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这篇综述聚焦低地水稻农业生态系统，探讨其固碳潜力（CSP）。分析了土壤有机碳（SOC）的影响因素，阐述了固碳机制，对比了不同管理措施下的固碳效果及与温室气体（GHG）排放的关系，为实现环境清洁生产提供策略参考。
1. 引言
碳（C）是农业生态系统运行的关键元素，土壤作为养分和土壤有机碳（SOC）的储存库，对维持土壤肥力至关重要。农业生态系统可作为大气二氧化碳（CO2）的潜在稳定汇，但人为碳排放常超自然固碳能力，加剧气候变暖。增加土壤固碳有助于应对气候变暖，实现环境清洁生产系统。
水稻是全球重要主食，其生态系统是重要碳库，但稻田会排放大量温室气体，尤其是甲烷（CH4）。不过，稻田土壤中的碳对微生物降解有较强抗性，且淹水稻田土壤有机碳积累较多。本综述旨在评估不同水稻农业生态系统的固碳潜力，探究相关机制，确定影响因素，并提出增强固碳的农业实践。
2. 水稻种植对土壤有机碳储量的影响
土壤是全球第三大碳储备库，土壤有机碳在调节大气 CO2水平中起重要作用。土壤有机碳池由易分解到难分解的物质组成，分为活性碳池和惰性碳池。
水稻土中有机质（OM）的积累可能源于有氧和厌氧条件的周期性变化。在中国，厌氧低地稻田的碳储量比旱地好氧稻田高 12% - 58%。长期施肥和充足降雨为稻田土壤碳积累提供了适宜环境。全球稻田约占农业用地的 9%，0 - 50cm 稻田土壤有机碳含量占全球土壤有机碳库的 1.2%，占全球耕地土壤有机碳库的 14.2%。不同地区稻田土壤有机碳储量存在差异，中国和印度的稻田土壤有机碳储量较高。
3. 水稻农业生态系统的固碳机制
低地稻田是重要的人工湿地生态系统，其固碳能力较强。与旱地土壤相比，低地水稻土固碳量更高的原因主要有两点：一是水稻土中来自残茬和根系的碳输入比旱地土壤高 13 - 439%；二是低地水稻土的厌氧环境使土壤有机质降解和微生物活动较慢。固碳机制主要包括化学、物理和生物机制，且这些机制相互作用。
3.1. 化学机制
长时间淹水导致低地稻田土壤厌氧，减缓土壤有机质分解。此外，雨养水稻种植前施用有机质也增加了低地水稻土的固碳潜力。淹水还会促进铁循环，增加土壤被动碳库。部分氧化条件下有利于腐殖质合成，而干湿交替过程会增加活性碳含量。总体而言，低地水稻土因土壤有机质分解慢和络合作用强，比旱地和有氧水稻土储存更多土壤有机碳。
低地水稻土为铁氧化物的形成提供了不同环境，使其结晶度降低，从而促进土壤有机碳与铁氧化物的相互作用，增强固碳能力。
3.2. 物理机制
低地水稻土中，颗粒状有机质被微团聚体包裹是长期积累碳储备的重要方式。与旱地土壤相比，低地水稻土中更多的土壤有机碳被微团聚体保护。耕作会影响土壤团聚体结构，低地水稻土中微团聚体比例增加，有助于稳定土壤有机质。
短程有序矿物（如伊毛缟石、多水高岭土）能通过结合有机分子稳定土壤碳，含有大量这类矿物的土壤通常碳浓度较高。
3.3. 生物机制
水稻 - 土壤碳循环的关键组成部分是根系分泌物，其占总碳吸收的 40%，可作为活性土壤有机质池的来源，减缓土壤有机质矿化。水稻根系生物量高，为形成稳定的土壤有机碳提供了更多碳源。
厌氧条件抑制好氧微生物活动，限制土壤酶活性，减缓土壤有机质矿化速率，使有机化合物在低地淹水稻田的停留时间更长。此外，菌根特异性糖蛋白（Glomalin）有助于土壤固碳，水分状况影响微生物群落结构和功能，进而影响土壤固碳。
