秸秆还田背景下农田碳排放效应研究进展

摘要：作为农田废弃物高效利用的重要措施，秸秆还田具有改善土壤结构、固氮培肥的作用，但长期秸秆还田存在增加碳排放的风险。碳排放的增加会导致温室效应加剧、臭氧层破坏等环境问题。已有的文献总结了不同秸秆还田措施对碳排放的影响，但缺乏秸秆还田背景下农田碳排放的机理、影响因素及相关减排措施等的归纳。本文通过查阅文献从分析碳排放产生的机理入手，概述碳排放产生规律，并对影响碳排放的因素进行系统归纳和分析，总结出影响碳排放的因素主要包括环境因素、农艺措施（还田量与还田年限、还田方式、还田深度）、土壤因素（水分、温度、有机质含量、土壤微生物、土壤酶活性及肥料管理）等。此外，探讨了有助于实现秸秆还田背景下碳减排的秸秆炭化还田、农艺（沟埋还田、深埋还田）、肥料管理和灌溉等措施，指出了当前主要减排措施的不足及今后研究的方向，如：需综合考虑净生态经济效应，在减排效果优异的同时降低成本；加强不同秸秆还田背景下土壤根际微生物的变化对碳排放的影响机制研究，同时增加田间长期定位试验。通过对以上内容的综述，以期为绿色秸秆还田与碳减排研究提供理论依据。

关键词：秸秆还田；碳排放；排放机理；影响因素；减排措施

中图分类号：S181 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）18-0010-08

收稿日期：2023-09-20

基金项目：国家重点研发计划（编号：2022YFD2300704）；江苏省农业科技自主创新资金［编号：CX（22）1002］。

作者简介：汪慧泉（1998—），男，江苏泰州人，硕士，研究方向为农业环境生态学。E-mail：w18925054658@163.com。

通信作者：顾克军，研究员，研究方向为作物秸秆还田利用与稻茬小麦高效耕播农机农艺融合，E-mail：gkjjaas@163.com；杨国英，博士，助理研究员，研究方向为农业环境生态学，E-mail：18260410518@163.com。

秸秆是农作物收获后剩余茎叶的总称，具有丰富的有机质和营养物质^［1］。2282d84b2b2d52600d3c629b00b94b50秸秆还田作为一种低投入、可持续的农业废弃物利用方式，既可减少秸秆废弃物对环境的危害，又可补充土壤养分，促进农作物生长，被广泛应用于农业生产中^［2］。秸秆还田能够促进土壤固碳，提高土壤肥力，促进作物根系生长，从而提高产量^［3］。目前，秸秆还田主要有直接还田（粉碎还田和整秆还田）和间接还田（堆沤还田、炭化还田等）2种方式^［4］。

农业碳排放是指农业生产及农地利用过程中产生的温室气体总称，主要包括CH₄、N₂O及CO₂的排放。温室气体排放增加将加剧全球变暖，是全球面临的严峻问题之一^［5］。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，2011—2020年全球气温比1850—1900年高1.09 ℃。与此同时，自1990年来，温室气体（包括CH₄、N₂O及CO₂）排放增加17%，且近年来温室气体排放增量占比较大^［6］。农田系统固碳减排对大气温室气体浓度具有重要的调节作用。因此，通过农田碳减排以应对大气温室气体浓度增加，已成为国际社会普遍关注的问题。秸秆还田在农田固碳过程中发挥了非常积极的作用，但秸秆还田后温室气体增排导致的温室效应可能大于其固碳的效果，从而导致新的温室气体排放^［7］。如何在秸秆还田背景下实现最大程度碳减排是当前亟待解决的关键问题。本文对秸秆还田导致碳排放的机理、影响因素以及减排措施进行综述，以期为实现绿色秸秆还田与碳减排的目标提供理论依据与技术参考。

