劉天奇, 胡權(quán)義, 湯計(jì)超, 李成芳, 江 洋, 劉 娟, 曹湊貴

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430070)

政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次氣候變化評(píng)估顯示, 基于改進(jìn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)集, 在未來(lái)幾十年里, 極端高溫將更頻繁地達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的臨界耐受閾值。國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話, 指出中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度, 采取更加有力的政策和措施, 二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值, 努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！疤歼_(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)將會(huì)引領(lǐng)整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型, 下一次科技革命即將到來(lái)。全球氣候變化的主要原因是由于人類活動(dòng)向大氣中排放過量的二氧化碳(CO)、甲烷(CH)和氧化亞氮(NO)等溫室氣體。CH和NO的增溫潛勢(shì)是CO的25倍和268倍。農(nóng)業(yè)是溫室氣體的重要排放源之一, 其排放的CH和NO分別占到全球人為排放CH和NO總量的50%和60%左右。如果不實(shí)施額外的農(nóng)業(yè)政策, 預(yù)計(jì)到2030年, 農(nóng)業(yè)源CH和NO排放量將比2005年分別增加40%～60%和35%～60%。稻田是重要的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放源之一, 稻田直接釋放的CH約占全球人為CH總排放量的12%～26%, 稻田NO排放量約占我國(guó)農(nóng)田NO總排放量的7%～11%。中國(guó)是世界上最大的水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)國(guó), 占世界水稻種植面積的20%左右。水稻生產(chǎn)是全球溫室氣體的重要排放源之一, 特別是CH排放。與此同時(shí), 從碳足跡角度評(píng)估水稻生產(chǎn)碳排放, 水稻生產(chǎn)人力投入、機(jī)械燃油消耗、病蟲草害防治等投入產(chǎn)生的間接碳排放占總碳排放量很大比重, 近些年水稻生產(chǎn)間接碳排放不斷受到重視。綜上所述, 減少水稻生產(chǎn)碳排放這一重要問題關(guān)系到我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成。

水稻生產(chǎn)具有“碳源”和“碳匯”的雙重性。水稻生產(chǎn)過程中由于秸稈還田和氮肥施用等田間管理會(huì)產(chǎn)生溫室氣體的直接排放, 耕作、灌溉和病蟲害防治等措施產(chǎn)生的能耗會(huì)產(chǎn)生間接溫室氣體排放, 此時(shí)水稻生產(chǎn)表現(xiàn)出“碳源”特性。同時(shí), 水稻在生長(zhǎng)過程中通過光合作用吸收CO; 水稻根系分泌物作為土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物, 會(huì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體層級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)育, 進(jìn)而促進(jìn)土壤對(duì)秸稈和作物凋落物碳的固定,此時(shí)水稻生產(chǎn)表現(xiàn)出“碳匯”特性。針對(duì)“雙碳”目標(biāo),水稻生產(chǎn)需要進(jìn)一步明確固碳減排的關(guān)鍵影響因素,進(jìn)而調(diào)整稻田管理技術(shù), 平衡稻田“碳源”和“碳匯”的角色比重, 減少水稻生產(chǎn)碳排放, 充分發(fā)揮稻田“碳匯”作用。綜合構(gòu)建低碳稻作管理技術(shù)體系, 促進(jìn)水稻生產(chǎn)固碳減排, 是實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)“碳中和”的重要方向。水稻生產(chǎn)“碳源”排放主要受水稻光合和呼吸作用速率、碳源底物轉(zhuǎn)化率、稻田環(huán)境理化性質(zhì)等因素影響。針對(duì)以上影響因子, 減少稻田碳排放主要通過品種選育、施肥管理調(diào)整、灌溉管理調(diào)整等技術(shù)手段。水稻生產(chǎn)“碳匯”功能主要受土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育、土壤微生物代謝活動(dòng)等因子影響。針對(duì)以上影響因子, 增強(qiáng)稻田“碳匯”功能主要通過耕作制度調(diào)整、秸稈還田管理調(diào)整等措施。

以我國(guó)主要水稻生產(chǎn)區(qū)長(zhǎng)江中下游稻作區(qū)為例,該區(qū)水稻種植面積約占全國(guó)40%, 目前該區(qū)域稻田CH排放量約占全國(guó)的2/3。當(dāng)下長(zhǎng)江中下游稻作區(qū)水稻生產(chǎn)存在諸多高碳排放問題: 首先, 稻作區(qū)水網(wǎng)地帶多, 澇漬地面積大, 大水淹灌或漫灌等不當(dāng)水分灌溉造成水氣不協(xié)調(diào), 水田溶氧量下降, 還原性升高, 產(chǎn)甲烷菌功能性活躍, CH排放升高; 第二, 稻田碳氮管理不協(xié)調(diào), 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)固碳能力被削弱,土壤有機(jī)質(zhì)含量下降, 土壤“碳匯”減少; 第三, 農(nóng)事操作高能耗, 低效率, 水稻生產(chǎn)碳足跡增多, 間接碳排放升高, 稻田生產(chǎn)低碳化的潛力有待挖掘。結(jié)合以上問題開展水稻生產(chǎn)固碳減排的關(guān)鍵影響因素及相應(yīng)低碳管理措施研究具有重要意義。

