长江中下游水稻生产固碳减排关键影响因素及技术体系*

刘天奇, 胡权义, 汤计超, 李成芳, 江 洋, 刘 娟, 曹凑贵

(农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室/华中农业大学植物科学技术学院 武汉 430070)

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次气候变化评估显示, 基于改进的观测数据集, 在未来几十年里, 极端高温将更频繁地达到农业生产和人体健康的临界耐受阈值。国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话, 指出中国将提高国家自主贡献力度, 采取更加有力的政策和措施, 二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值, 努力争取2060年前实现碳中和。“碳达峰”和“碳中和”的目标将会引领整个社会经济的转型, 下一次科技革命即将到来。全球气候变化的主要原因是由于人类活动向大气中排放过量的二氧化碳(CO)、甲烷(CH)和氧化亚氮(NO)等温室气体。CH和NO的增温潜势是CO的25倍和268倍。农业是温室气体的重要排放源之一, 其排放的CH和NO分别占到全球人为排放CH和NO总量的50%和60%左右。如果不实施额外的农业政策, 预计到2030年, 农业源CH和NO排放量将比2005年分别增加40%～60%和35%～60%。稻田是重要的农业温室气体排放源之一, 稻田直接释放的CH约占全球人为CH总排放量的12%～26%, 稻田NO排放量约占我国农田NO总排放量的7%～11%。中国是世界上最大的水稻(Oryza sativa)生产国, 占世界水稻种植面积的20%左右。水稻生产是全球温室气体的重要排放源之一, 特别是CH排放。与此同时, 从碳足迹角度评估水稻生产碳排放, 水稻生产人力投入、机械燃油消耗、病虫草害防治等投入产生的间接碳排放占总碳排放量很大比重, 近些年水稻生产间接碳排放不断受到重视。综上所述, 减少水稻生产碳排放这一重要问题关系到我国“双碳”目标的达成。

水稻生产具有“碳源”和“碳汇”的双重性。水稻生产过程中由于秸秆还田和氮肥施用等田间管理会产生温室气体的直接排放, 耕作、灌溉和病虫害防治等措施产生的能耗会产生间接温室气体排放, 此时水稻生产表现出“碳源”特性。同时, 水稻在生长过程中通过光合作用吸收CO; 水稻根系分泌物作为土壤团聚体胶结物, 会促进土壤团聚体层级结构发育, 进而促进土壤对秸秆和作物凋落物碳的固定,此时水稻生产表现出“碳汇”特性。针对“双碳”目标,水稻生产需要进一步明确固碳减排的关键影响因素,进而调整稻田管理技术, 平衡稻田“碳源”和“碳汇”的角色比重, 减少水稻生产碳排放, 充分发挥稻田“碳汇”作用。综合构建低碳稻作管理技术体系, 促进水稻生产固碳减排, 是实现水稻生产“碳中和”的重要方向。水稻生产“碳源”排放主要受水稻光合和呼吸作用速率、碳源底物转化率、稻田环境理化性质等因素影响。针对以上影响因子, 减少稻田碳排放主要通过品种选育、施肥管理调整、灌溉管理调整等技术手段。水稻生产“碳汇”功能主要受土壤团聚体结构发育、土壤微生物代谢活动等因子影响。针对以上影响因子, 增强稻田“碳汇”功能主要通过耕作制度调整、秸秆还田管理调整等措施。

以我国主要水稻生产区长江中下游稻作区为例,该区水稻种植面积约占全国40%, 目前该区域稻田CH排放量约占全国的2/3。当下长江中下游稻作区水稻生产存在诸多高碳排放问题: 首先, 稻作区水网地带多, 涝渍地面积大, 大水淹灌或漫灌等不当水分灌溉造成水气不协调, 水田溶氧量下降, 还原性升高, 产甲烷菌功能性活跃, CH排放升高; 第二, 稻田碳氮管理不协调, 土壤团聚体结构固碳能力被削弱,土壤有机质含量下降, 土壤“碳汇”减少; 第三, 农事操作高能耗, 低效率, 水稻生产碳足迹增多, 间接碳排放升高, 稻田生产低碳化的潜力有待挖掘。结合以上问题开展水稻生产固碳减排的关键影响因素及相应低碳管理措施研究具有重要意义。

