稻田碳汇功能及其影响因子研究

摘要 本文通过对稻田固碳、减排能力及其影响因素进行分析，合理调控水稻种植方式，发挥稻田碳汇潜力，有效降低稻田温室气体排放。研究发现，稻田生态系统可通过光合作用、土壤有机质固碳等过程吸收和储存二氧化碳；稻田碳排放主要来源包括生产过程中的碳排放（如农药、化肥使用）和运输过程中的碳排放；影响稻田碳汇的因素有气候因素、土壤理化性质以及人为因素等。采取科学管理措施和技术手段，可以提高稻田的固碳能力，减少碳排放，发挥碳汇效应。

关键词 稻田；碳汇；固碳减排；土壤；温室气体

中图分类号 S511" " 文献标识码 A" "文章编号 1007-7731（2024）14-0135-06

DOI号 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

稻田作为一个生态系统，具有重要的碳汇功能，既可以吸收大量的二氧化碳（CO2），又可以将碳固定在植物和土壤中。同时，稻田也是重要的温室气体排放源之一，其排放的温室气体主要为二氧化碳、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）等[1]。宫亮等[2]研究表明，水稻生产中碳排放占农业碳排放总量的16%，是农业碳排放的主要来源之一。水稻秸秆等农业废弃物综合利用过程中也会造成CH4增加[3]。常琳溪等[4]研究表明，稻田土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）是重要的农业碳库之一，在减缓大气CO2浓度上升和全球变暖速率中起着重要作用。随着对气候变化问题的重视程度提高，稻田碳汇功能及其影响因子的相关研究也日益受到重视。为进一步提高稻田的碳汇能力，本文分析了稻田固碳、减排能力，并从气候因素、土壤理化性质和人为因素等方面探究了稻田碳汇的影响因素，合理调控水稻种植方式，发挥稻田碳汇潜力，有效降低稻田温室气体排放。

1 稻田固碳能力分析

1.1 光合作用固碳

光合作用即绿色植物利用光能同化CO2和水，制造有机物质并释放氧气的过程。其涉及的光吸收、电子传递和碳同化等过程，对自然界能量转换和维持大气碳—氧平衡具有重要意义。植物光合有机物质的传输和分配是构建大气—作物—土壤碳循环系统的重要影响因素之一[5]。有机物质通过植物根系分泌、植物残留物分解等方式进入土壤碳循环系统，以达到固碳的作用。王群艳等[6]研究表明，水稻光合碳对土壤有机质贡献较为明显，能够有效促进土壤碳循环，提高土壤碳汇能力，降低大气CO2浓度，减缓温室效应。同时，水稻生长后期固定的光合碳在土壤中的表现相对稳定，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减少，因此，水稻不同生育期光合碳的分配特性对土壤有机碳的影响不同。

1.2 土壤有机质固碳

土壤有机质是土壤中不同形式的含碳有机化合物，包含动植物残体、微生物及其分解合成的各类有机化合物。土壤有机质是土壤中固相部分的主要组成成分之一，在改变土壤物理性质、促进微生物活动和供给植物养分等方面都有着重要作用，是土壤养分和碳的储藏库。土壤有机碳作为土壤有机质的重要组成部分之一，其微小的变化可能会对大气CO2浓度造成较大影响。目前相对成熟的土壤有机质固碳方式有秸秆还田、施用有机肥和生物炭等，通过增加和更新土壤有机质，达到土壤有机质固碳的目的。秸秆还田不仅能够直接输入有机碳，还能增加土壤有机质、酶活性和微生物量，改善土壤理化性质，促进作物生长，而作物生长和土壤微生物活动是产生和排放温室气体的重要影响因素[8]。有机肥是指以动物排泄物和动植物残体等富含有机质的农业废弃物为主要原料，经过腐熟发酵后生产的肥料，其具有改良土壤、改善土壤微生态环境和培肥地力等特点。邱尧等[9]研究表明，有机肥含有大量有机质，施用有机肥能提高土壤有机质含量，增加土壤碳储存量。生物炭是指生物质原料经过高温热解后产生的一种作为土壤改良剂的木炭，其可应用于农业生产、碳收集和储存等。李飞跃等[10]研究发现，生物质秸秆在转化生物炭过程中会产生混合气及生物质油等生物能源产品，其可有效减少化石原料的碳排放。生物炭固碳技术可为温室气体减排工作及生物质秸秆的综合有效利用开辟新的途径。由此可见，生物炭固碳技术是一种非常有前景的碳汇技术，固碳潜力较大，对缓解温室效应具有重要意义。