1 秸秆还田背景下的碳排放机理

1.1 秸秆还田背景下CH₄产生的机理

众多研究表明，在全球气候变暖背景下，秸秆还田会增加CH₄排放^［8-10］。Hu等研究发现，不同秸秆覆盖于农田，腐化还田后均有增加CH₄的趋势，与不还田相比增加141.9%^［11］。农田系统甲烷产生的原因主要有：（1）秸秆还田后由于秸秆废弃物覆盖，营造了好的厌氧环境，并提供大量的有机碳源，为产甲烷菌的产生提供了有利条件，再加上秸秆还田的固碳效应，使得农田土壤碳库不断增加，部分土壤有机碳受微生物作用分解为CH₄，相应地增加了CH₄排放^［12］。（2）秸秆腐解过程消耗氧气，以及覆盖的秸秆形成的厌氧环境，可有效提高产甲烷菌活性，抑制甲烷氧化菌活性^［13］。同时，秸秆腐解增加土壤有机质含量，从而导致CH₄排放增加^［14］。此外，甲烷的产生还与诸多因素有关，如环境因素、还田量、还田年限等^［15-16］。

1.2 秸秆还田背景下CO₂产生的机理

大量研究表明，秸秆还田会导致CO₂排放增加^［17-19］。这可能是由于还田的秸秆在腐解过程中，一部分经微生物的分解直接以CO₂的形式排放于大气中。秦越等研究认为，秸秆还田增加了土壤可溶性有机碳（DOC）含量，而土壤中的DOC是可以被微生物直接利用的有效碳源^［20］。李金等通过研究不同秸秆还田方式对CO₂排放变化，发现了微生物碳含量与CO₂排放呈现正相关，这可能是由于秸秆覆盖在土壤上，增加了活性DOC含量，促进微生物代谢活动，从而增加了CO₂排放^［21］。也有研究认为，秸秆还田能显著增加DOC中胺类物质和芳香族化合物的含量，这些物质在环境及农艺措施等外界因素变化时会发生分解，从而促使CO₂排放^［22］。因此秸秆还田情景下DOC含量变化对CO₂排放有着重要影响。

1.3 秸秆还田背景下N₂O产生的机理

目前，秸秆还田对N₂O排放的影响，研究结果并不一致，主要体现在2个方面：一是秸秆还田为土壤硝化与反硝化微生物提供了充足的碳源，提高了微生物活性，从而增加N₂O排放；另一方面，秸秆还田补充了氮素并将其固持在土壤中，从而降低硝化与反硝化细菌对氮素的利用，减少N₂O排放^［23］。秸秆还田对N₂O排放的作用效果与秸秆还田量、还田方式及土壤碳氮比等因素有关。秸秆还田通过改变土壤C/N来影响土壤微生物对氮素的吸收利用，进而影响N₂O排放^［24］。胡天怡等研究发现，水稻秸秆碳氮比高，矿化速率慢，减少了无机氮供应，从而降低了硝化过程，减少N₂O的排放^［25］。Wang 等研究发现，秸秆还田可以改变土壤硝化反硝化细菌的组成，降低nirS与nirK的基因丰度，从而减少N₂O排放^［26］。而Qiu等研究则认为，秸秆还田增加土壤营养物质，促进微生物活性，且秸秆腐解会消耗氧气，营造利于硝化反硝化的厌氧环境，从而增加N₂O排放^［27］。因此，要深刻揭示秸秆还田对农田N₂O排放的作用机理，还需借助长期定位试验，加强秸秆还田过程中硝化与反硝化微生物作用对农田N₂O排放的机制研究。

2 秸秆还田背景下影响碳排放的因素

2.1 温度

温度是影响农田温室气体排放的重要因素。一般情况下，温度升高会导致CH₄与CO₂排放增加，特别是秸秆还田情景下，会增加农田系统CH₄与CO₂排放。有研究认为，CH₄排放是由产甲烷菌与甲烷氧化菌共同作用的结果，与土壤微生物群落结构与丰度关系密切。增温导致土壤水分减少，增加土壤间隙，改善了土壤通气状况，提高了甲烷氧化酶活性及CH₄氧化速率，促进土壤对CH₄的吸收^［28-29］。