相关研究报道显示不同省(市)稻田生产碳中和情况差异较大, 湖北省、湖南省、江苏省等稻田低碳生产技术模式较完善的省份“碳汇”呈现碳盈余状态, 稻田生产碳中和表现为0.26～0.79 t (C-eq)·hm的盈余状态。碳中和的盈余与低碳稻作技术的应用密不可分, 在明确水稻生产固碳减排的关键影响因素基础上, 结合稻作区生产结构和气候特点, 选择相应低碳稻作管理技术, 进行集成并形成低碳稻作体系, 充分发挥水稻生产固碳减排潜力, 对促进中国水稻生产碳中和具有重要意义。为此, 本研究以中国水稻主产区——长江中下游稻区为例, 结合免耕保护性耕作、氮肥深施、秸秆还田氮肥配比调控、间歇性灌溉等低碳稻作技术, 针对水稻生产“碳汇”功能, 分析水稻生产固碳减排的关键影响因素, 以便进一步构建低碳稻作体系。

1 材料与方法

1.1 秸秆还田氮肥配比试验

于2017-2020年在湖北省枣阳市华中农业大学试验基地(32°10′N, 112°10′E), 开展稻田秸秆还田下氮肥配施模式的低碳管理技术研究, 结合中稻-小麦(Triticum aestivum)轮作模式, 在中稻季开展试验, 采用随机区组设计, 设置只秸秆还田处理(SR)、秸秆与氮肥配施碳氮比为30 (CN30)、20 (CN20)和10 (CN10)的4个处理, 每个处理3次重复, 共12个试验小区。中稻每年6月抛秧, 10月收获后种植小麦。每个小区面积均为10 m×10 m, 秸秆还田量4500 kg·hm, 试验田环境气候、土壤背景及具体氮肥施用比例调控等田间管理详见Hu等的报道。

4年连续试验处理后, 2020年中稻收获后采集0～20 cm稻田耕层土样。参考Solomon等的方法,采用C核磁共振技术检测土壤有机质官能团的组成。参考Xu等的方法, 利用密度梯度分馏法分离土壤团聚体内有机质组分, 分离得到自由轻组颗粒有机质(free light particulate organic matter, fPOM)、微团聚体内颗粒有机质(intra-microaggregate particulate organic matter, iPOM)、微团聚体内粉黏粒(intra-microaggregate silt+ clay sized fraction, intra-SC)和游离态粉黏粒(free silt + clay, free-SC) 4种土壤团聚体有机质组分。使用元素分析仪(Elementar Macro, Germany)检测有机质组分碳含量。

1.2 水分管理试验

于2015-2017年在华中农业大学湖北省武穴市现代农业示范中心试验基地(30°01′N, 115°74′E)开展稻田节水灌溉低碳减排生产技术研究, 结合中稻-油菜(Brassica napus)轮作模式, 采用随机区组设计,设置常规淹灌(F)、间歇性节水灌溉(W)和旱作灌溉(D) 3个处理, 3次重复, 共9个试验小区, 每个小区面积均为3.6 m×8.5 m。中稻每年6月抛秧, 10月收获后直播油菜。常规淹灌三叶一心期后始终保持厢面2～5 cm浅水层。间歇性节水灌溉在水稻三叶一心期后保持每次灌水至厢面满水, 待自然消耗至厢面湿润时再进行灌水至厢面满水, 反复交替灌溉。旱作灌溉, 三叶一心期后不再灌水, 但施肥或出现严重干旱胁迫时进行灌溉。试验田环境气候、土壤背景及其他具体田间管理详见Xu等研究。