2 稻田减排能力分析

稻田减排分为两个方面，一是减少生产过程中的CO2、CH4和N2O等温室气体的排放量，二是减少水稻生产投入的农业生产资料在生产运输过程中产生的碳排放量。邸超等[11]研究表明，生产过程中温室气体释放的碳约占水稻总排放的70%，其中以CH4形态的排放量占生产中排放量的60%。贾丙瑞等[12]研究发现，稻田CO2的排放主要为土壤呼吸作用和水稻自身呼吸作用，呼吸作用受温度、水分、生物量、土壤含碳量、O2和CO2浓度的影响。因此，合理控制相关因子，减弱稻田呼吸作用，对CO2的减排能力提升具有促进作用。稻田CH4的排放包含土壤CH4产生、氧化和传输3个阶段，其与稻田土壤、环境气候、施肥情况和农艺措施等因素相关，在保证水稻产量的前提下，合理调控上述因子，可有效降低稻田CH4的排放，促进稻田温室气体减排[13]。同时，抑制剂的研发和应用也能通过影响稻田土壤中微生物和酶的活性，提高稻田减排能力。脲酶、双氰胺等均能有效减少N2O的排放[14-15]。

采取有机肥部分替代化肥、减量施肥和合理施药等措施，可有效减少部分生产资料在生产运输过程中产生的碳排放。邵晓辉等[16]探究了在稻菜轮作模式下综合作物产量和温室气体减排效果，发现化肥有机肥配施比单施氮磷钾肥的温室气体排放强度下降更多，减排稳产效果明显，且优于全量有机肥替代模式。因此，合理的化肥减量不仅可以保证产量，还能减少温室气体排放，实现集约化种植。

3 稻田碳汇影响因素分析

3.1 气候因素

刘心等[17]研究发现，对稻田碳汇影响较大的气候因子为大气CO2浓度、温度和降水波动。高浓度CO2会影响CH4氧化菌数量和活性，进而减少CH4排放，可以在一定程度上缓解全球气候变暖。同时，大气CO2浓度升高，会造成水稻叶片光合系统受损，抑制光合系统电子传递能力、电子受体氧化还原能力、光化学效率最大值和活性[18]。高温会影响植物体内水分、离子和有机物等的移动性，从而对植物自身生命活动造成影响，抑制植物光合作用，降低植物吸收CO2的能力，同时一定范围内的高温会造成土壤反硝化细菌、甲烷菌活性增强，有机质分解加快，从而增加N2O、CH4和CO2排放。常思琦等[19]分析了降雨对城市草坪温室气体源汇效应的影响，研究认为，降雨会降低植物光合作用和土壤温度，削弱CO2和N2O排放，促进CH4排放。气候因子通过对植物光合作用和呼吸作用的影响，从而调控CO2的吸收和排放，通过对硝化细菌和反硝化细菌的作用影响N2O的排放量，通过对甲烷菌和甲烷氧化菌的作用影响CH4的排放量，进而对稻田碳汇造成影响。

3.2 土壤理化性质

土壤有机质含量、pH值、透气性和含水量等不同也会影响温室气体的排放情况。稻田CH4是土壤有机质在厌氧条件下经甲烷菌作用分解产生的，土壤有机质作为该过程的分解原料，其含量和活性会对CH4的产生造成较大影响。谢立勇等[20]研究表明，有机质经一系列分解后产生的甲酸（CH2O2）和一氧化碳（CO）在甲烷菌作用下产生CH4或甲基营养进行脱甲基作用产生CH4。土壤甲烷菌和甲烷氧化菌的活性受土壤pH值影响，进而对土壤CH4排放产生影响。同时，土壤硝化细菌和反硝化细菌活性也受土壤pH值影响，进而对土壤N2O的排放产生影响。中性pH值适宜多数甲烷菌生长代谢活动，土壤pH值偏低会对甲烷的产生形成抑制[21]。土壤pH值lt;6时，可降低反硝化细菌数量和活性，降低反硝化效率，进而减少N2O排放；高pH值会降低反硝化强度，从而减少N2O排放[22]。土壤透气性可增加土壤氧含量，促进甲烷氧化菌作用，从而减少CH4排放。田坤云等[23]研究指出，甲烷氧化菌分为专性好氧型、微需氧型和兼性厌氧型，其代谢活性均需要充足的氧气浓度，其中兼性厌氧型在缺氧状态下虽能生长，但生长情况弱于氧气充足时。陈美慈等[24]探究了设施栽培土壤CH4氧化情况，研究发现，土壤水分含量会对土壤O2含量产生影响，进而影响甲烷氧化菌的活性，最终对CH4的排放造成影响。含水量适宜的情况下，土壤透气性好，CH4氧化菌活性高；含水量过高时，土壤处于缺氧状态，CH4氧化菌的活性受到抑制；含水量过低时，CH4氧化菌生长所需水分得不到满足，导致其活性降低。

