稻田土壤固碳关键过程的生物地球化学机制及其碳中和对策*

祝贞科, 肖谋良, 魏 亮, 王 双, 丁济娜, 陈剑平, 葛体达

(宁波大学植物病毒学研究所/省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室 宁波 315211)

全世界水稻(Oryza sativa)种植总面积可达1.8亿hm, 分布在各大洲, 其中亚洲占据90%, 非洲、美洲和欧洲的水稻种植面积分别为6.0%、4.3%和0.4%。水稻种植面积较大的国家是中国和印度, 占比分别为18.5%和28.1%。中国是水稻总产量最高的国家, 占全球总量31%。稻田是中国典型的农田生态系统, 水稻土是我国重要的土壤资源; 中国现有稻田面积0.33亿hm, 约占全国耕地总面积的27%,水稻作为我国主要的粮食作物养育着全国近一半的人口, 在保障粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。

稻田生态系统是一个重要的碳汇, 对减缓大气二氧化碳(CO)浓度升高起着不可忽视的作用; 同时, 水稻土也是温室气体排放的主要来源之一, 在温室气体减排方面也具有重要的生态功能。气候变化是全球面临的重大挑战之一, 我国政府提出了力争于2030年前达到峰值, 争取2060年实现碳中和的目标, 因此, 要充分发挥水稻土碳汇功能, 促进土壤固碳效能, 使其服务于我国的“双碳”战略。

我国南方热带和亚热带区域是水稻的主产区,在固碳减排中占有重要地位。研究表明长期植稻过程中, 水稻土的有机质处于持续增加状态, 增幅可达60%,年平均固碳速率为0.28 t·hm, 具有明显固碳效应; 水稻生长过程中根际沉积是碳输入的主要形式,收获后的秸秆还田是土壤碳的重要补充。有机物通过根际沉积作用或秸秆还田进入土壤后, 进入生物地球化学循环过程被转化为土壤有机碳(SOC), 最终被分解并以CO形式释放或形成较为稳定的有机碳储存在土壤中。输入的有机碳对土壤有机质的分解存在阻滞效应, 这增加了水稻土的固碳潜力。因此, 探讨碳中和背景下如何提升稻田土壤有机碳这一全球性的问题必须关注土壤有机碳周转的关键过程与机制及其技术措施, 基于此, 本文分别从稻田土壤有机碳的来源、转化、稳定及其固碳技术等方面进行逐一探讨。

1 稻田土壤有机碳的来源和量化

由于人类的耕种活动及作物种植, 稻田土壤有机碳的来源较自然生态系统更加广泛, 主要包括水稻根际沉积碳、作物秸秆和根茬来源碳、微生物光合固碳、动物残体以及有机肥投入碳等(图1)。

图1 稻田土壤有机碳转化与稳定机制Fig.1 Transformation and stabilization mechanism of soil organic carbon in paddy field

作物光合碳是土壤有机碳的主要来源, 光合碳主要通过根际沉积的形式输入土壤, 包括根系分泌物、死亡根系和作物残体等, 根际碳沉积在农田碳循环中起重要作用, 植物根系通过各种形式将输入到根部的有机、无机化合物释放到周围土壤, 形成根际沉积, 这是植物与土壤间界面交换的一种重要过程。由于作物光合碳向土壤传输过程中, 根际沉积碳代谢周转快以及结构性碳尚未及时形成稳定的土壤有机质等原因, 目前对于植物根际沉积碳在土壤有机碳库中的输入与分配的研究结果不尽相同。20世纪80年代以来, 随着同位素示踪技术的发展和应用, 量化了植物-土壤系统中碳的传输与分配。研究表明在一个生长期内, 禾谷类作物和牧草向地下部输送的光合碳量分别可达到约1500 kg·hm和2200 kg·hm。Lu等研究发现水稻生长前期光合碳向根系及土壤中的分配比例高, 而到成熟期光合碳在土壤中的分配比例呈下降趋势。应用C连续标记示踪技术, 在密闭系统模拟研究了水稻根系输入的光合碳对土壤有机碳及其组分的影响,结果发现80 d内单株盆栽约有0.78 g·盆的水稻光合碳转化为土壤有机碳。水稻光合碳的分配和转化对土壤活性碳组分的可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)含量变化影响较大, 而对SOC影响较小。通过整合分析水稻光合碳在植株-土壤系统的分配规律, 发现70%～80%光合碳固定在水稻的茎,13%～16%固定在根, 5%～15%固定在土壤, 1.3%～2.1%固定在微生物中。一个水稻季后, 水稻地下碳输入量约为1.6 t·hm, 其中根沉积量约为0.4 t(C)·hm, 水稻根际沉积碳约占整个地下碳输入的28%。