相關(guān)研究報(bào)道顯示不同省(市)稻田生產(chǎn)碳中和情況差異較大, 湖北省、湖南省、江蘇省等稻田低碳生產(chǎn)技術(shù)模式較完善的省份“碳匯”呈現(xiàn)碳盈余狀態(tài), 稻田生產(chǎn)碳中和表現(xiàn)為0.26～0.79 t (C-eq)·hm的盈余狀態(tài)。碳中和的盈余與低碳稻作技術(shù)的應(yīng)用密不可分, 在明確水稻生產(chǎn)固碳減排的關(guān)鍵影響因素基礎(chǔ)上, 結(jié)合稻作區(qū)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和氣候特點(diǎn), 選擇相應(yīng)低碳稻作管理技術(shù), 進(jìn)行集成并形成低碳稻作體系, 充分發(fā)揮水稻生產(chǎn)固碳減排潛力, 對(duì)促進(jìn)中國(guó)水稻生產(chǎn)碳中和具有重要意義。為此, 本研究以中國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)——長(zhǎng)江中下游稻區(qū)為例, 結(jié)合免耕保護(hù)性耕作、氮肥深施、秸稈還田氮肥配比調(diào)控、間歇性灌溉等低碳稻作技術(shù), 針對(duì)水稻生產(chǎn)“碳匯”功能, 分析水稻生產(chǎn)固碳減排的關(guān)鍵影響因素, 以便進(jìn)一步構(gòu)建低碳稻作體系。

1 材料與方法

1.1 秸稈還田氮肥配比試驗(yàn)

于2017-2020年在湖北省棗陽(yáng)市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地(32°10′N, 112°10′E), 開展稻田秸稈還田下氮肥配施模式的低碳管理技術(shù)研究, 結(jié)合中稻-小麥(Triticum aestivum)輪作模式, 在中稻季開展試驗(yàn), 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 設(shè)置只秸稈還田處理(SR)、秸稈與氮肥配施碳氮比為30 (CN30)、20 (CN20)和10 (CN10)的4個(gè)處理, 每個(gè)處理3次重復(fù), 共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。中稻每年6月拋秧, 10月收獲后種植小麥。每個(gè)小區(qū)面積均為10 m×10 m, 秸稈還田量4500 kg·hm, 試驗(yàn)田環(huán)境氣候、土壤背景及具體氮肥施用比例調(diào)控等田間管理詳見Hu等的報(bào)道。

4年連續(xù)試驗(yàn)處理后, 2020年中稻收獲后采集0～20 cm稻田耕層土樣。參考Solomon等的方法,采用C核磁共振技術(shù)檢測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)的組成。參考Xu等的方法, 利用密度梯度分餾法分離土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)組分, 分離得到自由輕組顆粒有機(jī)質(zhì)(free light particulate organic matter, fPOM)、微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)(intra-microaggregate particulate organic matter, iPOM)、微團(tuán)聚體內(nèi)粉黏粒(intra-microaggregate silt+ clay sized fraction, intra-SC)和游離態(tài)粉黏粒(free silt + clay, free-SC) 4種土壤團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)組分。使用元素分析儀(Elementar Macro, Germany)檢測(cè)有機(jī)質(zhì)組分碳含量。

1.2 水分管理試驗(yàn)

于2015-2017年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)湖北省武穴市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范中心試驗(yàn)基地(30°01′N, 115°74′E)開展稻田節(jié)水灌溉低碳減排生產(chǎn)技術(shù)研究, 結(jié)合中稻-油菜(Brassica napus)輪作模式, 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置常規(guī)淹灌(F)、間歇性節(jié)水灌溉(W)和旱作灌溉(D) 3個(gè)處理, 3次重復(fù), 共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū), 每個(gè)小區(qū)面積均為3.6 m×8.5 m。中稻每年6月拋秧, 10月收獲后直播油菜。常規(guī)淹灌三葉一心期后始終保持廂面2～5 cm淺水層。間歇性節(jié)水灌溉在水稻三葉一心期后保持每次灌水至廂面滿水, 待自然消耗至廂面濕潤(rùn)時(shí)再進(jìn)行灌水至廂面滿水, 反復(fù)交替灌溉。旱作灌溉, 三葉一心期后不再灌水, 但施肥或出現(xiàn)嚴(yán)重干旱脅迫時(shí)進(jìn)行灌溉。試驗(yàn)田環(huán)境氣候、土壤背景及其他具體田間管理詳見Xu等研究。