3.4. 机制相互作用
低地水稻农业生态系统中，多种固碳机制同时运行。铁氧化物通过增加团聚体相关有机碳的稳定性促进固碳，微生物活动进一步稳定铁 - 有机质复合物。添加有机质可改善土壤物理性质，促进土壤有机碳的长期保存。
4. 不同水稻土的固碳潜力
土壤有机碳固碳在近几十年受到广泛关注。全球土壤固碳潜力（CSP）在不同生态系统中有所不同，稻田的固碳潜力因管理措施而异。在亚洲，许多研究表明水稻种植具有显著的固碳潜力。低地水稻土中根际沉积物碳的平均停留时间比旱地水稻土长约 6 倍，这有助于提高土壤有机碳浓度。
不同的养分管理和土地利用管理措施对稻田固碳潜力有显著影响。例如，合理施肥、有机和无机肥料配合使用、免耕等措施可提高固碳潜力；而长期连续种植水稻且过量施氮可能导致固碳潜力下降。
5. 稻田固碳潜力与温室气体产生的协同效应和权衡
土壤固碳通常被视为双赢策略，但在稻田中，固碳与温室气体排放之间存在协同效应和权衡关系。连续厌氧环境可降低新鲜有机质和土壤有机质的分解速率，增加碳积累并减少 CO2排放，但同时会增强产甲烷菌活性，增加 CH4排放。
稻田是 CH4的潜在排放源，CH4由土壤有机质在厌氧条件下分解产生。间歇性和中期排水是减少淹水稻田 CH4排放的有效方法，但会导致土壤碳含量下降。不同管理措施对固碳和温室气体排放的影响不同，例如秸秆还田可提高土壤有机碳储量，而化学施肥可能增加或减少 CH4排放，取决于施肥量。
有机改良剂（如堆肥和生物炭）可用于提高稻田土壤有机碳储量并减少 CH4排放。生物炭在减少净排放方面比堆肥更有效，可使稻田转变为温室气体汇。
6. 调节低地水稻农业生态系统固碳的因素
土壤类型、植被、温度、土壤侵蚀和土地管理实践等因素对土壤有机碳动态有深远影响。平衡施肥、有机改良、轮作、保护性耕作和作物残茬保留等措施可增加水稻农业生态系统的土壤有机碳储量。
区域气候变异性决定了土壤固碳的程度，温度影响土壤有机质分解速率。例如，热带气候下土壤有机碳分解较快，而中国水稻种植区因气候较凉爽，土壤有机碳储量比印度高。土壤 pH 值、降水和氧化还原电位（Eh）等环境因素也会影响土壤固碳。
微生物多样性和活性对低地水稻土的固碳有重要影响。细菌、硫酸盐还原菌和反硝化菌等微生物参与土壤碳的转化和固碳过程。根系生长和分泌物也与土壤固碳密切相关，水稻根系的根际沉积可减缓土壤有机质矿化速率。此外，土壤团聚体稳定性、土壤剖面碳分布等因素也会影响土壤固碳。
7. 未来气候智能型水稻农业生态系统以提高固碳潜力
由于大气中温室气体排放增加和气候变化，水稻农业生态系统中的有机碳固碳尤为重要。更好的农业管理实践可维持或增加土壤有机碳水平，同时带来其他益处，如提高土壤肥力和保水性。
水管理方面，减少水分损失、采用间歇排水等措施可提高碳同化量，减少 CH4排放。养分管理上，有机源养分添加可增加土壤有机碳含量，合理的氮管理可平衡固碳和减少温室气体排放。选择改良的作物品种，如高产杂交品种和具有理想根冠比的品种，可增加有机碳积累并减少 CH4排放。
保护性农业通过减少土壤扰动、保留作物残茬和多样化作物轮作，可提高土壤有机碳含量，减少温室气体排放。生物炭应用可促进土壤固碳，减少温室气体排放，提高土壤质量。水稻强化栽培技术（SRI）有利于微生物活动，增加土壤固碳，减少温室气体排放。此外，近红外和中红外光谱分析等近端传感技术可用于测量土壤碳含量，纳米技术在增强土壤碳稳定性方面也有潜在应用。
