長江中下游水稻生產(chǎn)固碳減排關(guān)鍵影響因素及技術(shù)體系*

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(IPCC)第六次氣候變化評估顯示, 基于改進(jìn)的觀測數(shù)據(jù)集, 在未來幾十年里, 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。國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話, 指出中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度, 采取更加有力的政策和措施, 二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值, 努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)將會引領(lǐng)整個(gè)社會經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型, 下一次科技革命即將到來。全球氣候變化的主要原因是由于人類活動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排放量約占我國農(nóng)田NO總排放量的7%～11%。中國是世界上最大的水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)國, 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“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, 會促進(jìn)土壤團(tuán)聚體層級結(jié)構(gòu)發(fā)育, 進(jìn)而促進(jìn)土壤對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“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等因子影響。針對以上影響因子, 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。

以我國主要水稻生產(chǎn)區(qū)長江中下游稻作區(qū)為例,該區(qū)水稻種植面積約占全國40%, 目前該區(qū)域稻田CH排放量約占全國的2/3。當(dāng)下長江中下游稻作區(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, 對促進(jìn)中國水稻生產(chǎn)碳中和具有重要意義。為此, 本研究以中國水稻主產(chǎn)區(qū)——長江中下游稻區(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排放通量檢測參考吳夢琴等改進(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儀(HANNA, Italy)原位測定, 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)原位測定, 檢測頻率同土樣RT-PCR檢測。

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)譜檢測技術(shù)每周檢測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)譜檢測綜合計(jì)算外源秸稈碳在中稻生長季不同流向的轉(zhuǎn)化比例。

1.4 稻田管理碳足跡分析

針對低碳稻作技術(shù)從碳足跡角度綜合分析其對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、棗陽市、潛江市、隨州市在內(nèi)的長江中下游水稻主產(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、棗陽市、潛江市、隨州市8個(gè)長江中下游水稻主產(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分析處理對各測定指標(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來源于同一大田試驗(yàn)小區(qū)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng),構(gòu)建協(xié)方差矩陣來分析變量之間關(guān)系, 利用最大似然法評估和矯正模型系數(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)對模型的擬合度進(jìn)行評估和優(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處理相對于SR處理(對照)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)含量對土壤活性碳源含量具有極顯著(P＜0.01)影響, 相對于產(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%。相對于常規(guī)管理模式, 免耕技術(shù)主要降低了46.5%勞動力投入碳排放和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, 相對于常規(guī)稻油秸稈還田模式對照, 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)聚體層級結(jié)構(gòu)發(fā)育密切相關(guān)。土壤碳庫活性會通過影響微生物碳庫能源物分解利用, 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)聚體層級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。土壤團(tuán)聚體層級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的加強(qiáng)會促進(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。

土壤碳庫官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)與碳庫活性密切相關(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官能團(tuán)比例的升高會提高土壤碳庫微生物利用活性, 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, 土壤碳庫活性組分含量的升高會促進(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nirK和nirS型反硝化細(xì)菌的影響, 對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, 并且間接碳排放測算涉及到產(chǎn)業(yè)技術(shù)調(diào)整, 其對優(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,增加了勞動力投入, 進(jìn)而造成總間接碳排放相對于常規(guī)稻作管理模式無明顯下降, 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, 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“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的達(dá)成, 針對中國主要水稻產(chǎn)區(qū)——長江中下游稻作區(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。