中稻生育期CH和NO排放通量檢測(cè)參考吳夢(mèng)琴等改進(jìn)后的密閉箱氣相色譜法, 在水稻全生育期每隔7 d檢測(cè)1次溫室氣體排放量, 并根據(jù)排放通量計(jì)算溫室氣體累計(jì)排放量。在水稻全生育期每隔14 d采集0～20 cm稻田耕層土樣, 土壤微生物溫室氣體排放功能基因片段RT-PCR檢測(cè)體系參考Fan等和劉天奇的報(bào)道, 其中產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌引物選用同F(xiàn)an等, nirK、nirS型和nosZ型反硝化細(xì)菌引物選用同劉天奇。RT-PCR檢測(cè)控制擴(kuò)增率為97.3%～100.7%, R為0.996～1.000。土壤微生物量碳和水溶性碳含量測(cè)定參考Xu等改進(jìn)的重鉻酸鉀氧化法。土壤含水量和溶氧量采用HI98186便攜式土壤溶液檢測(cè)儀(HANNA, Italy)原位測(cè)定, 土壤氧化還原電位采用便攜式氧化還原電位儀FJA-5 (塞亞斯, 中國(guó))原位測(cè)定, 檢測(cè)頻率同土樣RT-PCR檢測(cè)。

1.3 13C秸稈標(biāo)記試驗(yàn)

于2020年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)湖北省潛江市試驗(yàn)基地(30°39′N, 112°71′E)開展低碳稻作技術(shù)C秸稈標(biāo)記試驗(yàn)。針對(duì)中稻-油菜輪作模式, 在中稻季油菜秸稈還田條件下, 設(shè)置常規(guī)秸稈還田模式對(duì)照(CK), 以及免耕(NT)、氮肥深施(ND)、干濕交替灌溉(AWD)、秸稈氮肥配施(秸稈和氮肥配施碳氮比20, SN)低碳稻作管理措施處理, 并設(shè)置稻蝦共作模式處理(RS),共6個(gè)處理, 3次重復(fù), 18個(gè)小區(qū)。各處理小區(qū)內(nèi)水稻種植區(qū)面積10 m×10 m; 稻蝦共作模式處理的稻田外設(shè)置外圍溝, 溝寬2.0 m, 深1.2 m。試驗(yàn)田環(huán)境氣候、土壤背景及其他具體田間管理詳見Xu等和Sun等研究。

試驗(yàn)初期利用5.0 g NaCO(99 Atom%C)與過量鹽酸(2 mol·L)反應(yīng)制備CO, 并將CO通入密閉光照培養(yǎng)箱內(nèi)培育油菜植株。每10～14 d進(jìn)行1次CO脈沖標(biāo)記, 每次脈沖標(biāo)記持續(xù)2 h。使用元素分析儀(Elementar Macro, Germany)和同位素質(zhì)譜儀(Isoprime 100 MS, Germany)分別測(cè)定油菜秸稈總碳含量和δC值, 保留δC＞400.0‰的油菜秸稈樣品。在各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置長(zhǎng)1.0 m、寬1.0 m的微區(qū), 按3000 kg·hm投入標(biāo)記油菜秸稈。在中稻生育期, 結(jié)合氣相色譜和同位素質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)每周檢測(cè)1次稻田CH和CO排放通量。在中稻收獲季采集0～20 cm稻田耕層土樣和植株樣品, 通過同位素質(zhì)譜檢測(cè)綜合計(jì)算外源秸稈碳在中稻生長(zhǎng)季不同流向的轉(zhuǎn)化比例。

1.4 稻田管理碳足跡分析

針對(duì)低碳稻作技術(shù)從碳足跡角度綜合分析其對(duì)稻田間接碳排放的影響, 使用eBalance 4.7軟件, 選用CLCD1.0數(shù)據(jù)庫(kù)稻田生產(chǎn)原料、人力、運(yùn)輸和能源投入碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù), 結(jié)合國(guó)際碳價(jià)、定位試驗(yàn)田數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 綜合計(jì)算得到包括黃岡市、鄂州市、荊門市、荊州市、武穴市、棗陽(yáng)市、潛江市、隨州市在內(nèi)的長(zhǎng)江中下游水稻主產(chǎn)區(qū)相應(yīng)低碳稻作技術(shù)下, 生產(chǎn)物料投入、耕作、灌溉、病蟲草害防治、收割等管理措施碳足跡數(shù)據(jù), 繪制稻田生產(chǎn)碳足跡輸入和輸出清單(圖1)。進(jìn)一步結(jié)合eBalance模型計(jì)算間接碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù), 統(tǒng)計(jì)2017-2019年黃岡市、鄂州市、荊門市、荊州市、武穴市、棗陽(yáng)市、潛江市、隨州市8個(gè)長(zhǎng)江中下游水稻主產(chǎn)區(qū)年平均中稻季間接碳排放。根據(jù)中稻種植區(qū)域面積換算, 整理得到長(zhǎng)江中下游稻區(qū)不同低碳管理措施下中稻生產(chǎn)間接碳排放數(shù)據(jù)。

圖1 水稻生產(chǎn)碳足跡輸入和輸出清單Fig.1 Input and output lists of carbon (C) footprint of rice production

1.5 數(shù)據(jù)處理

碳盈余的計(jì)算綜合了作物和土壤固碳因子以及水體碳流失, 并結(jié)合了直接和間接碳排放。直接碳排放統(tǒng)計(jì)中, 根據(jù)100年時(shí)間尺度內(nèi)CH和NO的增溫潛勢(shì)是CO的25倍和268倍, 分別換算為CO排放碳當(dāng)量(CO-eq)。間接碳排放根據(jù)間接碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù)轉(zhuǎn)化為碳當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算, 具體計(jì)算公式如下：