3.3 人为因素

3.3.1 种植模式因素" 不同的农作物种植模式（作物根系残留、秸秆还田和施肥等）对稻田有机碳氮的投入有所不同，同时翻耕次数也会直接影响稻田土壤有机碳的循环和积累。不同复种轮作方式下，其耕作方式、作物残留秸秆和秸秆还田方式等不同会影响土壤有机质积累、分解和矿化等，同时其翻耕次数、施肥等管理措施的不同也会改变土壤物理、化学和生物性状[25]，都会导致SOC含量发生变化。稻田免耕方式可加快腐殖化过程，活性碳转化为腐殖酸可提高土壤有机质的积累和更新，同时稳定增加土壤碳库[26]，吴家梅等[27]研究表明，稻草覆盖免耕处理能明显减少CH4排放，从而提高稻田SOC含量。水旱轮作模式相较于双季稻模式更能促进稻田SOC积累和稳定，明显增加稻田SOC含量。江汉平原等区域中稻种植因采用水旱轮作方式，其温室气体排放量较少，相较于早稻和晚稻每千克产量分别减排0.45和0.19 kg温室气体[28]。南方地区气候适宜，水稻收割后冬季可种植多种其他作物。余佳等[29]研究发现，冬闲稻田缺乏必要的排水、翻耕等管理，且受降水、土壤温度等因素影响，温室气体排放通量为7.58 g/m2，可采取措施让冬闲期稻田增汇。冬闲期稻田种植绿肥的土壤可溶性碳氮明显提高，且能为下茬水稻生长提供必需的营养[30]。因此，多样化的种植模式可以影响稻田碳汇能力，促进SOC积累。不同的种植模式通过土壤翻耕、有机物料投入、施肥和灌溉等方式影响土壤物理、化学和生物性状，进而影响土壤有机碳氮的稳定性。

3.3.2 田间管理因素" （1）稻渔综合种养。稻渔综合种养通过生态工程改造，建设鱼沟、鱼溜保证养殖用水需求，同时能够起到稻田土壤增温、保温作用。曹晓强等[31]研究发现，不同灌溉模式均能有效提高土壤温度，且土壤温度呈现先升后降的变化趋势，土壤的最高温度时期均在水稻分蘖末期或拔节孕穗期，有助于在生长前期提供适宜的温度，加快水稻生长，为水稻高产奠定基础。稻—鱼—萍的立体种养能够起到除草、松土透气和除虫的作用，促进有机物质分解，释放水稻生长必需的氮、磷和钾等营养元素，提高了水稻对营养元素的吸收利用，同时还可以提高土壤氧化还原电位，抑制CH4的排放。林孝丽等[32]通过对南方稻田稻渔综合种养模式进行实证分析，发现在稻渔综合种养模式下，稻田化肥和农药的使用量大幅降低，化肥和农药节约率分别为15.21%和40.17%，同时水稻产量保持不变甚至略有增长。岳冬冬等[33]对共生系统的碳减排量进行估算，发现稻渔综合种养系统减排温室气体CO2较多，碳汇价值较高，可充分发挥综合种养的碳汇功能。马永跃等[34]对稻田浮萍固碳能力进行研究，发现浮萍能够降低CH4的排放，在一定程度上降低了研究区稻田综合温室效应。