自养微生物在农田土壤中广泛存在, 能通过多种固碳途径同化大气CO, 是农田土壤有机碳的重要来源之一。利用C连续标记技术, 研究发现稻田土壤具有微生物光合同化大气CO并将其转化为土壤有机碳的能力。C-CO连续标记培养110 d后, 稻田土壤光照处理的C-SOC量为105.0～133.8 mg·kg,并且稻田土壤大于旱地土壤。据估算, 土壤微生物的CO日同化速率为0.01～0.10 g(C)·m, 农田土壤微生物的年碳同化速率为100～450 kg·hm, 其对碳循环的年贡献率为0.9%～4.1%。如果推算到全球陆地生态系统, 理想状态下, 全球陆地生态系统土壤微生物的年碳同化量在0.3～3.7 Pg。

尽管作物光合碳和微生物同化碳都是稻田土壤的外源碳, 但其在土壤中的留存及其贡献存在较大差异。利用同位素标记技术, 研究水稻光合同化碳(水稻秸秆、根系、根际沉积碳)和微生物同化碳在水稻土中的矿化动态, 发现水稻根际沉积碳和微生物同化碳具有较低的矿化速率和较长持留时间使得它们对土壤有机质的累积效应更强。而且, 水稻根系、秸秆的输入促进了土壤原有有机碳的矿化(正激发效应), 而根际沉积碳以及微生物同化碳则抑制了原有有机碳的分解, 进一步说明土壤微生物同化碳具有更好的固碳效应, 二者对土壤有机碳积累的贡献分别为71.9%和55.5%, 远高于水稻秸秆(12.1%)和根系(19.8%)的贡献比例。

植物残茬碳源输入后, 主要是通过微生物同化代谢的方式, 以微生物残留物的形式固持于土壤中。微生物残体是土壤有机碳形成的重要来源, 真菌和细菌残体对土壤有机碳的贡献与活体微生物群体的主导地位相对应, 并取决于土地利用、土壤深度、年平均降水量、年平均温度和土壤pH等。农田、草地和森林的表层土壤中微生物残体碳对有机碳的平均贡献分别为51%、47%和35%, 表明土壤有机碳形成的微生物途径(即微生物残体的续埋效应)在耕地和草地土壤占主要地位, 而植物途径(即难分解植物残体的物理迁移)在森林中占主导地位。草地和森林土壤中微生物残体对土壤有机碳的贡献随土层深度的增加而增加, 而在农田土壤中随土层深度的增加而降低。农田土壤中的细菌/微生物残体比值和细菌/真菌残体比值大于草地和森林土壤, 表明农田土壤中较多的细菌残体碳积累。

稻田土壤有机碳的来源尽管已有大量研究, 但是对于各种来源碳的输入及其对土壤有机碳库的贡献比例的计算还存在很大的不确定性, 这主要是因为对于外源碳的溯源还不够清晰, 如盐碱土、喀斯特土壤中无机碳的来源与贡献的比例, 稻田土壤动物及其代谢物、浮萍类绿植与杂草等对土壤碳的贡献, 都还缺少量化研究。因此, 需要更加全面的数据厘清稻田土壤碳的溯源与量化, 采用智能成像与遥感监测、模型构建等方式, 全面准确计算和评估稻田土壤有机碳的来源与贡献, 并为稻田土壤固碳提供理论和技术支撑。