中稻生育期CH和NO排放通量检测参考吴梦琴等改进后的密闭箱气相色谱法, 在水稻全生育期每隔7 d检测1次温室气体排放量, 并根据排放通量计算温室气体累计排放量。在水稻全生育期每隔14 d采集0～20 cm稻田耕层土样, 土壤微生物温室气体排放功能基因片段RT-PCR检测体系参考Fan等和刘天奇的报道, 其中产甲烷菌和甲烷氧化菌引物选用同Fan等, nirK、nirS型和nosZ型反硝化细菌引物选用同刘天奇。RT-PCR检测控制扩增率为97.3%～100.7%, R为0.996～1.000。土壤微生物量碳和水溶性碳含量测定参考Xu等改进的重铬酸钾氧化法。土壤含水量和溶氧量采用HI98186便携式土壤溶液检测仪(HANNA, Italy)原位测定, 土壤氧化还原电位采用便携式氧化还原电位仪FJA-5 (塞亚斯, 中国)原位测定, 检测频率同土样RT-PCR检测。

1.3 13C秸秆标记试验

于2020年在华中农业大学湖北省潜江市试验基地(30°39′N, 112°71′E)开展低碳稻作技术C秸秆标记试验。针对中稻-油菜轮作模式, 在中稻季油菜秸秆还田条件下, 设置常规秸秆还田模式对照(CK), 以及免耕(NT)、氮肥深施(ND)、干湿交替灌溉(AWD)、秸秆氮肥配施(秸秆和氮肥配施碳氮比20, SN)低碳稻作管理措施处理, 并设置稻虾共作模式处理(RS),共6个处理, 3次重复, 18个小区。各处理小区内水稻种植区面积10 m×10 m; 稻虾共作模式处理的稻田外设置外围沟, 沟宽2.0 m, 深1.2 m。试验田环境气候、土壤背景及其他具体田间管理详见Xu等和Sun等研究。

试验初期利用5.0 g NaCO(99 Atom%C)与过量盐酸(2 mol·L)反应制备CO, 并将CO通入密闭光照培养箱内培育油菜植株。每10～14 d进行1次CO脉冲标记, 每次脉冲标记持续2 h。使用元素分析仪(Elementar Macro, Germany)和同位素质谱仪(Isoprime 100 MS, Germany)分别测定油菜秸秆总碳含量和δC值, 保留δC＞400.0‰的油菜秸秆样品。在各试验小区内设置长1.0 m、宽1.0 m的微区, 按3000 kg·hm投入标记油菜秸秆。在中稻生育期, 结合气相色谱和同位素质谱检测技术每周检测1次稻田CH和CO排放通量。在中稻收获季采集0～20 cm稻田耕层土样和植株样品, 通过同位素质谱检测综合计算外源秸秆碳在中稻生长季不同流向的转化比例。

1.4 稻田管理碳足迹分析

针对低碳稻作技术从碳足迹角度综合分析其对稻田间接碳排放的影响, 使用eBalance 4.7软件, 选用CLCD1.0数据库稻田生产原料、人力、运输和能源投入碳排放转化系数, 结合国际碳价、定位试验田数据和文献统计数据, 综合计算得到包括黄冈市、鄂州市、荆门市、荆州市、武穴市、枣阳市、潜江市、随州市在内的长江中下游水稻主产区相应低碳稻作技术下, 生产物料投入、耕作、灌溉、病虫草害防治、收割等管理措施碳足迹数据, 绘制稻田生产碳足迹输入和输出清单(图1)。进一步结合eBalance模型计算间接碳排放转化系数, 统计2017-2019年黄冈市、鄂州市、荆门市、荆州市、武穴市、枣阳市、潜江市、随州市8个长江中下游水稻主产区年平均中稻季间接碳排放。根据中稻种植区域面积换算, 整理得到长江中下游稻区不同低碳管理措施下中稻生产间接碳排放数据。

图1 水稻生产碳足迹输入和输出清单Fig.1 Input and output lists of carbon (C) footprint of rice production

1.5 数据处理

碳盈余的计算综合了作物和土壤固碳因子以及水体碳流失, 并结合了直接和间接碳排放。直接碳排放统计中, 根据100年时间尺度内CH和NO的增温潜势是CO的25倍和268倍, 分别换算为CO排放碳当量(CO-eq)。间接碳排放根据间接碳排放转化系数转化为碳当量进行计算, 具体计算公式如下：

