常琳溪，梁新然，王 磊，李祖然，湛方棟，何永美

中國(guó)稻田土壤有機(jī)碳匯特征與影響因素的研究進(jìn)展①

常琳溪，梁新然，王 磊，李祖然，湛方棟，何永美*

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201)

稻田是中國(guó)面積最大的耕地之一，稻田土壤有機(jī)碳(SOC)是重要的農(nóng)業(yè)碳庫(kù)，被認(rèn)為在減緩大氣二氧化碳濃度上升和全球變暖中起著重要作用。明確中國(guó)稻田土壤有機(jī)碳匯特征與影響因素，有助于制定合理的農(nóng)業(yè)管理措施，科學(xué)地增強(qiáng)稻田土壤固碳潛力。研究發(fā)現(xiàn)：在空間分布上，中國(guó)稻田SOC含量具有地域性差異，總體表現(xiàn)為華南、西南高于華北、西北，長(zhǎng)江中游高于下游，且稻田SOC含量沿海拔升高而增加，隨土壤深度增加而減少；在組成上，稻田土壤活性碳比例低于5.3%，惰性碳比例遠(yuǎn)大于活性碳，高達(dá)60% 以上，稻田固碳重點(diǎn)在于惰性組分；在影響因素上，人為管理措施是導(dǎo)致稻田碳匯變化的主要原因，并與自然因素密切相關(guān)。為充分發(fā)揮稻田土壤碳匯功能，未來(lái)研究應(yīng)加強(qiáng)稻田SOC穩(wěn)定機(jī)制研究，制定因地制宜的農(nóng)業(yè)管理方案，為中國(guó)“碳達(dá)峰與碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

稻田；土壤有機(jī)碳；碳匯特征；影響因素；碳固定

水稻(L.)是最重要的糧食作物之一，全球水稻種植總面積達(dá)1.8億hm2，其中亞洲高達(dá)90%，中國(guó)占18.5%[1]。我國(guó)是水稻總產(chǎn)量最高的國(guó)家，占全球總量的31%，占我國(guó)糧食總量的1/3，養(yǎng)育著我國(guó)一半以上的人口[2]，確保水稻產(chǎn)量對(duì)國(guó)家糧食安全具有重要意義。稻田面積和土壤肥力對(duì)水稻產(chǎn)量具有重要影響[3]。我國(guó)現(xiàn)有稻田面積約2 992萬(wàn)hm2，占全國(guó)耕地總面積的25%，是我國(guó)面積最大的耕地，維持稻田土壤質(zhì)量和生態(tài)功能對(duì)國(guó)家糧食生產(chǎn)和安全至關(guān)重要[2]。

土壤有機(jī)碳(SOC)是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。近20年來(lái)，我國(guó)稻田SOC含量顯著升高，在吸收大氣CO2、緩解溫室效應(yīng)等方面發(fā)揮著重要作用，是應(yīng)對(duì)氣候變化的重要“碳匯”[4-5]。表層土壤碳庫(kù)是人為活動(dòng)影響最顯著和活躍的土壤碳庫(kù)，全國(guó)總計(jì)38 ～ 39 Pg，有6種土壤的表層有機(jī)碳庫(kù)在1.0 Pg以上，其中稻田土壤表層有機(jī)碳庫(kù)達(dá)1.3 Pg[6]。稻田土壤碳匯量明顯高于相同生態(tài)環(huán)境條件下的其他耕作土壤，碳庫(kù)微小變化將對(duì)大氣CO2濃度及全球變化產(chǎn)生巨大影響[7]。因此，充分發(fā)揮稻田土壤固碳潛力，增強(qiáng)水稻土碳匯功能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵措施。