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行整理, 并計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)和標(biāo)準(zhǔn)誤(standard error, SE)。應(yīng)用軟件SAS9.0 (SAS Institute,Cary, NC)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析; 采用One-Way ANOVA分析處理對(duì)各測(cè)定指標(biāo)的影響, 同時(shí)通過最小顯著差異法(least significant difference, LSD)分析比較不同處理間的差異。結(jié)構(gòu)方程模型采用SPSS AMOS 7.0分析得到, 模型中不同指標(biāo)按照水稻全生育期每隔14 d來(lái)源于同一大田試驗(yàn)小區(qū)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng),構(gòu)建協(xié)方差矩陣來(lái)分析變量之間關(guān)系, 利用最大似然法評(píng)估和矯正模型系數(shù)和整體模型擬合度, 通過χ(1＜χ/df＜3), 比較擬合指數(shù)(comparative fit index, CFI＞0.9)、擬合優(yōu)度指數(shù)(goodness of fit index, GFI＞0.9)、近似誤差均方根(root mean square error of approximation, RSMEA＜0.08)等指數(shù)對(duì)模型的擬合度進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。流程導(dǎo)圖使用Adobe Illustrator 2020制作,柱狀圖使用Origin 2018制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈氮肥配比管理稻田碳庫(kù)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)組分變化

2020年中稻收獲后稻田土壤有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)構(gòu)成如表1所示。通過調(diào)控秸稈與氮肥配施的碳氮比,顯著提高了土壤烷基碳和烷氧基碳官能團(tuán)比例, 降低了土壤芳香碳和羧基碳官能團(tuán)比例。秸稈與氮肥配施碳氮比為30、20和10 (處理CN30、CN20和CN10)的土壤烷氧基碳官能團(tuán)比例分別比僅秸稈還田對(duì)照SR顯著提高15.1%、27.7%和15.3% (P＜0.05),土壤芳香碳官能團(tuán)比例分別顯著降低18.2%、31.4%和17.2% (P＜0.05), 土壤羧基碳官能團(tuán)比例分別顯著降低11.5%、23.8%和11.7%。另外秸稈與氮肥配施碳氮比為20時(shí)(CN20處理), 土壤芳香度和疏水性官能團(tuán)比例變化最為顯著, 分別比SR處理顯著降低30.2%和14.6% (P＜0.05)。

表1 不同秸稈與氮肥配施碳氮比處理下稻田土壤主要有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)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 %

土壤團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)組分特性變化如圖2所示。秸稈與氮肥配施碳氮比為20 (CN20處理)對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)組分的整體影響最顯著。有機(jī)碳組分以iPOM占比最大, intra-SC次之, fPOM占比最低; CN20處理相對(duì)于SR處理(對(duì)照)提高iPOM全土質(zhì)量占比8.3%(P＜0.05), 降低fPOM全土質(zhì)量占比26.6% (P＜0.05)。

圖2 不同秸稈與氮肥配施碳氮比處理下稻田土壤團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)組分特性變化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的有機(jī)碳含量最高, 其他3種組分有機(jī)碳含量相近, 且明顯低于fPOM。秸稈與氮肥配施調(diào)節(jié)碳氮比的3個(gè)處理fPOM組分有機(jī)碳含量均顯著高于SR處理, CN30處理最低, 顯著低于CN20處理,但比SR處理提高13.8% (P＜0.05)。CN20處理顯著提高了iPOM組分有機(jī)碳儲(chǔ)量, 比SR顯著提高32.9%(P＜0.05)。

2.2 不同灌溉模式下稻田溫室氣體排放量變化

連續(xù)3年觀測(cè)不同灌溉模式下稻季CH和NO排放總量, 結(jié)果如表2所示。間歇性節(jié)水灌溉相對(duì)于常規(guī)淹灌2015年、2016年和2017年分別顯著降低CH累計(jì)排放量20.4%、19.9%和21.1% (P＜0.05),顯著降低NO累計(jì)排放量38.2%、40.7%和27.0%(P＜0.05)。旱作灌溉條件下CH排放量顯著低于間歇性節(jié)水灌溉, 但NO排放量顯著升高。