增温影响秸秆还田土壤CO₂排放。增温能加速秸秆分解，改变土壤呼吸并影响土壤微生物活性；李晓莎等研究认为，秸秆还田有利于改善土壤养分状况，增加了土壤中碳的投入^［30］。秸秆覆盖后会显著影响土壤呼吸通量，增加土壤孔隙度，进而增加CO₂排放^［31-32］。Zhang等研究也指出，气温升高增加土壤温度，加快有机碳分解速度，促进CO₂排放^［33］。

目前，关于增温对农田N₂O排放的影响研究结果并不统一。增温改变土壤微生物群落多样性，增加酶活性，并加速土壤有机质分解与转化，从而影响土壤硝化反硝化作用^［34］。刘艳等发现，在小麦—大豆轮作背景下，增温提高了土壤硝化反硝化速率^［35］。任宏芳研究发现，在增温条件下，覆盖还田方式下农田N₂O排放要低于翻耕还田方式下农田N₂O排放，主要原因是：覆盖还田降低了土壤温度，间接证明温度对秸秆还田背景下N₂O排放的影响，且其影响与秸秆还田方式有关^［36］。

2.2 农艺农技措施

2.2.1 还田量与还田年限 还田量与还田年限对CH₄排放产生影响，但两者对CH₄排放影响的研究结果并不一致。Eusufzai等通过多年秸秆还田试验发现，连续多年秸秆还田比短期的秸秆还田产生的CH₄更多，且随着秸秆还田年份的增加和还田量的增多，CH₄排放也越多，这可能与土壤中电子供体的利用率以及土壤有机碳含量有关^［37-38］。而江瑜等通过meta分析总结得出长期秸秆还田比短期秸秆还田CH₄排放要减少30%～70%^［39］。Jiang等研究也发现，随着还田年限增加，CH₄排放减弱，还田13年比8年降低73%^［40］。这可能是由于长期还田提高土壤含氧量，利于甲烷氧化菌的生长代谢，从而抑制CH₄排放。因此，还田量与还田年限对CH₄排放的影响与环境及土壤因素有关。前期研究表明，秸秆直接还田相较于焚烧还田会增加CO₂排放量。Qiang等研究发现，在小麦玉米秸秆还田背景下，CO₂排放会随着还田量的增加而增加，这主要是因为秸秆还田有利于土壤团聚体的形成，从而增加土壤孔隙度和土壤微生物量，还田量的增加有利于土壤有机碳的形成与固定，为微生物活动提供了充足的碳源，并随着微生物丰度和活性的增强，加速了土壤有机碳中易变组分的分解，从而增加CO₂排放^［41］。但Chen 等利用DNDC模型模拟秸秆还田下CO₂排放发现，秸秆还田相比于焚烧减少CO₂排放^［42］。相对而言，秸秆还田年限对CO₂排放的影响研究较少，尚需进一步研究。N₂O是土壤硝化反硝化作用的结果，其产生过程复杂，且受多种因素的影响。已有研究表明，短期秸秆还田可减少农田N₂O排放。Jiang 等也认为，秸秆还田可以降低N₂O排放，其排放量与秸秆还田量成反比^［43］。邹建文等研究结果显示，秸秆还田2年后N₂O排放减少18%^［44］。而另有研究表明，长期秸秆还田促进了N₂O排放^［45-47］。黄琼等研究发现，第2年秸秆还田减少N₂O排放，但长期还田会加剧N₂O排放，到第13年呈线性增加趋势^［48］。这可能是由于长期秸秆还田增加了土壤中有机质与氮含量，促进硝化反硝化作用；同时长期秸秆还田提高土壤碳氮比，增加土壤氮固定，减少NH⁺₄的产生，从而抑制N₂O排放^［49］。因此，目前还田年限对N₂O排放的研究结果并不一致。