土壤肥力與SOC組分構(gòu)成與周轉(zhuǎn)密切相關(guān)，不同組分SOC由于化學(xué)性質(zhì)不同，其生物有效性和肥力功能不同。活性SOC易被土壤微生物分解礦化，對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)具有直接作用；惰性SOC物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，其含量表征土壤長(zhǎng)期累積及固碳能力[8]。稻田生態(tài)系統(tǒng)碳輸入來(lái)源主要包括水稻殘?bào)w、水稻根際沉積、微生物殘?bào)w及外源碳輸入等[9]。投入土壤的有機(jī)質(zhì)通過(guò)微生物分解作用要么以腐殖質(zhì)形式累積，要么以CO2或CH4的形式礦化損失，又或者以可溶性碳的方式淋溶。水稻殘?bào)w作為SOC的重要來(lái)源之一，進(jìn)入土壤后發(fā)生一系列物理–化學(xué)–微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，其化學(xué)成分和微生物轉(zhuǎn)化是稻田SOC形成的先決條件[10]。微生物殘?bào)w碳對(duì)SOC平均貢獻(xiàn)為51%，在SOC輸入中占主要地位[11]。稻田生態(tài)系統(tǒng)碳組成與轉(zhuǎn)化決定稻田碳匯大小和變化特征，研究稻田碳匯特征對(duì)緩解溫室氣體增加和全球氣候變暖具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤有機(jī)碳匯影響因素的研究取得了較好成果，主要涉及環(huán)境因子、土壤因子和農(nóng)業(yè)管理因子等[12]。碳匯不只受單方面因子的影響，而是多種因素共同作用的結(jié)果。在自然因素和人類(lèi)耕作管理雙重作用下，稻田碳匯儲(chǔ)量和質(zhì)量變化差異顯著，這種變化不僅影響土壤肥力，還影響土壤碳庫(kù)和大氣碳庫(kù)之間的碳循環(huán)平衡，對(duì)氣候變化產(chǎn)生直接影響[13]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以提高土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳含量[14]；施肥對(duì)水稻土活性有機(jī)碳含量均有促進(jìn)作用[15]；節(jié)水灌溉稻田中施加秸稈有利于提高稻田SOC含量，改善土壤活性碳組分[16]。因此，在全球氣候變化背景下，深入理解稻田土壤碳匯的主要影響因子，對(duì)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)碳匯相關(guān)技術(shù)體系研究及制定合理的農(nóng)業(yè)管理措施具有重要意義。

綜上所述，稻田土壤有機(jī)碳匯特征與影響因素是碳循環(huán)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文綜合眾多科學(xué)研究成果，分析了中國(guó)稻田土壤碳匯特征；并從自然因素與人為因素的角度，探討了稻田土壤有機(jī)碳匯影響因子，進(jìn)一步確定了不同因素對(duì)稻田土壤碳匯的影響；最后，為充分發(fā)揮稻田土壤碳匯功能，對(duì)稻田SOC穩(wěn)定機(jī)制研究及制定因地制宜的農(nóng)業(yè)管理推廣方案提出了展望，以為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 稻田土壤有機(jī)碳匯空間分布特征

SOC在自然因素和人為管理影響下表現(xiàn)出高度空間異質(zhì)性。中國(guó)各稻作區(qū)的SOC隨空間位置不同呈現(xiàn)明顯差異：華南、西南地區(qū)SOC含量顯著高于華北、西北，長(zhǎng)江中游高于長(zhǎng)江下游[17]。這是由于華南、西南地區(qū)屬濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣溫高、降水充足，水熱條件適宜，水稻生產(chǎn)水平較高，有利于秸稈腐解致使稻田SOC含量整體偏高；而華北、西北地區(qū)屬干旱與半干旱區(qū)，受水分限制凈初級(jí)生產(chǎn)力較低，外源有機(jī)碳輸入量較少，SOC含量偏低[18]。長(zhǎng)江中游為我國(guó)典型雙季稻產(chǎn)區(qū)，長(zhǎng)江下游為單季稻產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)力定性代表碳輸入，長(zhǎng)江中游較高的碳輸入有助于SOC積累。