所有数据采用Microsoft Excel 2010进行整理, 并计算平均值、标准差(standard deviation, SD)和标准误(standard error, SE)。应用软件SAS9.0 (SAS Institute,Cary, NC)进行统计分析; 采用One-Way ANOVA分析处理对各测定指标的影响, 同时通过最小显著差异法(least significant difference, LSD)分析比较不同处理间的差异。结构方程模型采用SPSS AMOS 7.0分析得到, 模型中不同指标按照水稻全生育期每隔14 d来源于同一大田试验小区的检测数据进行对应,构建协方差矩阵来分析变量之间关系, 利用最大似然法评估和矫正模型系数和整体模型拟合度, 通过χ(1＜χ/df＜3), 比较拟合指数(comparative fit index, CFI＞0.9)、拟合优度指数(goodness of fit index, GFI＞0.9)、近似误差均方根(root mean square error of approximation, RSMEA＜0.08)等指数对模型的拟合度进行评估和优化。流程导图使用Adobe Illustrator 2020制作,柱状图使用Origin 2018制作。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆氮肥配比管理稻田碳库官能团结构和有机质组分变化

2020年中稻收获后稻田土壤有机质官能团构成如表1所示。通过调控秸秆与氮肥配施的碳氮比,显著提高了土壤烷基碳和烷氧基碳官能团比例, 降低了土壤芳香碳和羧基碳官能团比例。秸秆与氮肥配施碳氮比为30、20和10 (处理CN30、CN20和CN10)的土壤烷氧基碳官能团比例分别比仅秸秆还田对照SR显著提高15.1%、27.7%和15.3% (P＜0.05),土壤芳香碳官能团比例分别显著降低18.2%、31.4%和17.2% (P＜0.05), 土壤羧基碳官能团比例分别显著降低11.5%、23.8%和11.7%。另外秸秆与氮肥配施碳氮比为20时(CN20处理), 土壤芳香度和疏水性官能团比例变化最为显著, 分别比SR处理显著降低30.2%和14.6% (P＜0.05)。

表1 不同秸秆与氮肥配施碳氮比处理下稻田土壤主要有机质官能团比例Table 1 Proportions of main soil organic matter functional groups in paddy field under different treatments of carbon to nitrogen ratios adjusted by straw and nitrogen fertilizer addition %

土壤团聚体有机质组分特性变化如图2所示。秸秆与氮肥配施碳氮比为20 (CN20处理)对团聚体有机质组分的整体影响最显著。有机碳组分以iPOM占比最大, intra-SC次之, fPOM占比最低; CN20处理相对于SR处理(对照)提高iPOM全土质量占比8.3%(P＜0.05), 降低fPOM全土质量占比26.6% (P＜0.05)。

图2 不同秸秆与氮肥配施碳氮比处理下稻田土壤团聚体有机质组分特性变化Fig.2 Changes of soil aggregate organic matter composition characteristics in paddy field under different treatments of carbon to nitrogen ratios adjusted by straw and nitrogen fertilizer addition

fPOM的有机碳含量最高, 其他3种组分有机碳含量相近, 且明显低于fPOM。秸秆与氮肥配施调节碳氮比的3个处理fPOM组分有机碳含量均显著高于SR处理, CN30处理最低, 显著低于CN20处理,但比SR处理提高13.8% (P＜0.05)。CN20处理显著提高了iPOM组分有机碳储量, 比SR显著提高32.9%(P＜0.05)。

2.2 不同灌溉模式下稻田温室气体排放量变化

连续3年观测不同灌溉模式下稻季CH和NO排放总量, 结果如表2所示。间歇性节水灌溉相对于常规淹灌2015年、2016年和2017年分别显著降低CH累计排放量20.4%、19.9%和21.1% (P＜0.05),显著降低NO累计排放量38.2%、40.7%和27.0%(P＜0.05)。旱作灌溉条件下CH排放量显著低于间歇性节水灌溉, 但NO排放量显著升高。

表2 2015—2017年稻田不同灌溉模式下CH4和N2O累计排放量Table 2 Cumulative emissions of CH4 and N2O under different irrigation modes in paddy fields from 2015 to 2017