2 稻田土壤有机碳矿化及其调控机制

土壤有机碳矿化是直接影响到土壤有机碳积累效率的重要过程。土壤有机碳矿化包括非生物和生物过程, 如有机碳从矿物吸附表面解吸以及从土壤空隙或团聚体向外扩散, 和大分子有机碳通过化学氧化、化学水解、胞外酶水解等途径分解成小分子有机碳的有机碳溶出过程, 以及生物利用这些已溶出的有机碳的生物矿化过程。淋洗试验表明, 无微生物活动情况下土壤存在有机碳缓慢溶出的非生物过程, 溶出的有机碳重新混入原土并进行矿化培养, 结果表明这部分溶出碳可成为生物矿化的直接碳源, 证实了有机碳溶出过程是土壤有机碳矿化的限速步骤。基于此, Kemmitt等提出“调节阀”假说, 认为土壤有机碳矿化过程是受限于有机碳溶出过程提供的碳源, 而不受微生物量大小和群落影响。南方水稻土富含铁氧化物, 铁氧化物对土壤有机碳有吸附作用, 是控制有机碳溶出过程的重要因素之一, 铁氧化物对可溶性有机碳的吸附固定作用是水稻土固碳效应高于旱地的原因之一(图1)。

许多外在和内在因素会影响土壤有机碳矿化过程。如气候和管理措施会影响团聚体的形成, 进而改变团聚体对土壤有机碳的物理保护作用; 温度会影响有机碳在矿物表面的吸附和解吸的化学过程;气候驱动的水平衡会决定土壤水膜的厚度, 进而影响可溶性有机碳通过土壤水膜进行的扩散。而稻田与其他农田土壤的最主要差异在于水分条件。水稻土在休耕期与旱地相似, 处于落干状态, 在种植期保持淹水直至收割前的排水晒干处理。处于亚热带或热带的水稻土由于温度普遍较高, 导致稻田淹水后水中氧气溶解率偏低, 仅存的氧气也会被好氧微生物迅速消耗, 土壤条件会从有氧迅速向缺氧或厌氧状态转变。氧气条件的变化会引起土壤微生物如细菌和真菌群落的改变, 微生物代谢会由好氧向兼性厌氧转变, 同时会有有机质的厌氧发酵过程发生。另外, 水稻土常年干湿交替操作会破坏土壤结构, 降低土壤孔隙度, 破坏土壤团聚体, 这可能改变有机碳溶出过程, 进而影响土壤碳的矿化速率。

在淹水缺乏氧气的土壤中, 会发生如铁、锰、硫等元素的还原、有机质的厌氧分解和甲烷的产生等特殊过程, 这些过程会与有机碳矿化过程耦合, 且多由特定微生物介导。当氧气缺乏时, 铁、锰、硫等元素作为替代电子受体参与有机碳氧化或矿化,这时某些有机碳的生物有效性可能与氧气充足时有所区别。例如, 木质素和芳香化合物在氧气充足时虽然属于不易被利用的物质, 但是在可接触性不受限的情况下, 他们的矿化仍可进行, 而在以铁为电子受体的情况下, 他们的矿化在热动力学上是完全被抑制的。稻田土壤厌氧条件下, 也会导致甲烷厌氧氧化, 稻田甲烷厌氧氧化每年会减少2.0 Tg C的甲烷释放量, 约占中国稻田CH净排放总量的20%。