SOC含量沿海拔升高而增加，隨土層深度增加而減少。一方面，高海拔地區(qū)溫度低、濕度大，不利于微生物生長(zhǎng)，從而抑制微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解，減少有機(jī)碳輸出[19]；另一方面，高海拔區(qū)域水稻生長(zhǎng)狀況較好，凋落物和根系分泌物儲(chǔ)備量增加，促進(jìn)有機(jī)碳輸入，最終導(dǎo)致SOC含量隨海拔升高而增加[20]。此外，SOC“表聚”特征明顯，同海拔梯度SOC含量沿土層深度遞減，這是由于大量凋落物及根系分泌物腐解后直接進(jìn)入表層土壤，表層土與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，增加了SOC累積[21]；且表層土與深層土相比，土質(zhì)更疏松，孔隙度更大，土壤溫度、水分等環(huán)境因子較適宜，良好的通氣和養(yǎng)分狀況更利于凋落物分解與腐殖化，進(jìn)而增加SOC含量[22]。另外，隨土層加深，凋落物減少，緊實(shí)的土體與較低的孔隙度使土壤有機(jī)質(zhì)向下遷移受限，導(dǎo)致下層SOC含量低于表層土壤。

2 稻田土壤有機(jī)碳匯組成與轉(zhuǎn)化

SOC依據(jù)分解速率可分為活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳兩大類(lèi)?；钚杂袡C(jī)碳是指土壤中受環(huán)境影響強(qiáng)烈、易被土壤微生物分解礦化且對(duì)植物和微生物活性較高的碳素[23]。活性有機(jī)碳在總有機(jī)碳中比例較少，但分解和周轉(zhuǎn)速率較快，與土壤理化性質(zhì)顯著相關(guān)，能敏感反映不同處理下SOC變化情況?；钚杂袡C(jī)碳含量反映潛在養(yǎng)分含量，其分解和周轉(zhuǎn)速率反映養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況?；钚杂袡C(jī)碳包括可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳、易氧化有機(jī)碳等[24]。惰性有機(jī)碳在土壤中較穩(wěn)定、難分解，能穩(wěn)定儲(chǔ)存在土壤中維持土壤肥力，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)具有保護(hù)作用。由于其分解較慢可長(zhǎng)期保留在土壤中，對(duì)減緩全球變暖作用也更為積極。惰性有機(jī)碳包括難氧化有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳等[25]。土壤中惰性有機(jī)碳占比65% ～ 68%，活性有機(jī)碳占比3.3% ～ 10%，新輸入的有機(jī)碳多為活性有機(jī)碳[26]。水稻土活性有機(jī)碳構(gòu)成比例不超過(guò)5.3%，惰性有機(jī)碳比例顯著高于活性有機(jī)碳，高達(dá)60% 以上[27]。

此外，SOC組分構(gòu)成特征隨剖面深度存在差異，下層土壤惰性有機(jī)碳比例顯著高于上層土壤，而活性有機(jī)碳比例不受土層深度影響；總有機(jī)碳變異主要來(lái)源于惰性組分變異，水稻土固碳重點(diǎn)在于惰性組分[27]。SOC組分易受不同因子影響，溫度越低，土壤活性有機(jī)碳比例越小，有機(jī)碳庫(kù)越穩(wěn)定；水分含量與活性有機(jī)碳在土壤中的駐留時(shí)間顯著相關(guān)；土壤粉黏粒含量可增加惰性有機(jī)碳平均駐留時(shí)間[28]。因此，弄清SOC組分構(gòu)成特征及其驅(qū)動(dòng)力是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳庫(kù)質(zhì)量的關(guān)鍵，有利于揭示農(nóng)業(yè)措施對(duì)SOC的影響機(jī)制。