2.3 灌溉模式对稻田温室气体排放影响机理的结构方程模型分析

利用结构方程模型分析间歇性节水灌溉减少稻田CH和NO排放的机理(图3)。土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和水溶性碳(dissolved organic carbon, DOC)含量对土壤活性碳源含量具有极显著(P＜0.01)影响, 相对于产甲烷菌丰度, 甲烷氧化菌丰度受土壤碳源活性的影响更大。另外在不同灌溉模式下, 相对于产甲烷菌, 甲烷氧化菌功能群落主要调控CH排放总量。在NO排放方面, 土壤还原性和反硝化作用功能微生物群落综合调控NO排放。土壤还原性受土壤含水量(soil water content, SWC)的极显著(P＜0.01)正向调控, 同时受土壤溶氧量(soil dissolved oxygen, SDO)和土壤氧化还原电位(soil redox potential, SRP)的极显著(P＜0.01)负向调控。与此同时, 土壤还原性的提高主要通过提高nosZ型反硝化细菌丰度, 促进NO还原, 进而降低NO排放。

图3 间歇性节水灌溉减少稻田CH4和N2O排放的结构方程模型分析(χ2=52.88; df=30; CFI=0.965; GFI=0.932;RSMEA=0.00)Fig.3 Structural equation model analysis of the reduction of CH4 and N2O emissions from paddy fields under intermittent watersaving irrigation (χ2= 52.88; df = 30; CFI = 0.965; GFI = 0.932; RSMEA=0.00)

2.4 不同水稻生产低碳管理技术的碳足迹

统计结果显示(表3), 免耕、间歇性节水灌溉及秸秆和氮肥配施管理技术可以明显降低稻田生产总间接排放量, 3种技术分别相对于传统稻作模式降低总间接碳排放16.7%、11.7%和16.1%。相对于常规管理模式, 免耕技术主要降低了46.5%劳动力投入碳排放和83.0%机械燃料碳排放; 间歇性节水灌溉技术降低了31.5%劳动力投入、28.8%防治投入和34.2%机械燃料所产生的间接碳排放; 秸秆和氮肥配施技术降低了35.0%防治投入、27.9%机械燃料投入、23.5%电力消耗和18.2%生产物料投入产生的间接碳排放, 综合降低总间接碳排放16.1%。氮肥深施技术相对于常规稻作管理模式, 降低了防治投入和机械燃料等投入产生的间接碳排放, 但增加了9.7%劳动力投入和5.1%生产物料投入间接碳排放, 总间接碳排放相对于常规稻作管理模式没有明显变化。

表3 不同低碳管理措施下稻田生产间接碳排放清单Table 3 Inventory of indirect carbon emissions from rice production under different low-carbon management measures

2.5 不同水稻生产低碳管理措施秸秆碳转化分析

在中稻季, 秸秆外源碳的转化比例统计结果如图4所示, 负比例代表秸秆碳向碳源转化的比例, 正比例代表秸秆碳向碳汇转化的比例。在所有低碳稻作管理措施中, 干湿交替灌溉和秸秆氮肥配施处理促进秸秆外源碳在中稻季碳循环中向碳汇转化的比例最大, 相对于常规稻油秸秆还田模式对照, 干湿交替灌溉和秸秆氮肥配施处理分别增加秸秆外源碳固定量59.9%和57.3% (P＜0.05)。另外相对于常规管理条件下的水稻单作模式, 稻虾共作模式通过促进土壤碳固定显著提高秸秆外源碳固定量28.1% (P＜0.05)。

图4 不同低碳管理措施下稻田秸秆外源碳土壤和作物固定及温室气体转化和水体流失比例Fig.4 Proportions of soil and crop carbon sequestration, greenhouse gas conversion and water carbon loss of straw exogenous carbon in paddy field under different low-carbon management measures