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

2.3 灌溉模式對(duì)稻田溫室氣體排放影響機(jī)理的結(jié)構(gòu)方程模型分析

利用結(jié)構(gòu)方程模型分析間歇性節(jié)水灌溉減少稻田CH和NO排放的機(jī)理(圖3)。土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和水溶性碳(dissolved organic carbon, DOC)含量對(duì)土壤活性碳源含量具有極顯著(P＜0.01)影響, 相對(duì)于產(chǎn)甲烷菌豐度, 甲烷氧化菌豐度受土壤碳源活性的影響更大。另外在不同灌溉模式下, 相對(duì)于產(chǎn)甲烷菌, 甲烷氧化菌功能群落主要調(diào)控CH排放總量。在NO排放方面, 土壤還原性和反硝化作用功能微生物群落綜合調(diào)控NO排放。土壤還原性受土壤含水量(soil water content, SWC)的極顯著(P＜0.01)正向調(diào)控, 同時(shí)受土壤溶氧量(soil dissolved oxygen, SDO)和土壤氧化還原電位(soil redox potential, SRP)的極顯著(P＜0.01)負(fù)向調(diào)控。與此同時(shí), 土壤還原性的提高主要通過提高nosZ型反硝化細(xì)菌豐度, 促進(jìn)NO還原, 進(jìn)而降低NO排放。

圖3 間歇性節(jié)水灌溉減少稻田CH4和N2O排放的結(jié)構(gòu)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 不同水稻生產(chǎn)低碳管理技術(shù)的碳足跡

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表3), 免耕、間歇性節(jié)水灌溉及秸稈和氮肥配施管理技術(shù)可以明顯降低稻田生產(chǎn)總間接排放量, 3種技術(shù)分別相對(duì)于傳統(tǒng)稻作模式降低總間接碳排放16.7%、11.7%和16.1%。相對(duì)于常規(guī)管理模式, 免耕技術(shù)主要降低了46.5%勞動(dòng)力投入碳排放和83.0%機(jī)械燃料碳排放; 間歇性節(jié)水灌溉技術(shù)降低了31.5%勞動(dòng)力投入、28.8%防治投入和34.2%機(jī)械燃料所產(chǎn)生的間接碳排放; 秸稈和氮肥配施技術(shù)降低了35.0%防治投入、27.9%機(jī)械燃料投入、23.5%電力消耗和18.2%生產(chǎn)物料投入產(chǎn)生的間接碳排放, 綜合降低總間接碳排放16.1%。氮肥深施技術(shù)相對(duì)于常規(guī)稻作管理模式, 降低了防治投入和機(jī)械燃料等投入產(chǎn)生的間接碳排放, 但增加了9.7%勞動(dòng)力投入和5.1%生產(chǎn)物料投入間接碳排放, 總間接碳排放相對(duì)于常規(guī)稻作管理模式?jīng)]有明顯變化。

表3 不同低碳管理措施下稻田生產(chǎn)間接碳排放清單Table 3 Inventory of indirect carbon emissions from rice production under different low-carbon management measures

2.5 不同水稻生產(chǎn)低碳管理措施秸稈碳轉(zhuǎn)化分析

在中稻季, 秸稈外源碳的轉(zhuǎn)化比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示, 負(fù)比例代表秸稈碳向碳源轉(zhuǎn)化的比例, 正比例代表秸稈碳向碳匯轉(zhuǎn)化的比例。在所有低碳稻作管理措施中, 干濕交替灌溉和秸稈氮肥配施處理促進(jìn)秸稈外源碳在中稻季碳循環(huán)中向碳匯轉(zhuǎn)化的比例最大, 相對(duì)于常規(guī)稻油秸稈還田模式對(duì)照, 干濕交替灌溉和秸稈氮肥配施處理分別增加秸稈外源碳固定量59.9%和57.3% (P＜0.05)。另外相對(duì)于常規(guī)管理?xiàng)l件下的水稻單作模式, 稻蝦共作模式通過促進(jìn)土壤碳固定顯著提高秸稈外源碳固定量28.1% (P＜0.05)。

圖4 不同低碳管理措施下稻田秸稈外源碳土壤和作物固定及溫室氣體轉(zhuǎn)化和水體流失比例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 不同水稻生產(chǎn)低碳管理措施碳中和評(píng)估

中稻季不同低碳稻作管理措施和稻作模式下碳固定清單如圖5所示, 橫坐標(biāo)以上表示碳匯, 橫坐標(biāo)以下表示碳源。當(dāng)季作物碳固定是碳匯的主體, 占碳匯的86.7%～88.5%。中稻生產(chǎn)季綜合計(jì)算碳源和碳匯后, 低碳稻作管理技術(shù)均表現(xiàn)為碳固定狀態(tài), 碳中和水平為177.5～1364.1 kg (C-eq)·hm。其中干濕交替灌溉和秸稈氮肥配施處理由于相對(duì)于其他處理增加了秸稈外源碳被水稻作物固定的比例, 相對(duì)于其他低碳稻作管理技術(shù), 碳固定水平提升39.4%～86.9%。

圖5 不同低碳管理措施下水稻生產(chǎn)碳盈余Fig.5 Carbon surplus of rice production under different low-carbon management measures

3 討論

3.1 稻田碳匯潛力及影響因素

結(jié)合相關(guān)報(bào)道, 稻田碳匯功能與土壤團(tuán)聚體層級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)育密切相關(guān)。土壤碳庫(kù)活性會(huì)通過影響微生物碳庫(kù)能源物分解利用, 進(jìn)而影響微生物分泌團(tuán)聚體膠結(jié)物, 并最終影響土壤團(tuán)聚體層級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。土壤團(tuán)聚體層級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的加強(qiáng)會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳組分向閉蓄態(tài)轉(zhuǎn)化, 加強(qiáng)稻田碳匯功能, 進(jìn)而降低土壤有機(jī)碳向CH等溫室氣體的轉(zhuǎn)化, 促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳中和。