稻田SOC轉(zhuǎn)化過(guò)程極其復(fù)雜，充分認(rèn)識(shí)SOC轉(zhuǎn)化是科學(xué)認(rèn)知土壤碳匯功能的基礎(chǔ)。水稻通過(guò)光合作用將大氣中的CO2固定為有機(jī)物質(zhì)，其中一部分碳元素通過(guò)植物呼吸作用轉(zhuǎn)化為CO2釋放到大氣，一部分以植被生物量的形式儲(chǔ)存起來(lái)，剩余部分則通過(guò)凋落物、秸稈、根系分泌物等進(jìn)入土壤[29]。進(jìn)入土壤的碳大多會(huì)經(jīng)過(guò)微生物的分解，再次以CO2的形式回到大氣，從而完成稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程。氮循環(huán)與碳循環(huán)密切耦合，氮累積對(duì)于提高稻田SOC含量起著積極作用，土壤淋溶、侵蝕及細(xì)菌的反硝化作用等均會(huì)造成土壤中氮素的損失。目前關(guān)于氮循環(huán)中各環(huán)節(jié)對(duì)碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

SOC轉(zhuǎn)化包括礦化和腐殖化過(guò)程(圖1)。礦化過(guò)程產(chǎn)生CO2、CH4和N2O，為作物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)元素，為腐殖質(zhì)形成提供基本材料，是腐殖化形成的前提；腐殖化過(guò)程是有機(jī)碳在分解轉(zhuǎn)化過(guò)程中重新合成腐殖質(zhì)，從一種有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為另一種有機(jī)碳的過(guò)程[32]。礦化過(guò)程通過(guò)植物殘?bào)w或根際沉積碳逐級(jí)分解由微生物分解代謝；腐殖化過(guò)程通過(guò)生物量周轉(zhuǎn)由微生物合成代謝。SOC轉(zhuǎn)化由3個(gè)基本要素構(gòu)成：一是土壤有機(jī)物碳輸入；二是有機(jī)碳各組分分解和礦化；三是有機(jī)碳各組分在分解過(guò)程中相互轉(zhuǎn)化。這三要素相互作用決定SOC累積水平[33]。此外，土壤微生物是推動(dòng)SOC分解、轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，其自身周轉(zhuǎn)也是SOC轉(zhuǎn)化的重要方面。

(本圖參照文獻(xiàn)[30]模擬礦化過(guò)程，參照文獻(xiàn)[31]模擬腐殖質(zhì)形成過(guò)程)

3 稻田土壤有機(jī)碳匯影響因素

3.1 自然因素

3.1.1 氣候 稻田SOC受多種環(huán)境因素的制約，氣候變化已經(jīng)成為最主要、最強(qiáng)大的營(yíng)力。氣象記錄數(shù)據(jù)表明，氣溫升高及降水波動(dòng)成為氣候變化的主要特征。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出，1880—2012年全球平均地面氣溫升高了0.85℃，21世紀(jì)末全球平均地面溫度可能升高超過(guò)1.5℃[34]。溫度升高促進(jìn)土壤呼吸，加速有機(jī)碳分解，導(dǎo)致全球尺度上土壤碳庫(kù)減少，釋放更多的CO2和CH4等溫室氣體，進(jìn)而加劇全球變暖[35]。此外，溫度在很大程度上影響微生物活性，微生物分子具有較高溫度敏感性，溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)抑制有機(jī)碳分解。

水分影響水稻生長(zhǎng)從而決定SOC輸入，潮濕條件更利于SOC累積[36]。土壤水分充足導(dǎo)致土壤通氣性較差，水稻土呼吸作用減弱，SOC分解與外源有機(jī)碳降解受抑制，有利于SOC儲(chǔ)存。大量研究表明，SOC在低溫、潮濕土壤中儲(chǔ)量較高，在溫暖、潮濕土壤中儲(chǔ)量適中，在高溫、干燥區(qū)域儲(chǔ)量較低[37]。這進(jìn)一步說(shuō)明溫度和水分共同影響稻田SOC固碳潛力。此外，溫度、水分等環(huán)境因子影響稻田種植水稻品種，不同水稻品種的凋落物及根系分泌物種類(lèi)不同，導(dǎo)致進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)狀況存在差異。