2.6 不同水稻生产低碳管理措施碳中和评估

中稻季不同低碳稻作管理措施和稻作模式下碳固定清单如图5所示, 横坐标以上表示碳汇, 横坐标以下表示碳源。当季作物碳固定是碳汇的主体, 占碳汇的86.7%～88.5%。中稻生产季综合计算碳源和碳汇后, 低碳稻作管理技术均表现为碳固定状态, 碳中和水平为177.5～1364.1 kg (C-eq)·hm。其中干湿交替灌溉和秸秆氮肥配施处理由于相对于其他处理增加了秸秆外源碳被水稻作物固定的比例, 相对于其他低碳稻作管理技术, 碳固定水平提升39.4%～86.9%。

图5 不同低碳管理措施下水稻生产碳盈余Fig.5 Carbon surplus of rice production under different low-carbon management measures

3 讨论

3.1 稻田碳汇潜力及影响因素

结合相关报道, 稻田碳汇功能与土壤团聚体层级结构发育密切相关。土壤碳库活性会通过影响微生物碳库能源物分解利用, 进而影响微生物分泌团聚体胶结物, 并最终影响土壤团聚体层级结构稳定性。土壤团聚体层级结构稳定性的加强会促进土壤有机碳组分向闭蓄态转化, 加强稻田碳汇功能, 进而降低土壤有机碳向CH等温室气体的转化, 促进水稻生产碳中和。

土壤碳库官能团分子结构与碳库活性密切相关。秸秆与氮肥配施碳氮比调控试验显示(表1),秸秆还田条件下通过调控氮肥施用量, 降低物料投入碳氮比, 可以改变土壤有机质官能团分子结构。综合相关研究, 烷氧碳等小分子碳库官能团比例的升高会提高土壤碳库微生物利用活性, 促进土壤微生物分解利用外源碳形成多糖等团聚体胶结物, 进而提高土壤团聚体稳定性。从土壤微生物化学计量学角度分析, 以上试验结果可能由于秸秆和氮肥配施碳氮比为20时更易被土壤微生物分解利用, 促进秸秆碳降解和转化成小分子有机质官能团。同时微生物繁殖过程中形成的菌丝, 也可以作为团聚体胶结物, 提高团聚体稳定性。

根据以上稻田固碳潜力主要影响因素的分析,可以从耕作和秸秆还田等管理措施调控角度提高稻田碳汇潜力。在耕作方面, 根据先前的研究报道, 免耕保护性耕作相比传统翻耕模式, 可以保护土壤团聚体层级结构, 提高团聚体内闭蓄态等稳定态有机碳组分比例, 有效减少碳库的温室气体转化。秸秆处理方面, 先前多通过秸秆粉碎和腐熟还田技术, 促进土壤微生物碳利用和土壤团聚体固碳。目前稻田秸秆处理进一步与氮肥施用技术相结合, 从土壤和微生物化学计量学角度, 通过调控氮肥和秸秆配施碳氮比, 促进秸秆外源碳向小分子官能团降解转化, 以此促进土壤微生物秸秆碳分解利用, 并促进多糖等团聚体胶结物的合成, 进而提高团聚体稳定性,促进团聚体内部闭蓄态碳组分合成, 最终加强稻田土壤碳汇功能, 促进水稻生产碳中和。

3.2 稻田温室气体减排机理及影响因素

稻田温室气体排放主要受土壤微生物和稻田理化性质调控。CH主要受土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌调节, 土壤的氧化还原特性会影响土壤甲烷排放功能微生物代谢。淹水条件下, 土壤还原性强, CH氧化途径受到抑制, 厌氧环境促进了CH的生成。NO的生成主要受土壤nirK和nirS型反硝化细菌调控, 同时受到nosZ型反硝化细菌影响, 土壤碳库活性组分含量的升高会促进nosZ型反硝化细菌代谢, 进而减少NO排放。