土壤碳庫(kù)官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)與碳庫(kù)活性密切相關(guān)。秸稈與氮肥配施碳氮比調(diào)控試驗(yàn)顯示(表1),秸稈還田條件下通過調(diào)控氮肥施用量, 降低物料投入碳氮比, 可以改變土壤有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)。綜合相關(guān)研究, 烷氧碳等小分子碳庫(kù)官能團(tuán)比例的升高會(huì)提高土壤碳庫(kù)微生物利用活性, 促進(jìn)土壤微生物分解利用外源碳形成多糖等團(tuán)聚體膠結(jié)物, 進(jìn)而提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。從土壤微生物化學(xué)計(jì)量學(xué)角度分析, 以上試驗(yàn)結(jié)果可能由于秸稈和氮肥配施碳氮比為20時(shí)更易被土壤微生物分解利用, 促進(jìn)秸稈碳降解和轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)。同時(shí)微生物繁殖過程中形成的菌絲, 也可以作為團(tuán)聚體膠結(jié)物, 提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

根據(jù)以上稻田固碳潛力主要影響因素的分析,可以從耕作和秸稈還田等管理措施調(diào)控角度提高稻田碳匯潛力。在耕作方面, 根據(jù)先前的研究報(bào)道, 免耕保護(hù)性耕作相比傳統(tǒng)翻耕模式, 可以保護(hù)土壤團(tuán)聚體層級(jí)結(jié)構(gòu), 提高團(tuán)聚體內(nèi)閉蓄態(tài)等穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳組分比例, 有效減少碳庫(kù)的溫室氣體轉(zhuǎn)化。秸稈處理方面, 先前多通過秸稈粉碎和腐熟還田技術(shù), 促進(jìn)土壤微生物碳利用和土壤團(tuán)聚體固碳。目前稻田秸稈處理進(jìn)一步與氮肥施用技術(shù)相結(jié)合, 從土壤和微生物化學(xué)計(jì)量學(xué)角度, 通過調(diào)控氮肥和秸稈配施碳氮比, 促進(jìn)秸稈外源碳向小分子官能團(tuán)降解轉(zhuǎn)化, 以此促進(jìn)土壤微生物秸稈碳分解利用, 并促進(jìn)多糖等團(tuán)聚體膠結(jié)物的合成, 進(jìn)而提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性,促進(jìn)團(tuán)聚體內(nèi)部閉蓄態(tài)碳組分合成, 最終加強(qiáng)稻田土壤碳匯功能, 促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳中和。

3.2 稻田溫室氣體減排機(jī)理及影響因素

稻田溫室氣體排放主要受土壤微生物和稻田理化性質(zhì)調(diào)控。CH主要受土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌調(diào)節(jié), 土壤的氧化還原特性會(huì)影響土壤甲烷排放功能微生物代謝。淹水條件下, 土壤還原性強(qiáng), CH氧化途徑受到抑制, 厭氧環(huán)境促進(jìn)了CH的生成。NO的生成主要受土壤nirK和nirS型反硝化細(xì)菌調(diào)控, 同時(shí)受到nosZ型反硝化細(xì)菌影響, 土壤碳庫(kù)活性組分含量的升高會(huì)促進(jìn)nosZ型反硝化細(xì)菌代謝, 進(jìn)而減少NO排放。

利用結(jié)構(gòu)方程模型探究間歇性節(jié)水灌溉低碳技術(shù)減少稻田溫室氣體排放的機(jī)理(圖3), 發(fā)現(xiàn)間歇性節(jié)水灌溉通過提高土壤溶氧量, 促進(jìn)了甲烷氧化菌氧化CH, 減少CH排放; 同時(shí), 通過提高土壤微生物量碳和水溶性碳含量, 提高土壤活性碳源組分比例,促進(jìn)甲烷氧化菌碳源利用, 進(jìn)一步促進(jìn)了CH氧化。在NO方面, 間歇性節(jié)水灌溉雖然通過提高土壤還原性促進(jìn)了nirK和nirS型反硝化細(xì)菌的代謝, 促進(jìn)NO生成; 但是間歇性節(jié)水灌溉模式下土壤活性碳源含量的升高也激發(fā)了nosZ型反硝化細(xì)菌的代謝,促進(jìn)了稻田NO的還原; 間歇性節(jié)水灌溉整體上表現(xiàn)為相對(duì)于傳統(tǒng)淹水灌溉模式和干旱栽培模式顯著降低了NO排放。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果機(jī)理分析, 土壤溫室氣體排放功能微生物代謝驅(qū)動(dòng)了稻田溫室氣體排放, 活性碳源含量、氮素代謝底物含量等土壤理化性質(zhì)是影響土壤溫室氣體排放功能微生物代謝的關(guān)鍵因素,因此稻田生產(chǎn)溫室氣體排放主要受灌溉、施肥等管理措施影響。目前在稻田施肥方面, 氮肥深施技術(shù)得到廣泛關(guān)注, 稻田氮肥深施可以促進(jìn)甲烷氧化菌的代謝, 進(jìn)而促進(jìn)稻田CH氧化。另外, 稻田氮肥深施可以抑制氮肥的水體淋失, 土壤氮素代謝底物含量升高相比對(duì)nirK和nirS型反硝化細(xì)菌的影響, 對(duì)nosZ型反硝化細(xì)菌的激發(fā)作用更強(qiáng), 從而通過促進(jìn)NO還原, 減少NO排放。進(jìn)一步結(jié)合水稻生理特性, 稻田氮肥深施可以促進(jìn)水稻氮肥吸收利用, 提高氮肥利用率的同時(shí)降低氮肥被土壤微生物轉(zhuǎn)化為NO的比例。另外在稻田灌溉管理方面,主要通過干濕交替灌溉技術(shù)提高土壤溶氧量, 加強(qiáng)土壤氧化性以加快土壤甲烷氧化菌代謝, 促進(jìn)CH氧化, 從而減少稻田溫室氣體排放。