3.1.2 土壤理化性質(zhì) SOC礦化與土壤理化性質(zhì)有關(guān)，土壤pH、粒徑、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、容重及地形地貌等均會(huì)影響有機(jī)碳在土壤中的累積[38]。土壤pH影響土壤微生物多樣性和活性進(jìn)而影響有機(jī)碳礦化，土壤pH越低，土壤礦化速度越快，SOC含量越低[39]。土壤粒徑是影響SOC儲(chǔ)存的重要指標(biāo)，黏粒SOC儲(chǔ)量顯著高于砂粒SOC儲(chǔ)量，原因有以下兩方面：首先，土壤黏粒顆粒較細(xì)，表面積較大，暴露更多正電荷與土壤中帶負(fù)電荷腐殖質(zhì)結(jié)合形成SOC，同時(shí)黏?？紫抖刃?，通透性差，微生物活性低，對(duì)SOC分解具有抑制作用；其次，SOC易與土壤黏粒結(jié)合，有機(jī)碳與土壤中無(wú)機(jī)成分結(jié)合形成有機(jī)–無(wú)機(jī)復(fù)合體，該復(fù)合體抑制SOC與微生物及土壤酶接觸，達(dá)到保護(hù)和儲(chǔ)存SOC的目的[40]。

土壤團(tuán)聚體具有穩(wěn)定和保護(hù)有機(jī)碳的作用。團(tuán)聚體粒徑不同儲(chǔ)存有機(jī)碳能力也不同，土壤在耕作過(guò)程中大團(tuán)聚體不斷破碎成微團(tuán)聚體，有機(jī)碳向微團(tuán)聚體富集，導(dǎo)致微團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量顯著高于大團(tuán)聚體[40]。研究發(fā)現(xiàn)，SOC穩(wěn)定性除與土壤團(tuán)聚體有關(guān)外，還和土壤中鐵鋁氧化物等含量有關(guān)。土壤容重作為土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，反映土壤的通氣透水性及孔隙度，能調(diào)節(jié)土壤中空氣和水分運(yùn)動(dòng)，從而影響SOC含量[41]。地形可直接或間接影響SOC含量。坡度越陡流水侵蝕越強(qiáng)，土壤中有機(jī)質(zhì)越容易流失，直接導(dǎo)致SOC含量降低；陡坡區(qū)域土壤淺薄，水分條件差，不利于水稻生長(zhǎng)，凋落物向土壤輸入量隨之減少，間接降低SOC含量[42]。

3.2 人為因素

稻田生態(tài)系統(tǒng)是受人類(lèi)影響和調(diào)控的復(fù)合系統(tǒng)，相比自然因素對(duì)稻田碳匯的影響，人為管理措施對(duì)稻田碳匯影響更大。人為因素主要包括種植模式和田間管理。

3.2.1 種植模式 農(nóng)作物種植模式是調(diào)控稻田SOC循環(huán)和累積的重要因素。冬種、冬閑、水旱輪作、雙季稻種植模式下由于根系殘留、秸稈種類(lèi)與土壤理化性質(zhì)等均不相同，輸入土壤中的有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量以及有機(jī)碳礦化過(guò)程存在差異，導(dǎo)致SOC含量發(fā)生顯著變化[43]。合理有效的種植模式對(duì)提高作物產(chǎn)量和SOC累積具有重要作用[44]。中國(guó)南方稻區(qū)氣候適宜，有利于冬季作物種植，但南方稻區(qū)一般只進(jìn)行單季稻或雙季稻生產(chǎn)，稻田在冬季多處于休閑狀態(tài)。目前，我國(guó)南方稻區(qū)約有9.3×106hm2的冬閑田可充分利用[45]。冬季作物利用冬閑季的溫光資源積累有機(jī)物，然后隨冬季作物秸稈還田進(jìn)入土壤增加有機(jī)碳來(lái)源，因此冬季種植與冬閑相比，在一定程度上能提高稻田SOC含量[46]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬閑田種植冬作物秸稈還田后可使早晚稻產(chǎn)量平均增加20.9% ～ 73.4%，且稻田冬種綠肥有利于改善水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[47]。