8. 低地水稻农业生态系统减少碳排放与粮食安全的挑战
预计到 2050 年全球人口将达 100 亿，农业面临巨大压力。印度是全球第三大温室气体排放国，水稻生产在其温室气体排放中占比不小。将作物残茬还田固碳可带来诸多益处，但目前农民因市场需求改变种植模式，对保护效益关注不足，且保护性耕作的效益在耕种后易丧失。
气候变化和气候变异性增加使可持续粮食生产变得复杂，水稻农业生态系统的碳汇和气候反馈机制尚不清楚。不同耕作技术、养分和残茬管理方式对温室气体通量和土壤有机碳固存的影响需进一步研究，尤其在南亚部分国家的水稻种植系统中。尽管水稻农业生态系统是温室气体的重要排放源，但在某些情况下也可能是碳汇。
8.1. 低地水稻农业生态系统中土壤有机碳固存的挑战
目前对不同农业生态系统和管理方式下土壤有机碳库的分解、储存和损失速率了解有限。农民常基于市场需求改变种植模式，忽视保护效益，且长期采用相同的作物轮作和管理实践。气候变化导致种植系统转变，可能影响土壤有机碳分解，不同类型碳在变化条件下行为不同。此外，稻田温室气体排放可能抵消土壤有机碳储存和减少 CO2排放的益处，需深入研究不同管理措施对温室气体排放和土壤有机碳固存的影响。
8.2. 减少低地水稻农业生态系统碳排放的建议
应对低地水稻农业生态系统的温室气体排放并促进固碳对减缓全球变暖至关重要。保护性农业通过减少土壤扰动、保留残茬和轮作，可减少温室气体排放，增加土壤有机碳固存，应纳入温室气体排放的生命周期分析。
合理调整氮肥施用量可平衡水稻根系和生物量的固碳与碳排放，改进氮肥施用方法（如深施）和生产方法，以及使用缓释生物炭基肥料和有机 - 无机肥料配合使用，可减少氮肥使用并增加植物生物量固碳。
碳信用计划可鼓励农民采用可持续行为，发达国家部分农场已引入农业相关碳信用。碳农业项目为减少温室气体排放的农民提供经济激励，促进可持续农业发展。
8.3. 管理实践的效率比较
为增强低地水稻农业生态系统固碳潜力，可行的管理实践包括养分管理（如堆肥）、土壤改良（如生物炭）和保护性农业。生物炭可促进土壤固碳，提高土壤有机碳含量；有机源养分添加比传统化肥更能增加土壤有机碳含量，但可能增加温室气体排放；保护性农业可提高农场生产力，增加土壤有机碳含量，减少温室气体排放。从经济角度看，保护性农业是最有效的实践，而生物炭和堆肥的生产成本较高，影响其效益成本比和经济可行性。
9. 结论
低地水稻农业生态系统具有良好的土壤固碳潜力，但面临诸多挑战，如种植模式改变、长期相同管理实践导致碳积累效益丧失、新技术应用导致固碳与减排的权衡等。
通过环境友好的种植实践，如种植覆盖作物、减少耕作、合理养分管理等，可提高固碳潜力。同时，需制定区域特定的 CH4减排措施，评估现有管理策略的温室气体减排潜力。
实现环境清洁生产的主要建议包括：正确实施保护性农业；根据土壤测试和新技术调整氮肥施用量；通过碳信用计划为农民提供经济激励；考虑在旱地种植水稻的优势，以增强气候变化缓解策略。
未来需进一步研究和实验，利用新技术（如土壤有机碳建模和监测）深入了解低地水稻的固碳潜力，以及与温室气体的协同 - 权衡关系。长期监测区域特定管理实践及其动态影响，开展不同种植系统和管理策略的模拟研究，以及进行全球不同水稻种植区域固碳潜力的荟萃分析，将有助于推动低地水稻农业生态系统向环境清洁方向发展。