利用结构方程模型探究间歇性节水灌溉低碳技术减少稻田温室气体排放的机理(图3), 发现间歇性节水灌溉通过提高土壤溶氧量, 促进了甲烷氧化菌氧化CH, 减少CH排放; 同时, 通过提高土壤微生物量碳和水溶性碳含量, 提高土壤活性碳源组分比例,促进甲烷氧化菌碳源利用, 进一步促进了CH氧化。在NO方面, 间歇性节水灌溉虽然通过提高土壤还原性促进了nirK和nirS型反硝化细菌的代谢, 促进NO生成; 但是间歇性节水灌溉模式下土壤活性碳源含量的升高也激发了nosZ型反硝化细菌的代谢,促进了稻田NO的还原; 间歇性节水灌溉整体上表现为相对于传统淹水灌溉模式和干旱栽培模式显著降低了NO排放。

根据以上试验结果机理分析, 土壤温室气体排放功能微生物代谢驱动了稻田温室气体排放, 活性碳源含量、氮素代谢底物含量等土壤理化性质是影响土壤温室气体排放功能微生物代谢的关键因素,因此稻田生产温室气体排放主要受灌溉、施肥等管理措施影响。目前在稻田施肥方面, 氮肥深施技术得到广泛关注, 稻田氮肥深施可以促进甲烷氧化菌的代谢, 进而促进稻田CH氧化。另外, 稻田氮肥深施可以抑制氮肥的水体淋失, 土壤氮素代谢底物含量升高相比对nirK和nirS型反硝化细菌的影响, 对nosZ型反硝化细菌的激发作用更强, 从而通过促进NO还原, 减少NO排放。进一步结合水稻生理特性, 稻田氮肥深施可以促进水稻氮肥吸收利用, 提高氮肥利用率的同时降低氮肥被土壤微生物转化为NO的比例。另外在稻田灌溉管理方面,主要通过干湿交替灌溉技术提高土壤溶氧量, 加强土壤氧化性以加快土壤甲烷氧化菌代谢, 促进CH氧化, 从而减少稻田温室气体排放。

3.3 水稻生产碳足迹及节能降耗潜力

水稻生产劳动力投入、病虫草害防治、机械使用、电力消耗和生产物料投入等资源消耗都会产生间接碳排放, 约占总碳排放的16.2%～52.7%。水稻生产间接碳排放与直接碳排放总量接近, 并且间接碳排放测算涉及到产业技术调整, 其对优化水稻生产结构具有重要参考价值。从生命周期角度分析水稻生产直接和间接碳排放过程, 是一种更为综合的碳排放计算方法, 有助于从节能降耗角度进行调整, 综合降低水稻生产碳排放。

水稻生产中通过调整耕作、施肥、灌溉等农艺管理措施可以显著降低间接碳排放(表3), 采用免耕、氮肥深施、间歇性节水灌溉、秸秆物料投入碳氮比调控等低碳稻作管理技术, 可以通过减少农用机械燃油消耗、节约电能、节约化肥农药等生产物料投入, 降低稻田生产间接碳排放。免耕技术主要通过减少劳动力投入和耕地机械燃油消耗, 削减人力开支和农用机械使用开支, 降低总间接碳排放。间歇性节水灌溉技术主要通过降低人工投入、机械燃料消耗以及病虫草害防治投入, 综合降低总间接碳排放。秸秆和氮肥配施技术对总间接碳排放的降低主要体现在减少防治投入、燃料电能消耗投入以及生产物料投入, 在生产物料投入方面, 秸秆和氮肥配施技术可以通过秸秆还田补充部分氮磷钾肥料投入,相对于常规稻田施肥管理减少了生产物料投入。氮肥深施技术虽然相对于常规稻作模式, 降低了病虫草害防治和机械燃料等投入, 但由于部分稻作区没有配套的氮肥深施机具, 氮肥深施多采用人力操作,增加了劳动力投入, 进而造成总间接碳排放相对于常规稻作管理模式无明显下降, 后期需要进一步加强氮肥深施机具的研发和推广。

水稻生产的低碳管理技术主要通过降低水稻生产过程中人力和物力能耗来降低碳足迹, 近些年低碳技术更注重从间接碳排放角度提升管理措施的节能降耗潜力, 进而削减水稻生产碳足迹。例如氮肥深施低碳技术更注重自动化深施机具的研发及应用, 间歇性节水灌溉技术更注重智能水肥一体化管理, 通过削减能源消耗产生的间接碳排放, 降低水稻生产碳足迹, 从产业化角度促进水稻生产碳中和。

