重大突破

　　稻田是重要的温室气体（CH₄和N₂O）排放源和土壤有机碳氮库，稻田生态系统的温室气体减排和土壤固碳一直是土壤科学研究的热点。全球气候变暖与碳达峰、碳中和双重背景下，保障粮食高产稳产并同时实现固碳减排的紧迫性和重要性日渐凸显。为此，中国科学院南京土壤研究所研究员徐华课题组针对我国典型单季稻田（稻-休闲、稻-小麦）和双季稻田开展连续多年的观测研究，取得以下主要进展：

　　气候变暖为水稻生长提供更多的光热资源，有利于传统单季稻蓄留再生稻，这不仅增加水稻总产量，还可能改变单季稻田的CH₄和N₂O排放特征及排放强度。我国西南丘陵山区常年淹水稻田CH₄减排潜力大，但通过排水控排CH₄可能导致水稻减产。覆膜栽培下连续10年的观测结果表明：覆膜栽培较传统栽培不仅改变稻田持续淹水的耕作旧习，还能避免季节性干旱带来减产风险，保证水稻高产稳产，同时显著减少稻季灌溉用水和CH₄排放量60%以上；覆膜栽培提高稻季土表平均温度约2~3℃，有利于再生稻种植，蓄留再生稻能增加一季水稻产量，插秧、施肥时间的提前导致CH₄和N₂O排放峰值也有所提前，由于再生稻多施用促芽肥和发苗肥且延长水稻观测期，使得CH₄和N₂O排放总量显著增加，但总体上对稻季CH₄和N₂O排放强度影响很小；就全年而言（图1），覆膜栽培较传统栽培显著降低CH₄和N₂O总排放量与总排放强度约50%、增加经济环境效益3684元/公顷/年，蓄留再生稻进一步减少总排放强度、增加产量和经济环境效益。可见，在我国西南丘陵山区施行覆膜栽培以及该栽培技术下蓄留再生稻，能有效降低CH₄和N₂O排放总量并协同水稻丰产增效。

　　大气CO₂浓度（[CO₂]）升高对全球气候变暖具有重要贡献。长期以来，FACE（Free-Air CO₂ Enrichment）研究认为：[CO₂]升高会进一步促进稻田CH₄和N₂O排放，从而加剧气候变暖。但基于中国扬州江都FACE平台连续3年（稻季[CO₂]连续升高第13~15年）的田间观测和室内模拟实验数据发现，[CO₂]升高大幅降低CH₄和N₂O排放，其原因是：[CO₂]升高通过促进水稻生长增强根系泌氧能力，提升土壤氧化还原电位，使得甲烷氧化菌增长幅度远高于产甲烷菌增加量，从而降低CH₄产生、增强CH₄氧化，并显著减少土壤中铵氮含量，这与早期研究报道恰好相反。进一步通过全球meta分析发现，[CO₂]升高对稻田CH₄和N₂O排放的促进效应随着升高年限的增加显著下降，分别从升高年限<5年、5~10年以及>10年的增加5.6~33%、27~28%，转为减少18~43%。相应的，全球稻田CH₄和N₂O排放总量从增加35~136、60~123百万吨CO₂当量/年，变为减少22~92百万吨CO₂当量/年。其原因可能是（图2）：随着[CO₂]升高年限的增加，其对水稻生长的促进作用逐步减弱，水稻产量、地上和地下生物量增幅显著下降，使得水稻可提供给产甲烷菌的底物增量减少，造成产甲烷菌丰度与甲烷氧化菌丰度的比值从显著增加转为显著降低，于是导致CH₄产生潜力与CH₄氧化潜力的比值从增加向减少转变；其促进水稻对氮素吸收的同时，增强了硝化能力，从而大幅减少土壤中的铵氮含量。这一研究发现为气候变化条件下准确估算[CO₂]升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响提供了新视角。

　　有机肥替代化肥是顺利实现我国农业“减肥减药”目标的重要手段之一，但可能促进CH₄和N₂O排放，并带来重金属污染风险。通过稻麦轮作系统有机肥（生活污泥堆肥和猪粪堆肥）部分（25%和50%）替代化肥研究发现：25%的有机替代较单施化肥对稻季CH₄和N₂O总排放量以及总排放强度无明显影响，但具有最高的水稻产量并显著降低稻米中Cd含量；有机替代较单施化肥显著降低麦季N₂O排放量并增加小麦产量，且25%的生活污泥堆肥替代化肥显著降低小麦籽粒中Ni和Cd含量；就全年而言（图3），连续3年有机替代较单施化肥显著增加土壤有机碳含量14~20%，降低净排放总量115~166%，50%的生活污泥堆肥替代化肥的总产量最高、净排放总量和籽粒中Cd含量最低，且不会造成土壤和籽粒污染以及人体健康风险。鉴于有机肥本身还可能含有大量Hg、As以及其他有机污染物和抗生素等，在稻田生态系统中长期施用有机肥可能存在污染和健康风险，仍需继续加强相关研究。

　　水肥管理是影响稻田CH₄和N₂O排放的关键因子，亦是调控土壤有机碳氮含量的重要措施。我国双季稻田连续6年的研究结果表明（图4）：晚稻收割后稻田排水翻耕较抛荒（不排水、不翻耕）显著降低全年CH₄排放量和综合温室效应约28%；排水条件下秸秆翻耕还田具有最高的土壤固碳和固氮速率、最低的净综合温室效应，以及最高的水稻产量。我国稻麦轮作系统连续13年的研究发现（图5）：秸秆和尿素耦合相对于不施秸秆和尿素对CH₄排放的促进效应随着施用年限的增加先增加后有所降低，具体表现为1~2年3.7倍、6~7年15.8倍、12~13年7.6倍；对N₂O排放的促进效应随着年限的增加而持续增加3.0倍、5.2倍和17.3倍；对土壤有机碳固存速率的促进效应随着年限的增加逐渐降低，分别为2.7、1.6和0.4吨C/公顷/年；对土壤有机氮固存速率的促进作用随着年限的增加在第7年达到最高值，为57千克N/公顷/年。该研究可为我国双季稻田和稻麦轮作系统土壤有机碳氮的固存及其潜力评估提供参考和借鉴。

　　上述系列研究针对我国典型单季稻田和双季稻田，提出简便、易行、高效的固碳减排丰产增效技术模式，为推进我国稻田“双碳目标”的顺利实施提供技术手段和科学依据。相关成果得到国家重点研发项目、国家自然科学基金项目、国家自然科学基金国际合作与交流项目、农业部公益性行业（农业）科研专项以及中科院青年创新促进会资助，覆膜栽培方面工作与四川省农科院土肥所合作完成。

　　2020年以来相关成果已发表在《Journal of Cleaner Production》、《Science of the Total Environment》、《Agriculture, Ecosystems and Environment》、《Field Crops Research》、《European Journal of Agronomy》、《Journal of Environmental Management》、《中国科学：地球科学》等期刊上。

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　　图1 覆膜及覆膜栽培下种植再生稻对CH₄和N₂O排放、水稻产量、排放强度及经济环境效益的影响

　　图2 [CO₂]升高年限对稻田CH₄和N₂O排放影响的机理机制解析概念图

　　图3 有机肥部分替代化肥对CH₄和N₂O排放、作物产量及土壤和籽粒中重金属含量的影响

　　图4 冬季排水结合秸秆翻耕还田对双季稻田土壤有机碳氮的影响

　　图5 秸秆和氮肥耦合施用年限对稻麦轮作系统土壤有机碳氮的影响