2.2.2 还田方式 秸秆还田方式对农田碳排放产生重要影响。Hu等研究发现，与不还田相比，麦秸沟埋还田、旋耕还田和翻耕还田方式都显著增加了CH₄与N₂O排放，且沟埋还田方式下，CH₄与N₂O的排放量增加少于其他2种还田方式^［11］。这可能是由于3种还田方式掺入秸秆的位置、混合与深度不同，改变土壤中DOC、氮释放与土壤氮矿化，从而影响CH₄与N₂O排放^［50］。王保君等在稻麦轮作体系中也得出同样结论，稻秆沟埋还田与其他2种还田方式相比CH₄和N₂O排放减少48.13%和3.38%，且表层覆盖还田下增排最大^［51］。

2.2.3 还田深度 还田深度影响碳排放。朱晓晴等研究发现，相较于直接还田，秸秆不同还田深度（0～10、10～20、20～30、30～40 cm）下CO₂与N₂O排放增加，而CH₄排放降低^［52］。于建光等研究发现，秸秆还田越深，越有利于土壤有机碳的稳定^［53］；宋依依等的研究结果表明，秸秆还田深度为30～40 cm更利于土壤团聚化，使深层土壤有机碳很难被微生物利用，土壤呼吸减弱，从而减少CO₂排放^［54］。另外，由于秸秆深还增加了微生物对氮的固持，降低土壤反硝化作用强度，使N₂O排放减少^［55-56］。翟洋洋等研究认为，产甲烷菌对于温度的敏感程度大于甲烷氧化菌，而深层土壤会增高土壤温度，从而抑制产甲烷菌的活性，因此深埋秸秆更利于减少CH₄排放^［57-58］。

2.3 土壤因素

秸秆还田背景下，影响CH₄、CO₂及N₂O排放的土壤因素主要有土壤水分、温度、有机质含量、土壤微生物及土壤酶活性等。其中，土壤有机质与微生物活性是影响CH₄和CO₂排放最重要的因素^［59］。还田秸秆腐解后能为土壤提供充足的有机质，一部分有机质为产甲烷菌提供足够的基质，另一部分则转化为CO₂排放到大气中，增加CO₂排放^［60］。秸秆在腐解过程中会消耗大量O₂，这会抑制甲烷氧化菌活性，但促进了产甲烷菌的活性，从而增加了CH₄排放^{［27，61］}。

N₂O排放的土壤影响因素较复杂，土壤微生物生物量及其活性是主要影响因素。王青霞等指出，N₂O主要由土壤硝化与反硝化功能菌共同作用产生，这2种微生物会因土壤理化性质的改变而增加或减少^［62］。如：秸秆还田可通过增加土壤有机碳含量来改变土壤硝化基因群落结构，提高硝化功能菌的丰度来影响N₂O排放，而土壤含水量的增加也会影响硝化功能菌的丰度，其基因丰度会随着含水量增加而增加^［63-64］。

反硝化作用主要是将NO^-₃和NO^-₂还原为N₂和N₂O的过程，也是N₂O产生的主要方式。反硝化过程由多种微生物共同作用，研究反硝化功能菌相对困难^［65］。土壤pH值、有机质、温度等是影响土壤反硝化作用的主要因素^［66］。马玲等研究发现，施用氮肥会加快土壤反硝化速率，其造成的气体损失（N₂O和N₂）在无秸秆还田情况下达到60%，而秸秆还田情况下仅20%，说明秸秆还田可以减少反硝化作用，从而降低 N₂O 排放^［67］。

3 秸秆还田背景下碳减排的措施

秸秆还田导致碳排放增加是多种因素共同作用的结果，需寻求在保证粮食稳产的前提下实现碳减排的措施。根据以往研究结果，从稳产的实际出发，秸秆还田背景下碳减排的措施主要包括以下几种。

3.1 秸秆炭化还田

秸秆炭化（生物炭）是指将秸秆在低氧或缺氧环境下进行热解产生，还田后能够影响土壤物理和化学性质，提高土壤微生物活性^［68］。将秸秆制成生物炭还田可增强碳固定并减少CO₂、CH₄及N₂O排放。这可能是由于将生物质转化为生物炭后，生物炭中的碳相对更稳定，还田后能在土壤中存在更长时间^［69］。Wang等研究发现，将小麦秸秆制成生物炭还田比其直接还田能减少90.25%CO₂排放^［26］。这可能是由于生物炭具有比表面大、吸附能力强、稳定性高等特点，还田后可提高土壤保肥保水能力、增加土壤有机碳储量、增加微生物和有益真菌含量等来有效改善土壤肥力和微生物群落结构。Liu等研究表明，将秸秆制成生物炭后持续还田5年，N₂O总排放量（5年累积）减少27.1%～40.7%，且作物产量略有增加^［70］。