稻田土壤有机碳的矿化除了与土壤水分、温度、矿物含量等有关, 还与土壤养分元素含量及其计量比密切相关。水稻土有机碳的微生物矿化过程既是微生物对土壤中碳氮磷等元素的利用过程, 也是基于自身计量学内稳性的反馈调控过程。不论碳受限还是养分受限, 微生物通过相应水解酶的分泌加快受限元素的获取; 而当土壤中碳氮磷计量比满足微生物计量学需求时, 微生物表现出较高的生物活性,促进外源新鲜有机质和土壤原有有机质的分解矿化过程。采用C稳定性同位素标记技术, 量化不同施肥条件下水稻生长过程中根际沉积对土壤有机碳的根际激发效应(CO和CH), 研究发现氮肥施用有效减缓了水稻根际氮素限制, 满足了微生物对养分的计量学需求, 降低了微生物因养分需求而对土壤有机质的分解作用, 减弱对CO和CH释放的正激发效应。研究也发现土壤氮、磷养分元素含量的增加显著提高了秸秆的矿化率, 秸秆碳矿化速率与土壤中DOC∶NH、DOC∶Olsen P和MBC∶MBN(微生物生物量氮)的比值呈指数正相关关系。表明稻田土壤碳的微生物转化过程既是微生物对土壤中碳氮磷等元素的利用过程, 也是基于自身计量学内稳性对土壤生境的反馈调控过程, 这些研究表明稻田土壤有机碳矿化及其激发效应是受到计量学弹性机制调控的过程。

在湿地生态系统的研究中发现, 多酚氧化酶活性受氧气条件控制, 淹水缺氧条件下多酚氧化酶活性下降, 导致多酚物质积累, 其毒性抑制水解酶活性,因而降低了有机碳的分解与矿化, Freeman等因此提出“酶闩”理论。但有研究发现多酚氧化酶活性受亚铁控制, 而三价铁会吸附更多木质素降低多酚氧化酶对其的分解, 于是提出“铁门”理论。此外, 在氧化还原循环中, 泥炭藓酸能够有效淬灭湿地土壤中由二价铁等氧化产生的·OH自由基, 进而抑制有机碳分解, 称为“自由基淬灭机制”。这3种机制可能同时存在, 只是所发挥作用的权重受各个系统中其他具体因素的影响, 如植被类型、氧化还原梯度、铁含量、土壤性质等。因此, 类似同属湿地生态系统的水稻土, 是否也一样受这些机制的调控？这些过程在水稻土频繁的干湿交替和人为干扰以及养分状态变化的环境中如何影响土壤有机碳矿化过程,各种机制相对贡献的量化等, 依然是认识和理解水稻土有机碳矿化过程与机制的障碍。

3 稻田土壤有机碳转化与稳定机制

充分认识土壤有机碳的转化与稳定过程是科学认知土壤碳汇功能的基础, 而相比于旱地土壤, 稻田土壤特有的生物地球化学循环过程对认识水稻土有机碳的转化和固定机制提出挑战。土壤有机碳主要经由植物残体或根际沉积碳逐级分解和微生物生物量周转两个过程形成, 前者涉及微生物的分解代谢,后者为微生物合成代谢, 同时物理保护作用也发挥重要的作用。因此对于土壤有机碳的转化和稳定过程, 可以从团聚体的保护机制、矿物-有机碳结合态保护机制、微生物残体保护机制等几个方面进行探讨(图1)。

3.1 团聚体保护机制

土壤团聚体在土壤有机碳的周转过程中发挥重要作用, 团聚体中有机碳分配涉及生物学和物理化学等非生物过程。通过团聚体的包裹可有效隔离微生物或者土壤酶, 加上细团聚体内部的厌氧条件也使得微生物活性降低, 从而降低有机碳的利用和分解, 物理保护了土壤有机碳。另外, 植物根系的生长可以加速团聚体的形成和破碎, 改变其结构组分, 从而加速团聚体周转, 有利于有机碳的固存。一般在旱地土壤中, 大团聚体储存的土壤有机碳所占比重较大; 而在稻田土壤中, 由于粉粒和黏粒组分含量大于大团聚体, 因此新输入的水稻光合碳较多地存在于粉粒和黏粒组分中, 而且这两个组分较大的比表面积更有利于对有机碳的吸附固定。