稻田水旱輪作較雙季稻種植SOC含量偏高。不同輪作模式通過(guò)影響作物根系或殘?bào)w回歸數(shù)量和質(zhì)量來(lái)影響有機(jī)碳礦化和固定過(guò)程。輪作模式中不同作物殘?bào)w性質(zhì)和還田量不同導(dǎo)致SOC輸入種類(lèi)和含量增加，從而充分發(fā)揮有機(jī)碳固定能力。水旱輪作種植模式SOC穩(wěn)定性較高，SOC含量顯著高于雙季稻種植模式，這是因?yàn)樗递喿魈幚碓谠绲臼斋@種植下一季旱作作物時(shí)沒(méi)有翻耕，減緩了土壤有機(jī)質(zhì)氧化和礦化[48]；而雙季稻種植模式中晚稻移栽后需翻耕泡田，破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，改變了土壤水分、溫度和通氣等環(huán)境條件，加速了SOC礦化分解，從而降低了SOC含量[49]。因此，發(fā)展多樣化的種植模式對(duì)增加SOC積累具有促進(jìn)作用。

3.2.2 田間管理 田間管理措施，如耕作制度、秸稈還田、施肥、灌溉等均對(duì)SOC含量有直接影響，不合理耕作被認(rèn)為是SOC損失的首要原因。耕作主要通過(guò)破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使SOC原有物理、化學(xué)和生物化學(xué)保護(hù)機(jī)制被解除從而降低其穩(wěn)定性。同時(shí)耕作增加土壤孔隙度，改善土壤透氣性，從而使土壤呼吸作用增強(qiáng)，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解[50]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由于耕作導(dǎo)致表層SOC損失達(dá)(14.8±15.1) Mg/(hm2·a)[51]。目前，保護(hù)性耕作措施被認(rèn)為是一種提高稻田土壤潛在碳匯的重要手段，其通過(guò)減少對(duì)土壤的擾動(dòng)降低土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解而提高SOC含量。保護(hù)性耕作措施有利于SOC累積，具有碳匯效應(yīng)。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕條件下土壤固碳量增加速率為(0.42±0.46) Mg/(hm2·a)，免耕結(jié)合秸稈還田土壤固碳量增加速率為(0.53±0.45) Mg/(hm2·a)，當(dāng)免耕結(jié)合秸稈還田普及率達(dá)到50% 時(shí)，我國(guó)農(nóng)田土壤固碳潛力將達(dá)到32.5 Mg/(hm2·a)[52]。

中國(guó)秸稈資源居世界之首，2017年糧食作物秸稈產(chǎn)量為5.98億t[53]。生產(chǎn)實(shí)踐中，秸稈還田是提高土壤碳匯和減少化肥施用量的有效方法[54]。與僅施化肥相比，秸稈還田配施化肥的稻田SOC增加34% ～ 56%，SOC及其活性組分含量隨秸稈還田量增加而顯著增加[55]。此外，秸稈還田可改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤肥力，提高作物產(chǎn)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。目前關(guān)于秸稈還田對(duì)SOC影響的研究眾多，李嬌等[56]對(duì)比秸稈直接還田與生物質(zhì)炭還田，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭還田后的土壤CO2累積釋放量顯著低于秸稈直接還田，且土壤固碳量均高于秸稈直接還田。湯宏等[57]認(rèn)為，在秸稈還田過(guò)程中有一個(gè)適宜用量問(wèn)題，高量秸稈還田處理土壤固碳量顯著高于低量秸稈還田處理?？傮w來(lái)說(shuō)，秸稈還田是增加稻田固碳的有效管理措施。

