍伐，達(dá)到固碳減排的效果[45]。多種利用途徑有效結(jié)合，如秸稈灰還田替代部分鉀肥、菌渣腐熟發(fā)酵還田替代有機(jī)肥等，可進(jìn)一步增強(qiáng)秸稈固碳減排的能力。

4 結(jié)論與討論

為進(jìn)一步提高稻田的碳匯能力，本文分析了稻田固碳、減排能力，并從氣候因素、土壤理化性質(zhì)和人為因素等方面探究稻田碳匯影響因素，合理調(diào)控水稻種植方式，發(fā)揮稻田碳匯潛力，有效降低稻田溫室氣體排放。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控水稻種植管理、土壤肥力等因子，可以提高稻田的碳匯能力，降低碳排放，減少溫室氣體的排放，有利于減緩氣候變化。

目前稻田碳匯的相關(guān)研究中，單項(xiàng)或雙項(xiàng)因子對稻田碳匯的影響研究較多，綜合角度因子對稻田整體溫室氣體排放研究較少，尤其是生產(chǎn)資料生產(chǎn)運(yùn)輸途中產(chǎn)生的排放研究較少。未來應(yīng)加強(qiáng)不同因子間的交叉影響，深入研究稻田溫室氣體整體排放量與稻田綜合影響因子的相關(guān)性，提出科學(xué)有效、可持續(xù)發(fā)展的固碳減排方案。加強(qiáng)研究不同水稻品種、施肥措施和氣候條件等因素對碳固定的影響，可以為優(yōu)化水稻種植結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)田管理提供科學(xué)依據(jù)，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。同時，開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，探索應(yīng)用集成技術(shù)，加強(qiáng)推廣應(yīng)用集成技術(shù)，完善稻田碳匯保障體系，為促進(jìn)稻田碳匯高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

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（責(zé)任編輯：王 菁）

作者簡介 張華（1990—），男，浙江金華人，從事生態(tài)農(nóng)業(yè)種植和鄉(xiāng)村振興項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)營工作。

通信作者 王哲（1990—），男，河南漯河人，碩士，工程師，從事現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)、環(huán)境調(diào)控技術(shù)研發(fā)及推廣工作。

收稿日期 2024-02-26