3.2 矿物-有机质结合态保护机制

环境中高含量的活性有机碳可提高微生物的碳源利用效率, 从而产生更多微生物来源的土壤有机碳, 在植物残体或根际沉积物被分解后与矿物结合形成矿物结合态有机质(MAOM)。由于根系碳可直接与土壤矿物接触, 在相同碳输入量下, 其形成矿物结合态碳的效率是地上部分碳的近2倍, 同时也可更高效地通过转为微生物生物量碳而固存, 为有机碳-土壤矿物-微生物互作促进植物地下部碳高效形成土壤有机碳提供了证据。有机碳与矿物结合后被包埋, 可有效减少微生物及酶的接触, 进而降低有机质被降解的机率。由此可见, 矿物结合态有机质在土壤中的稳定性主要取决于3个方面: 有机质自身的抗性、可接触性或者矿质吸附作用。尽管如此, 目前基于稻田土壤颗粒有机物(POM)和MAOM研究仍然十分匮乏, 这些碳组分的空间分布特征及其调控因素仍不清楚, 极大地限制了地球系统模型对我国农田土壤有机碳动态的预测能力。

3.3 土壤微生物残留物的形成与稳定过程

虽然微生物生物量碳在土壤有机碳中所占比例很小, 但微生物是土壤有机碳循环的重要驱动力, 其在新陈代谢或迭代过程中, 不断向土壤释放胞外酶、微生物细胞壁组分和细胞内容物。磷脂脂肪酸(PLFA)、小分子糖类和氨基酸等进入土壤后迅速被植物或微生物利用分解, 另外一些物质如蛋白质和氨基糖可较长时间存留在土壤中, 构成土壤有机质的重要组分。微生物残体在土壤有机碳稳定中的作用远比以前认为的大, 活微生物生物量占总有机碳的2%～4%, 而微生物死亡生物量占80%, 主要是由于细胞壁组分的化学结构复杂, 抗性强, 在土壤中留存时间久, 土壤中氨基糖的周转时间为1～3年, 是PLFA的7.8～23.0倍, 是细胞液的2.4～7.3倍, 因此相比于活体微生物量, 氨基糖对有机质提升的贡献更大。相比于旱地, 稻田缺氧条件下植物体有机碳组分初步经过微生物周转即残留于土壤, 导致植物源碳的相对贡献更大。然而, 水稻土中的微生物适应长期的厌氧或低氧环境, 能够充分利用输入的植物残体, 增加微生物增殖的残体在土壤中的留存。

氨基糖的来源广泛, 以氨基葡萄糖、氨基半乳糖、胞壁酸等细胞壁组分为主的微生物残留物远比其他微生物细胞组分稳定。其中胞壁酸来源于细菌肽聚糖, 氨基葡萄糖的来源包括真菌和细菌, 然而由于细菌中氨基葡萄糖与胞壁酸的碳摩尔数存在一定比例(氨基葡萄糖∶胞壁酸=2∶1), 可据此计算来源于真菌的氨基葡萄糖碳含量。由于生成不同类型氨基糖来源的特定微生物群落不同, 氨基糖之间的比例如氨基葡萄糖/胞壁酸及氨基半乳糖/胞壁酸可以反映土壤中细菌和真菌群落对土壤有机质积累的贡献。针对水稻的连续标记试验结果发现, 土壤中累积的活生物量主要来自活体细菌(B-PLFA), 而累积的微生物残体主要来自于真菌的葡萄糖胺(GlcN)。与活体真菌(F-PLFA)相比, GlcN的积累显著促进了土壤有机碳的形成, 尤其是在植物生长后期。分析其原因如下: 首先, 与细菌残体相比, 土壤中的真菌残体不易分解。不像细菌代谢产物和残体的快速周转, 顽固性的真菌组分(如几丁质)对微生物矿化具有高度的抗性, 从而随着时间而积累在土壤中。第二, 真菌比细菌有更大的碳利用效率, 因此每一个碳源产生更多的生物量。第三, 菌根真菌更多地与植物联系在一起, 即直接将根沉积物转移到根际其他微生物群落, 参与同化代谢。水田和旱地土壤配对采样结果发现, 长期耕作的稻田土壤固持的有机碳中植物残体来源碳占33%～54%、微生物残体来源碳占28%～36%, 而旱地土壤中积累的有机碳植物残体贡献19%～42%, 微生物残留物贡献40%～59%。稻田土壤中植物残体来源碳库大小是旱地土壤的3.3倍, 主要是由于淹水限制了微生物活性、抑制植物残体微生物分解过程, 促进植物残体的直接积累。从木质素酚和氨基糖的化学组成来看, 相较旱地土壤, 稻田土壤木质素单体中肉桂型酚类与香草醛基酚类的比例高(cinnamyl /vanillyl -type phenols)、丁香基酚类单体(syringyl-type phenols)的酸醛比低, 且真菌和细菌残留物比值低, 说明稻田土壤中积累的有机碳稳定性低、易受环境变化或人为干扰而丢失。目前有关稻田土壤微生物残体碳的观测数据依然缺乏, 植物源和微生物源碳对土壤有机碳的相对贡献及其影响因素仍不清楚。特别是缺少微生物对植物残体的降解过程以及微生物残体在稻田土壤中的周转过程研究, 很大程度上限制了地球系统模型对气候变化背景下土壤有机碳动态的预测能力。

