秸秆生物炭还田降低双季稻田CH4排放并部分缓解增温引起的产量损失

《Agriculture》：Straw Biochar Incorporation Reduces CH4 Emissions in Double-Cropping Rice Paddies and Partially Alleviates Warming-Induced Yield Losses

　　

秸秆生物炭具有提高水稻生产力和减缓温室气体排放的潜力。然而，其在双季稻系统中对产量表现和甲烷（CH₄）排放的协同调节作用，尤其是在中等气候变暖情景下的作用，仍鲜为人知。研究人员于2022年至2023年开展了一项为期两年的田间试验，设置四种处理：常温+秸秆直接还田（CKS）、常温+秸秆生物炭还田（CKB）、增温+秸秆直接还田（WS）、增温+秸秆生物炭还田（WB）。系统测定了水稻产量及产量构成因子、CH₄排放特征、土壤理化性质及功能微生物丰度。结果表明，对早稻而言，与CKS相比，CKB保持产量稳定，而WS显著减产7.01%（p < 0.05）；与WS相比，WB增产4.65%（p > 0.05），主要归因于粒重、抽穗至成熟期干物质积累量以及抽穗后叶片SPAD值的增加。对晚稻而言，与CKS相比，CKB产量无显著差异，而WS减产8.47%（p < 0.05）；与WS相比，WB显著增产6.47%（p < 0.05），主要归因于每穗粒数、分蘖期干物质积累量以及二次枝梗数和二次枝梗粒数的增加。在CH₄排放方面，与CKS相比，CKB使早稻CH₄排放量和单位产量CH₄排放量分别显著降低48.67%（p < 0.05）和47.75%（p < 0.05），使晚稻分别显著降低35.22%（p < 0.05）和37.22%（p < 0.05）。与WS相比，WB使早稻CH₄排放量和单位产量CH₄排放量分别显著降低57.81%（p < 0.05）和59.61%（p < 0.05），使晚稻分别显著降低42.55%（p < 0.05）和46.09%（p < 0.05）。相关分析表明，CKB和WB通过降低早稻季土壤NH₄⁺浓度、溶解性有机碳（DOC）浓度和产甲烷菌丰度，以及降低晚稻季DOC浓度和产甲烷菌丰度，来减少CH₄排放。综上所述，在常温条件下，秸秆生物炭还田可显著减少双季稻田CH₄排放；在中等气候变暖情景下，该措施可以部分缓解产量损失（晚稻季显著），同时降低CH₄排放。这是一种适应气候变暖的高效农业管理策略，为华南双季稻区可持续生产提供了关键科学依据和可行技术途径。

本研究发表在《Agriculture》期刊，针对气候变暖背景下南方双季稻系统稳产与温室气体减排难以协同的现实问题，系统探究了秸秆生物炭还田对早、晚稻产量及甲烷（CH₄）排放的调控效应与机制。政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告显示，全球平均地表温度较工业化前已升高1.1℃，中等气候变暖情景（SSP2-4.5）下本世纪中叶全球均温预计还将升高1.6–2.5℃。中国南方双季稻体系占全国水稻种植面积的34.0%和产量的28.6%，但该体系对增温高度敏感。已有研究表明，增温加速水稻生育进程、抑制光合产物积累，导致有效穗数和结实率下降，最终造成产量损失。同时，增温还会改变稻田CH₄排放规律。秸秆直接还田虽可培肥土壤，但为产甲烷菌提供了丰富底物，显著促进CH₄排放。秸秆生物炭还田被认为兼具增产与减排潜力，但在增温条件下对双季稻的协同效应研究几乎空白。为此，研究人员于2022–2023年在华南典型双季稻区开展两年定点