3.3 水稻生產(chǎn)碳足跡及節(jié)能降耗潛力

水稻生產(chǎn)勞動(dòng)力投入、病蟲草害防治、機(jī)械使用、電力消耗和生產(chǎn)物料投入等資源消耗都會(huì)產(chǎn)生間接碳排放, 約占總碳排放的16.2%～52.7%。水稻生產(chǎn)間接碳排放與直接碳排放總量接近, 并且間接碳排放測(cè)算涉及到產(chǎn)業(yè)技術(shù)調(diào)整, 其對(duì)優(yōu)化水稻生產(chǎn)結(jié)構(gòu)具有重要參考價(jià)值。從生命周期角度分析水稻生產(chǎn)直接和間接碳排放過程, 是一種更為綜合的碳排放計(jì)算方法, 有助于從節(jié)能降耗角度進(jìn)行調(diào)整, 綜合降低水稻生產(chǎn)碳排放。

水稻生產(chǎn)中通過調(diào)整耕作、施肥、灌溉等農(nóng)藝管理措施可以顯著降低間接碳排放(表3), 采用免耕、氮肥深施、間歇性節(jié)水灌溉、秸稈物料投入碳氮比調(diào)控等低碳稻作管理技術(shù), 可以通過減少農(nóng)用機(jī)械燃油消耗、節(jié)約電能、節(jié)約化肥農(nóng)藥等生產(chǎn)物料投入, 降低稻田生產(chǎn)間接碳排放。免耕技術(shù)主要通過減少勞動(dòng)力投入和耕地機(jī)械燃油消耗, 削減人力開支和農(nóng)用機(jī)械使用開支, 降低總間接碳排放。間歇性節(jié)水灌溉技術(shù)主要通過降低人工投入、機(jī)械燃料消耗以及病蟲草害防治投入, 綜合降低總間接碳排放。秸稈和氮肥配施技術(shù)對(duì)總間接碳排放的降低主要體現(xiàn)在減少防治投入、燃料電能消耗投入以及生產(chǎn)物料投入, 在生產(chǎn)物料投入方面, 秸稈和氮肥配施技術(shù)可以通過秸稈還田補(bǔ)充部分氮磷鉀肥料投入,相對(duì)于常規(guī)稻田施肥管理減少了生產(chǎn)物料投入。氮肥深施技術(shù)雖然相對(duì)于常規(guī)稻作模式, 降低了病蟲草害防治和機(jī)械燃料等投入, 但由于部分稻作區(qū)沒有配套的氮肥深施機(jī)具, 氮肥深施多采用人力操作,增加了勞動(dòng)力投入, 進(jìn)而造成總間接碳排放相對(duì)于常規(guī)稻作管理模式無(wú)明顯下降, 后期需要進(jìn)一步加強(qiáng)氮肥深施機(jī)具的研發(fā)和推廣。

水稻生產(chǎn)的低碳管理技術(shù)主要通過降低水稻生產(chǎn)過程中人力和物力能耗來(lái)降低碳足跡, 近些年低碳技術(shù)更注重從間接碳排放角度提升管理措施的節(jié)能降耗潛力, 進(jìn)而削減水稻生產(chǎn)碳足跡。例如氮肥深施低碳技術(shù)更注重自動(dòng)化深施機(jī)具的研發(fā)及應(yīng)用, 間歇性節(jié)水灌溉技術(shù)更注重智能水肥一體化管理, 通過削減能源消耗產(chǎn)生的間接碳排放, 降低水稻生產(chǎn)碳足跡, 從產(chǎn)業(yè)化角度促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳中和。