4 稻田土壤有机碳净排放与土壤固碳的平衡

在稻田生态系统碳收支平衡过程中, 光合作用固定大气中的CO, 然后通过植物自身呼吸又以CO形式释放到大气中, 剩下的部分为净初级生产力。据资料显示, 我国水稻生长过程中吸收的大气CO总量约176.6 Tg C, 稻田系统年度CO排放量约20.2 Tg C。由此估算我国稻田系统年净固碳量约为156.4 Tg C。因此, 稻田生态系统是应对全球气候变化中的一个重要碳汇。

由于忽略了水稻收割后秸秆移除或者焚烧的问题, 对稻田固碳的估算值偏高。然而, 随着禁止水稻秸秆焚烧的相关规定的实施, 以及水稻秸秆还田技术的推广, 可使稻田生态系统在碳收支过程中实现净吸收功能。我国每年生产约7亿t农作物秸秆, 如果将这些秸秆全部炭化, 这相当于从大气中吸收10.22亿t CO, 理论上可减少我国CO总排放的约13.8%。长期秸秆还田可使稻田土壤有机碳提高约13%。因此将水稻生产过程产生的秸秆还田, 可以有效提高稻田土壤有机碳储量, 使稻田土壤发挥重要碳汇。据统计, 稻田土壤中(0～100 cm)有机碳储量约18 Pg, 分别占全球有机碳库和农田土壤碳库的1.2%和14.0%。其中亚热带稻田0～20 cm土壤中有机碳储量约37.8～60.4 t·hm, 并且在30年间上升了约60%。然而, 土壤中有机碳储量增长存在饱和平衡点。如在长期厩肥施用的稻田土壤中, 按照5 t(C)·hm厩肥施入量, 经过60年的培育, 土壤有机质含量从24～31 g·kg, 提高至完全平衡点50 g·kg。由此可见, 虽然稻田土壤存在饱和平衡点, 但其固碳潜力仍十分巨大, 在合理的水稻生产模式和管理制度下, 提高水稻土壤有机碳含量, 在应对全球变化中发挥重要的作用。