（2）灌溉。稻田灌溉模式分为淹水灌溉、常规灌溉、常湿灌溉和干湿交替灌溉，其中淹水灌溉又分为浅水灌溉和深水灌溉。淹水状态下稻田土壤处于强还原环境，土壤有机碳在甲烷菌的作用下促使CH4排出，但同时也促进了反硝化作用，消耗大量的中间产物N2O，使最终产物氮气排出[35]。在晒田期间，土壤处于氧化状态，抑制CH4产出，促进硝化作用产生N2O，证明稻田CH4和N2O排放存在明显的此消彼长关系[36]。董艳芳等[37]发现与常规灌溉相比，常湿灌溉和干湿交替灌溉均能提高水稻产量，同时减少CH4排放和增加N2O排放，温室气体排放通量均有减少。傅志强等[38]发现深水灌溉由于水深的原因，可阻碍CH4排放，同时抑制N2O产生，但对水稻生长存在不利影响。胡国辉等[39]研究表明，在秸秆资源化利用的背景下，利用生物质可降解膜覆盖水稻，可节约稻田灌溉用水量，同时保证水稻产量和控制稻田温室气体排放。

（3）施肥。施肥是稻田温室气体的主要排放原因之一，有机肥和化肥投入能快速改变土壤碳氮比（C/N比）、pH值和氧化还原电位（Eh值）等，同时为温室气体排放提供了碳源和氮源，从而改变温室气体的排放量和组成成分。郭腾飞等[40]对不同的施肥处理下温室气体排放进行测定，发现施用有机肥和氮肥均会导致温室气体排放增加，但排放强度不同。同时，抑制剂的配施也可有效减少CH4排放。不同的施肥处理能给稻田带来碳源或氮源，从而提高稻田温室气体排放。实践中，不同的施肥配比可改变温室气体排放强度，不同的氮肥施用方式对水稻碳汇能力也有影响。张鲜鲜等[41]研究发现氮肥70%施肥和全量施用对水稻产量的影响不大，但温室气体减排效果明显，通过合理控制氮肥用量实现温室气体减排具有可行性。氮肥深施可加快甲烷氧化菌的代谢活动，使稻田CH4氧化为CO2，同时稻田氮肥深施可激发反硝化细菌作用，减少N2O排放。

（4）秸秆处理。目前秸秆资源化处理方式主要有肥料化、饲料化、能源化、基料化和原料化，以抵消部分或全部碳排放，将大气中CO2固定存储在生物质或土壤中，从而促进稻田增汇。秸秆经腐熟发酵后再还田，可达到农业废弃物肥料化利用的目的，而且相比于秸秆直接还田，可明显减少CH4排放[42]。陈晓炜等[43]对饲料替代和废弃物循环利用等因素进行碳汇评估，发现种养循环相较于分离模式可有效提高固碳减排效果。霍丽丽等[44]研究表明，利用秸秆自身可再生生物质能源的特性进行发电、发热，从而部分替代传统化石能源，可达到减排的目的。利用秸秆生产食用菌，可减少部分林木资源的砍伐，从而实现菌菇生产原材料的固碳减排。秸秆制造板材、纸张和包装制品等可替代因板材、造纸和包装制品等制造引起的森林砍伐，达到固碳减排的效果[45]。多种利用途径有效结合，如秸秆灰还田替代部分钾肥、菌渣腐熟发酵还田替代有机肥等，可进一步增强秸秆固碳减排的能力。

4 结论与讨论

为进一步提高稻田的碳汇能力，本文分析了稻田固碳、减排能力，并从气候因素、土壤理化性质和人为因素等方面探究稻田碳汇影响因素，合理调控水稻种植方式，发挥稻田碳汇潜力，有效降低稻田温室气体排放。研究发现，通过调控水稻种植管理、土壤肥力等因子，可以提高稻田的碳汇能力，降低碳排放，减少温室气体的排放，有利于减缓气候变化。

目前稻田碳汇的相关研究中，单项或双项因子对稻田碳汇的影响研究较多，综合角度因子对稻田整体温室气体排放研究较少，尤其是生产资料生产运输途中产生的排放研究较少。未来应加强不同因子间的交叉影响，深入研究稻田温室气体整体排放量与稻田综合影响因子的相关性，提出科学有效、可持续发展的固碳减排方案。加强研究不同水稻品种、施肥措施和气候条件等因素对碳固定的影响，可以为优化水稻种植结构、改善农田管理提供科学依据，推动农业可持续发展。同时，开发创新技术，探索应用集成技术，加强推广应用集成技术，完善稻田碳汇保障体系，为促进稻田碳汇高质量发展提供参考。

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（责任编辑：王 菁）

作者简介 张华（1990—），男，浙江金华人，从事生态农业种植和乡村振兴项目开发经营工作。

通信作者 王哲（1990—），男，河南漯河人，硕士，工程师，从事现代化农业栽培技术、环境调控技术研发及推广工作。

收稿日期 2024-02-26