施肥不僅提高作物產(chǎn)量，還促進(jìn)土壤對(duì)碳的固定。眾多研究表明，綠肥中含有大量養(yǎng)分及高活性有機(jī)碳，能促進(jìn)SOC轉(zhuǎn)變成易被作物吸收利用的活性有機(jī)碳從而提高土壤肥力；施用有機(jī)肥能促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)，增強(qiáng)土壤酶活性，提高土壤保水保肥能力和SOC含量[58]。施用化肥可促進(jìn)植物生長(zhǎng)并增加碳在根系和根際分泌物中的傳遞，氮肥的施用促使有機(jī)碳分解，提高土壤微生物活性[59]。但施用化肥方式不同，碳儲(chǔ)存差異顯著，化肥的分次施入可顯著降低總溫室氣體排放當(dāng)量(以CO2和CH4計(jì)算)。氮磷肥料一次性施入，土壤總溫室氣體排放當(dāng)量為CO2-eq10.9 g/kg；分批次施入，土壤總溫室氣體排放當(dāng)量為CO2-eq 中9.7 g/kg，與一次性施用相比，減少了CO2-eq 1.2 g/kg。因此，間歇施肥是降低稻田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放，促進(jìn)稻田土壤有機(jī)質(zhì)積累的有效管理措施[60]。

為確保農(nóng)業(yè)獲得更高產(chǎn)量，除適當(dāng)施肥外，還需良好的水資源管理，對(duì)水稻土實(shí)施灌溉。灌溉促進(jìn)水稻細(xì)根生物量和微生物生物量碳增加，灌溉條件下土層表面長(zhǎng)期保持水分，土壤保溫效果好，土層溫度高，加快凋落物腐解速率，導(dǎo)致輸入SOC含量增加；與此同時(shí)，連續(xù)浸水形成的厭氧環(huán)境限制土壤微生物活性，降低SOC分解速率[61]。灌溉與秸稈還田、有機(jī)肥施用等碳管理技術(shù)相結(jié)合對(duì)實(shí)現(xiàn)稻田水碳資源可持續(xù)利用具有促進(jìn)作用[62]。因此，科學(xué)合理灌溉對(duì)我國(guó)合理利用水資源、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、減少碳排放具有重要意義。

總之，田間管理措施主要從增加有機(jī)碳輸入(秸稈還田、施肥、灌溉)和減少有機(jī)碳輸出(保護(hù)性耕作)兩方面發(fā)揮稻田土壤的固碳潛力。稻田開(kāi)展冬種及水旱輪作種植模式并實(shí)施保護(hù)性耕作、秸稈還田配施化肥、間歇施肥、灌溉等科學(xué)合理的田間管理是實(shí)現(xiàn)土壤固碳減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

4 總結(jié)與展望

水稻土SOC累積與穩(wěn)定研究符合當(dāng)前國(guó)際前沿發(fā)展，且與國(guó)家糧食安全和生態(tài)環(huán)境建設(shè)密切相關(guān)。但由于稻田生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)放性、復(fù)雜性和多變性，稻田碳匯發(fā)展仍存在許多不確定性，還需進(jìn)一步探討，未來(lái)應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

1)關(guān)注稻田深層土壤固碳過(guò)程。目前多數(shù)研究只關(guān)注了表層SOC的固定。深層土壤是潛在的巨大“碳匯”，深層土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化，同樣會(huì)影響土壤物理性質(zhì)、土壤氮素殘留和養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)等多個(gè)生態(tài)學(xué)過(guò)程。因此，關(guān)注深層SOC固定過(guò)程及影響因素對(duì)于增加深層土壤有機(jī)碳庫(kù)和作物產(chǎn)量至關(guān)重要。