秸秆还田或施用有机肥可以增加稻田土壤有机碳含量, 但是由于其可利用性组分能够快速地被微生物利用和分解, 并且通过激发效应, 促进了土壤原有有机碳的矿化, 从而增加温室气体的排放。我国农业温室气体排放约占二氧化碳当量(CO-eq)排放总量的5.4%, 其中水稻种植约占农业CO-eq排放量的16%。因此, 稻田土壤有机碳输入和矿化排放平衡的核算是明确稻田土壤碳汇功能和潜力的关键。然而稻田土壤有机碳分解受多种因子的影响, 其中水肥管理模式是影响较大的因子。如在不施肥稻田土壤中, 有机质以1.44～1.95 t·hm的年矿化量, 60年间从24～31 g·kg的本底值降低至16.7～23.3 g·kg;而施用厩肥后, 虽然有机质年矿化量提高至4.4 t·hm, 但是由于投入量高于输出量, 使培育60年后的稻田土壤有机质含量提升至48.6 g·kg。因此,增加外源有机物的投入是稻田土壤有机质提升的有效途径之一。另外, 肥料施用量还显著影响水稻根际激发效应的方向和强度, 进而调节稻田土壤温室气体的排放。例如, 当养分充足的情况下, 有机质的分解表现为负根际激发效应, 因此稻田土壤有机质的分解受到抑制; 当养分不足时, 水稻根际环境中有机质分解加快, 释放养分提供水稻生长, 此时表现为正激发效应。另外, 水分管理对降低稻田温室气体排放具有较明显效果。如干湿交替处理可以显著降低CH的排放量及其激发效应强度。尽管很多研究已经揭示根际激发效应能够促进土壤原有有机质的分解, 但是引发根际激发效应的这部分碳并没有完全被微生物分解释放到大气, 依然有一部分残留在土壤而弥补因激发效应引起的碳损失。而这部分残留的外源性碳如果滞留在易分解碳库中, 那么随着可利用碳库的消耗, 这部分碳最终会很快被释放到大气中; 相反, 如果这部分碳进入了难分解的碳库, 那么根际激发效应并没有因促进土壤有机碳的分解而影响土壤有机碳的截留。因而, 根际激发效应对土壤有机碳的影响依然较大。以前大多数研究侧重于有机物质输入对碳分解矿化的影响, 很少研究涉及对激发效应引发的碳平衡的评估, 因而缺乏对根际激发效应生态学意义的综合评价。因此,在当前和未来一段时间内, 需要进一步深入研究激发效应的产生/维持机制及其生态学意义。

5 稻田系统实现碳中和的主要措施

5.1 优化稻作系统耕作制度和田间管理模式, 增加土壤碳储量

由于稻田土壤有机碳输入后, 通过矿化途径带来温室气体的排放。稻田生态系统实现碳中和的关键在于调控稻田土壤有机碳输入和输出的平衡, 从而实现温室气体的零排放甚至负排放。因此, 实现稻田土壤固碳减排的措施, 应当从增加稻田系统碳输入和归还、提升土壤有机碳储量, 以及在生产过程中减少温室气体的排放两个方面进行。主要通过增汇(Restock)、减排(Reduce emissions)、降耗(Reduce consume)、循环(Recycle)的“4R”技术体系和管理模式, 实现高产、低排和高效的低碳稻作方式。通过改性秸秆还田方式, 炭化后的秸秆还田可以有效地增加稻田土壤有机碳的输入, 实现稻田土壤增汇目的。秸秆还田和制备生物炭可为秸秆有效利用和农田固碳减排提供一条新途径。然而稻田秸秆还田会显著影响温室气体排放, 水稻秸秆还田后稻田土壤甲烷排放通量可增加2～25倍。在秸秆还田背景下, 无机肥料的施用对稻田土壤温室气体(如CO和CH)排放的调控起着至关重要的作用。化肥的分次施入可显著降低总CH的排放量, 从而显著降低总温室气体排放当量(以CO和CH计算)。添加2.5 g(C)·kg秸秆的稻田土壤经过100 d培养后,土壤总温室气体排放当量为11.1 g(CO-eq)·kg; 在氮磷肥料作为基肥一次性施用时, 土壤原有有机碳和秸秆来源的温室气体排放当量分别为8.7 g(CO-eq)·kg和2.2 g(CO-eq)·kg; 而当氮磷肥料分批次施入时两者分别为8.2 g(CO-eq)·kg和1.5 g(CO-eq)·kg。因此, 间歇施肥是降低稻田生态系统温室气体排放, 促进稻田土壤有机质积累的有效管理措施。除间歇施肥以外, 通过肥料减施和灌溉等措施, 有效降低碳排放。如通过间歇灌溉方式, 可降低46.4%～66.3%的甲烷排放量, 降低增温潜势达42.7%～54.6%。另外, 合理的农艺措施往往具有增汇、减排、降耗、循环的多种效果。如采取少耕或者免耕的耕作制度, 可以有效地减少温室气体的排放, 增加土壤固碳能力。稻田种养结合方面, 利用稻田生态系统和水资源, 采用以农业绿色新科技为驱动, 通过水稻与水禽动物互惠互利, 实现绿色水稻、绿色水产协同发展, 达到生态融合的可持续产业发展的稻田系统“双水双绿”生产模式。因此, 尽管稻田系统各种生产操作会使稻田土壤温室气体排放增加, 但是通过优化耕作方式和田间管理模式, 可以使稻田系统实现低碳生产, 使稻田生态系统在应对全球变化中成为重要的碳汇。