3.4 水稻生产碳循环利用及影响因素

作物秸秆作为水稻生产过程中主要的碳循环形态, 在每季作物生产中不断循环。还田秸秆作为外源碳进入稻田, 经土壤微生物分解和利用, 部分以土壤团聚体有机质组分以及微生物量碳形态固存在土壤碳库中, 部分作为“碳源”在还田降解过程中转化为温室气体排放。同时秸秆外源碳产生的CO也会通过光合作用被当季水稻以茎叶生物量形态固定,水稻收获时作为“碳汇”。秸秆在稻田生产物质循环中的碳源和碳汇角色不断切换, 通过调整稻田管理措施, 促进水稻生产秸秆外源碳固定, 有助于实现水稻生产碳中和。

C标记秸秆外源碳转化试验结果显示(图4),通过调整稻田管理措施可以显著提高秸秆外源碳在稻季碳循环中被当季作物固定的比例, 进而提高稻田碳固定量。耕作、施肥、灌溉、复合种养等管理措施都会通过影响土壤团聚体结构发育、土壤碳氮循环微生物群落代谢等途径, 对秸秆外源碳在生产循环中的流失率和固定率产生影响。另外结合不同低碳稻作管理措施和稻作模式下碳固定清单(图5)也可以发现, 不同低碳稻作管理技术和稻作模式主要通过提高当季作物和土壤的碳固定量, 促进水稻生产碳中和。综上所述, 水稻生产碳循环主要受作物和土壤秸秆外源碳固定的影响。

很多稻田碳循环报道也显示通过促进作物和土壤碳固定可以有效促进水稻秸秆碳循环利用。以稻虾共作模式为例, 小龙虾会以还田的秸秆和水稻植株凋落物为食物, 加快其分解转化, 最终以小龙虾粪便等排泄物形式再次还入稻田环境, 以此促进外源碳向土壤碳库的转化和固定。另外, 稻虾共作模式中小龙虾打洞的习性, 可以提高水稻根际区域溶氧量, 有利于水稻根系生长, 进而提高地上部分光合作用速率, 以此促进水稻生产碳循环利用。

4 水稻生产固碳减排技术体系

固碳减排稻作研究和相应技术调整关系到我国“双碳”战略目标的达成, 针对中国主要水稻产区——长江中下游稻作区低碳水稻生产存在的问题, 从农艺措施调整、节能减耗技术应用和土壤碳氮耦合调控角度, 探究水稻生产固碳减排的关键影响因素, 经过多年的稻田固碳减排管理措施试验, 我们总结出水稻生产固碳减排技术体系(图6)。低碳管理措施和稻作模式主要通过调整土壤团聚体结构发育、碳排放功能微生物、土壤氮素底物含量、水稻生产碳足迹和作物碳固定等过程和因子促进水稻生产碳中和。目前免耕、氮肥深施、间歇性节水灌溉、秸秆氮肥配施管理以及稻田复合种养等低碳管理技术和模式主要围绕“增汇” “减排” “降耗” “循环”的理念,针对水稻生产固碳减排关键影响因素, 从提高稻田碳汇潜力、减少稻田温室气体排放、减少水稻生产碳足迹和提高水稻生产秸秆碳循环利用等途径, 显著促进水稻生产碳中和。

图6 水稻生产固碳减排技术体系Fig.6 Management technology system of carbon (C) sequestration and emission reduction for rice production

综合具体试验结果, 通过运用水稻生产固碳减排管理措施可以促进水稻生产碳盈余28.9%～67.6%,稻田固碳减排管理措施具有很好的应用前景。在明确水稻生产固碳减排的关键影响因素基础上, 将不同稻田固碳减排管理措施集成, 可以充分发挥低碳稻作技术固碳减排潜力。同时结合水稻-油菜、水稻-小麦、双季稻、再生稻以及稻虾共作等稻作模式,进一步构建低碳稻作体系, 并进一步结合种植区域气候特征和水稻品种选择, 形成低碳稻作模式是最终实现水稻生产碳中和的关键。