2)明確稻田SOC穩(wěn)定機(jī)制。深入理解稻田SOC穩(wěn)定性機(jī)制有助于控制和加強(qiáng)稻田土壤有機(jī)碳庫(kù)的固碳潛力，改善土壤和環(huán)境質(zhì)量。SOC穩(wěn)定性受土壤物理性質(zhì)、環(huán)境因子、微生物活動(dòng)等多種因素的交互影響。未來(lái)研究應(yīng)采用結(jié)構(gòu)方程模型(VPA)等統(tǒng)計(jì)或模型手段量化上述影響因子在有機(jī)碳合成與轉(zhuǎn)化過(guò)程中的作用機(jī)制及其對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的貢獻(xiàn)情況，這可為進(jìn)一步深入探討土壤固碳的穩(wěn)定機(jī)制提供新的研究思路。

3)完善稻田土壤人為措施管理，加快稻田固碳關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。長(zhǎng)期以來(lái)中國(guó)稻田高強(qiáng)度耕作管理模式導(dǎo)致SOC損失嚴(yán)重，中國(guó)稻田有機(jī)碳匯更大的固碳潛力有待進(jìn)一步挖掘。對(duì)不同稻田、不同水稻種植的施肥量、灌溉量等進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)定，量化各類(lèi)措施導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力，選取適合不同區(qū)域的管理措施提高土壤碳儲(chǔ)量。同時(shí)加快稻作生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯關(guān)鍵技術(shù)體系(如生物質(zhì)炭應(yīng)用、微生物調(diào)控、秸稈移除資源化利用等)的研發(fā)，強(qiáng)化低碳稻作科技創(chuàng)新集成，構(gòu)建低碳稻作技術(shù)推廣體系，助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

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Characteristics and Influencing Factors of Soil Organic Carbon Sink in Paddy Fields in China: A Review

CHANG Linxi, LIANG Xinran, WANG Lei, LI Zuran, ZHAN Fangdong, HE Yongmei*

(College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Paddy field is one of the largest arable lands in China. Soil organic carbon (SOC) in paddy field is an important agricultural carbon pool, which is considered to play a crucial role in slowing down the rise of atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration and global warming. Therefore, it is necessary to clarify the characteristics and influencing factors of SOC sinks in paddy fields of China, which is beneficial to formulate reasonable agricultural management measures and enhance the soil carbon sequestration potential of paddy fields scientifically. According the previous researches, there are regional differences in the spatial distribution of SOC contents in paddy fields of China. Generally, SOC contents in paddy fields of south and southwest China are higher than that of north and northwest China, and that of the middle reaches are higher than the lower reaches of the Yangtze River. Moreover, SOC contents in paddy fields increase with the increase of altitude but decrease with the increase of soil depth. For the composition of organic carbon in paddy fields, the proportion of inert carbon (more than 60%) is much higher than the activated carbon (less than 5.3%), thus the inert carbon is vital for carbon fixation. For the influencing factors, human management measures are mainly responsible for the change of carbon sink in paddy fields, and which are also closely related to natural factors. In order to maximize the function of carbon sink in paddy fields, the mechanisms of SOC stability should be strengthened in the future research, and the agricultural management should be developed according to local conditions, so as to provide scientific basis for achieving the goal of carbon peak and carbon neutrality in China.

Paddy field; Soil organic carbon; Carbon sink characteristics; Affecting factors; Carbon fixation

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.03.004

常琳溪, 梁新然, 王磊, 等. 中國(guó)稻田土壤有機(jī)碳匯特征與影響因素的研究進(jìn)展. 土壤, 2023, 55(3): 487–493.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32060287)資助。

(heyongmei06@126.com)

常琳溪(1998—)，女，云南保山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)。E-mail: 2363817748@qq.com