秸秆炭化还田对CH₄排放影响的研究结果并不一致。Liu等的研究表明，将水稻秸秆炭化还田可减少约90%CH₄排放^［71］；张向前等研究发现，施用生物炭后，稻麦轮作区 CH₄ 减排 10.38%～55.45%^［72］。这可能由于土壤CH₄累计排放量与pmoA基因丰度呈负相关，添加生物炭能增加pmoA丰度，减少CH₄排放^［73］。但也有研究认为，添加生物炭增加了34%甲烷排放，且随着生物炭施用量的增加而增加^［74］。减排效果的差异可能与施用量及土壤类型等有关^［75］。目前，炭化还田相比于直接还田，在碳减排方面仍有很大优势，但炭化还田制备成本较高，未来需进一步优化热解系统，降低成本，结合炭化还田量对作物产量与品质的影响，寻找最佳炭化还田方式。

3.2 改进农艺措施

通过改变农艺措施，配合适宜的还田方式与还田深度能够有效减少土壤温室气体排放。朱晓晴等研究指出，与秸秆直接还田相比，不同深度的秸秆还田都会增加N₂O和CO₂排放，同时降低CH₄排放，但随着还田深度增加，N₂O与CO₂排放增幅下降，还田深度为30～40 cm时，相比于直接还田，N₂O与CO₂仅增加10%，但作物产量显著提高^［52］。并且陈粲等比较了0～10 cm和10～20 cm这2种还田深度下的N₂O排放，指出秸秆还田10～20 cm能够有效降低N₂O排放^［76］。因此，可能由于秸秆还田深度增加后，土壤微生物丰度和大多数酶活性随土壤深度的增加而降低，从而导致农田温室气体排放减少^［77］。

秸秆沟埋还田是有效降低CH₄与N₂O排放的重要措施^{［11，51］}。马玲等研究发现，与常规还田相比，秸秆深还（20～40 cm）能够降低CO₂与N₂O排放，因此可通过沟埋还田方式来增加秸秆还田深度，达到减排效果^［67］。然而，由于沟埋深埋所需人工较多，未来需研发沟埋还田机械来替代人工。

3.3 加强肥料管理

通过合理的肥料管理模式可有效改善秸秆还田情景下温室气体排放。多项研究表明，与单秸秆还田相比，秸秆还田配施肥料更利于碳减排。Zhong等发现，在水旱轮作体系中，秸秆还田配合紫云英种植对CH₄减排有积极作用^［78］。通过紫云英降低土壤有机碳和土壤C/N的值可降低土壤C有效性，从而降低产甲烷菌的丰度^［79］。Wang 等研究发现，秸秆还田配施氮肥可在水稻不减产的情况下降低N₂O排放，这可能是因为高碳氮比的秸秆分解会增加氮的固定，从而减少硝化与反硝化作用的有效氮量，另外秸秆还田还提供了可溶性有机碳，刺激N₂O通过反硝化还原为N₂^［80］。此外，也可通过在秸秆还田基础上配施脲酶抑制剂或硝化抑制剂等肥料增效剂来减缓氮素转化，从而减少N₂O排放^［81-83］_{+uCDprHwcI7as0AoUwXjTQ==}。