3.4 水稻生產(chǎn)碳循環(huán)利用及影響因素

作物秸稈作為水稻生產(chǎn)過程中主要的碳循環(huán)形態(tài), 在每季作物生產(chǎn)中不斷循環(huán)。還田秸稈作為外源碳進(jìn)入稻田, 經(jīng)土壤微生物分解和利用, 部分以土壤團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)組分以及微生物量碳形態(tài)固存在土壤碳庫(kù)中, 部分作為“碳源”在還田降解過程中轉(zhuǎn)化為溫室氣體排放。同時(shí)秸稈外源碳產(chǎn)生的CO也會(huì)通過光合作用被當(dāng)季水稻以莖葉生物量形態(tài)固定,水稻收獲時(shí)作為“碳匯”。秸稈在稻田生產(chǎn)物質(zhì)循環(huán)中的碳源和碳匯角色不斷切換, 通過調(diào)整稻田管理措施, 促進(jìn)水稻生產(chǎn)秸稈外源碳固定, 有助于實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)碳中和。

C標(biāo)記秸稈外源碳轉(zhuǎn)化試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖4),通過調(diào)整稻田管理措施可以顯著提高秸稈外源碳在稻季碳循環(huán)中被當(dāng)季作物固定的比例, 進(jìn)而提高稻田碳固定量。耕作、施肥、灌溉、復(fù)合種養(yǎng)等管理措施都會(huì)通過影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育、土壤碳氮循環(huán)微生物群落代謝等途徑, 對(duì)秸稈外源碳在生產(chǎn)循環(huán)中的流失率和固定率產(chǎn)生影響。另外結(jié)合不同低碳稻作管理措施和稻作模式下碳固定清單(圖5)也可以發(fā)現(xiàn), 不同低碳稻作管理技術(shù)和稻作模式主要通過提高當(dāng)季作物和土壤的碳固定量, 促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳中和。綜上所述, 水稻生產(chǎn)碳循環(huán)主要受作物和土壤秸稈外源碳固定的影響。

很多稻田碳循環(huán)報(bào)道也顯示通過促進(jìn)作物和土壤碳固定可以有效促進(jìn)水稻秸稈碳循環(huán)利用。以稻蝦共作模式為例, 小龍蝦會(huì)以還田的秸稈和水稻植株凋落物為食物, 加快其分解轉(zhuǎn)化, 最終以小龍蝦糞便等排泄物形式再次還入稻田環(huán)境, 以此促進(jìn)外源碳向土壤碳庫(kù)的轉(zhuǎn)化和固定。另外, 稻蝦共作模式中小龍蝦打洞的習(xí)性, 可以提高水稻根際區(qū)域溶氧量, 有利于水稻根系生長(zhǎng), 進(jìn)而提高地上部分光合作用速率, 以此促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳循環(huán)利用。

4 水稻生產(chǎn)固碳減排技術(shù)體系

固碳減排稻作研究和相應(yīng)技術(shù)調(diào)整關(guān)系到我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的達(dá)成, 針對(duì)中國(guó)主要水稻產(chǎn)區(qū)——長(zhǎng)江中下游稻作區(qū)低碳水稻生產(chǎn)存在的問題, 從農(nóng)藝措施調(diào)整、節(jié)能減耗技術(shù)應(yīng)用和土壤碳氮耦合調(diào)控角度, 探究水稻生產(chǎn)固碳減排的關(guān)鍵影響因素, 經(jīng)過多年的稻田固碳減排管理措施試驗(yàn), 我們總結(jié)出水稻生產(chǎn)固碳減排技術(shù)體系(圖6)。低碳管理措施和稻作模式主要通過調(diào)整土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育、碳排放功能微生物、土壤氮素底物含量、水稻生產(chǎn)碳足跡和作物碳固定等過程和因子促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳中和。目前免耕、氮肥深施、間歇性節(jié)水灌溉、秸稈氮肥配施管理以及稻田復(fù)合種養(yǎng)等低碳管理技術(shù)和模式主要圍繞“增匯” “減排” “降耗” “循環(huán)”的理念,針對(duì)水稻生產(chǎn)固碳減排關(guān)鍵影響因素, 從提高稻田碳匯潛力、減少稻田溫室氣體排放、減少水稻生產(chǎn)碳足跡和提高水稻生產(chǎn)秸稈碳循環(huán)利用等途徑, 顯著促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳中和。

圖6 水稻生產(chǎn)固碳減排技術(shù)體系Fig.6 Management technology system of carbon (C) sequestration and emission reduction for rice production

綜合具體試驗(yàn)結(jié)果, 通過運(yùn)用水稻生產(chǎn)固碳減排管理措施可以促進(jìn)水稻生產(chǎn)碳盈余28.9%～67.6%,稻田固碳減排管理措施具有很好的應(yīng)用前景。在明確水稻生產(chǎn)固碳減排的關(guān)鍵影響因素基礎(chǔ)上, 將不同稻田固碳減排管理措施集成, 可以充分發(fā)揮低碳稻作技術(shù)固碳減排潛力。同時(shí)結(jié)合水稻-油菜、水稻-小麥、雙季稻、再生稻以及稻蝦共作等稻作模式,進(jìn)一步構(gòu)建低碳稻作體系, 并進(jìn)一步結(jié)合種植區(qū)域氣候特征和水稻品種選擇, 形成低碳稻作模式是最終實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)碳中和的關(guān)鍵。