5.2 将稻作系统纳入“碳交易”市场, 建立固碳减排生态补偿机制

在实现碳达峰、碳中和的过程中, 碳排放权交易(简称“碳交易”)是不可忽视并值得重视的关键路径。联合国粮农组织在其研究报告《粮农组织的战略工作: 可持续粮食和农业》中指出: “农业特别易受气候变化的影响, 而且也是气候变化的重要促进因素。如不把农业温室气体排放量的增长计入, 则《巴黎协定》的目标将无法达成。” 这反映出农业产业(包括稻作系统)进入和参与到碳减排与碳交易的框架体系是不可或缺的重要内容。稻田碳汇、施肥固碳减排、化肥农药减量减碳、农业废弃物资源化碳减排等可以纳入农业碳交易产品; 同时, 加快建立稻田固碳减排生态补偿机制。在补偿方式上, 可以对实施减排技术的生产单位和农户进行直接补贴;也可以在全国碳排放权交易市场上, 引导和鼓励控排企业在碳市场中优先购买稻田相关的碳交易项目产生的减排量。在碳交易中, 政府部门应开展对稻田固碳减排技术生态环境效应的综合监测, 根据减排效果确定补贴额度, 为碳交易双方提供科学依据和制度支撑。

6 总结与展望

6.1 阐明稻田固碳功能形成机制, 核算与预测稻田碳中和能力

基于野外调查与遥感同步反演、定位试验结合模型模拟, 制定稻作系统碳排放清单, 量化不同管理措施下稻田土壤固碳现状及其固碳潜力和阈值; 重点研究稻田土壤有机碳固定和稳定的生物和非生物学机制, 探究水稻土碳组分的时空变化规律及其形成转化机制, 量化秸秆、根系、微生物残体、自养微生物同化碳等在不同土壤碳组分形成转化过程中的贡献; 揭示稻田生态系统碳汇功能对人为扰动和气候变化耦合作用的响应机制; 阐明稻田土壤有机碳固定的潜力与阈值形成机制及其对“碳达峰”和“碳中和”核算的影响。

6.2 加快稻田碳中和技术研发, 发挥稻田碳中和技术示范效应

在保障粮食安全前提下, 突破水稻生产过程中的固碳减排关键技术, 重点研究稻作生态系统固碳增汇/负排放关键技术体系(微生物调控、秸秆移除资源化利用、有机碳快速提升与地力协同、生物质炭应用、玄武岩和碳酸岩粉末施用等)和低碳稻作示范对碳中和的贡献等, 开展稻作碳中和技术与模式示范, 推动低碳产业发展; 提出稻作系统碳达峰与碳中和的技术路径和政策建议, 为加快实现农业碳中和提供科技支撑, 助力国家“双碳”目标的尽早实现。