3.4 改变灌溉方式

灌溉方式与秸秆还田的协同作用被认为是减少农田碳排放的有效措施。我国目前主流的灌溉方式可分为常规灌溉和节水灌溉（覆膜滴灌、干湿交替灌溉、间歇灌溉和控制灌溉）^［84-85］。与无秸秆还田相比，无论是常规灌溉还是节水灌溉，均会促进CH₄的排放，但节水灌溉处理下CH₄排放量的增加相对更少^［85-86］。Nie等研究发现，在相同还田方式下，节水灌溉与常规灌溉相比，稻田CH₄的排放量降低了58%～63%^［87］。Tang等研究也发现，与连续漫灌相比，间歇灌溉平均CH₄排放通量降低22.81%～32.39%^［88］。这可能是因为间歇灌溉为甲烷化营养菌（专性好氧细菌）的生长提供了更好的栖息地，利于细菌繁殖，相对于常规灌溉提高了CH₄氧化能力^［89］。对于N₂O的排放，有研究表明覆膜滴灌与常规灌溉N₂O排放通量无显著差异，由于秸秆还田本身就有减缓N₂O排放的潜力，而间歇灌溉能够降低CH₄的排放通量^［90］。因此，将秸秆还田与灌溉方式进行协同耦合对减少农田温室气体排放尤其重要，可行方法例如深埋还田与间歇灌溉的协同，免耕还田与加气灌溉的配合，均可以实现碳减排的目标^［91］。

3.5 种养模式结合

近年来，生态种养模式结合的方法在我国发展迅速，在秸秆还田后通过稻鸭共作、稻虾共作等方式，可以添加生态位，延长食物链的增环作用，通过利用动物的觅食、行走等活动，可以不同程度地影响碳排放量^［92］。徐祥玉等比较了不还田、仅稻草还田以及稻草还田后加入螯虾3种情况对于碳排放的影响，结果显示，与不还田相比，仅稻草还田提高了CH₄与CO₂的排放量，而在还田基础上加入螯虾可大幅度抑制CH₄增排效应^［93］。这可能是因为一方面稻虾系统中由于虾掘洞的原因，增加了土壤氧化还原电位以及降低土壤还原性物质总量，另外虾的活动增加了水中溶解氧，从而导致CH₄被氧化的概率增加，削减了CH₄的排放^［94］。罗加伟等在不同小龙虾品种与稻田共作的体系中探究碳排放的影响，得出了稻虾共作能够降低CH₄排放，虽增加了N₂O排放，但综合考虑GWP，稻虾共作能实现碳减排的作用^［95］。同样，稻鸭共作也具有相类似的结果。傅志强等在稻鸭共作体系中运用静止箱原位采样法测定了稻田CH₄排放通量，得出了稻鸭共作显著减少了CH₄的排放通量，其原因可能是鸭的活动增加了水体的溶解氧含量，提高土壤氧化还原电位，减少产甲烷细菌种群数量，抑制产甲烷菌活性，降低CH₄产生率，从而减少CH₄排放量^［96-98］。

4 研究展望

近年来，秸秆还田作为一种农业废弃物利用方式，对于改善生态环境，减少碳排放有重要作用。秸秆还田背景下，土壤因素的改变是影响碳排放的重要因素。土壤温度、湿度、有机质含量及pH值等土壤理化性质，通过影响土壤微生物和相关酶活性来改变土壤碳排放。因此，为提升秸秆还田背景下碳排放减排效果，土壤因素是关键。通过文献调研发现，改变秸秆还田方式、还田农艺措施及水肥管理措施等均有利于改变土壤理化性状及土壤微生物，从而有利于实现碳减排的目标。

为更好地发挥秸秆还田在农业生产中的减排作用，今后研究应从以下几个方面入手：（1）加强不同秸秆还田背景下土壤因素与土壤根际微生物的变化对碳排放的影响机制研究。例如不同秸秆还田条件下土壤微生物与酶在各个阶段的活性与作用机理的研究。（2）要加强分析和评价不同的减排技术，综合考虑净生态经济效应，例如秸秆制成生物炭的连续应用消耗成本太高，则需要优化秸秆热解系统以降低能源消耗和总体制作成本；深施沟埋的农艺措施难度大、耗费人力多，则需要研发操作简易、成本低廉的机械代替劳作。（3）在秸秆还田背景下，加强秸秆还田对碳排放长期影响的研究，例如可以进行长期田间定位试验，构建秸秆还田背景下减排的最佳技术体系。

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