改良盐碱稻田中含碳温室气体动态的潜在机理变化及其减排意义

《Journal of Environmental Management》：Potential mechanistic shifts in carbonaceous greenhouse gas dynamics and mitigation implications in ameliorated saline-alkali paddy fields

　　

摘要

苏打盐碱土的生态修复对于协调粮食安全与气候变化缓解至关重要；然而，改良过程中土壤碳循环与碳质温室气体动态之间的耦合机制仍不清楚。本研究在中国东北苏打盐碱土区开展了田间试验，旨在研究未开垦荒地（WL）、常规水田（CK）和有机肥改良水田（PF）下土壤-植物-微生物系统的响应及碳质温室气体驱动机制。2023年整个生长季节的结果表明，与CK相比，改良措施通过"钙钠置换"机制显著降低了土壤pH值3.66%（降至8.68）和电导率77.28%（降至0.333 mS cm^?1），缓解了渗透胁迫，并促进了土壤有机碳（SOC）积累（增加49%–135%，峰值为10.132 g kg^?1）和碳循环酶活性。PF处理降低了CO₂排放（平均比WL低27.55%，峰值限制在1097.26 mg m^?3），但相反导致CH₄浓度升高（相对WL平均增加30.98%，峰值为996 mg m^?3）。此外，多变量解释和方差分解分析表明碳质温室气体调控可能存在潜在转变：生态系统从盐胁迫下依赖植物的运输途径（CK，以植物生物量运输为主）转变为改良后的底物-酶耦合调控途径（PF，以碳组分和酶活性为主）。因此，提出初步的分层低碳管理策略：对于未改良土壤，优先选用通气组织发达的耐盐品种，同时对改良后的肥沃土壤实施碳底物和水分的精准调控，以平衡生产力与环境足迹。

引言

农业是全球粮食安全的核心支柱，但对温室气体排放有显著贡献，其中碳质温室气体（C-GHGs），特别是二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄），是与土壤和作物管理实践相关的碳损失的主要驱动因素，约占全球总量的24%（Shukla等，2019）。这加剧了气候变化，导致干旱、洪水和热浪等极端天气事件频率增加，进而威胁农业生产力与生态系统稳定性（Porter等，2014）。为减轻这些影响，促进可持续土地管理以增强土壤有机碳（SOC）储量并减少农业景观的C-GHGs净排放已成为关键策略（Lal，2004；Paustian等，2016）。然而，退化土壤SOC储量的恢复常伴随微生物代谢活性增强。因此，平衡增强土壤碳汇功能与控制C-GHGs排放是实现农业可持续发展的重大挑战。

土壤盐渍化对耕地构成严重威胁，全球影响超过十亿公顷，导致农业产量大幅下降（Negacz等，2022；Nicolas等，2023）。在盐碱土中，高pH值和电导率（EC）干扰微生物活性、养分循环和有机质分解，从而损害碳封存过程（Rietz和Haynes，2003）。这些条件通常导致SOC积累减少和通过矿化或侵蚀造成碳损失的风险增加，进一步加剧全球碳不平衡（Wong等，2009）。在中国东北等以苏打盐碱土为主的地区，由于历史过度利用和气候因素，土地退化加剧，迫切需要恢复土壤功能并增强碳储量（Wang等，2009）。

改良剂的应用是治理盐碱土的基本策略。与无机改良剂不同，含钙有机改良剂具有独特的钙-有机复合框架。其有机组分作为大分子粘合剂稳定团聚体并改善土壤结构，与钙介导的离子交换有效协同（Fan等，2025；Kang等，2022）。然而，尽管有这些显著优势，但整个水稻生长周期内的动态效应及其与C-GHGs通量耦合的机制仍不清楚（Rezapour等，2023）。同时，水稻种植是常见的改良实践，利用淹水淋溶可溶性盐分并改善土壤结构（Chi等，2012）。然而，稻田淹水引起的长期厌氧条件影响C-GHGs动态，促进甲烷生成和CH₄排放，同时可能通过改变氧化还原电位影响CO₂释放（Wassmann等，2000；Yan等，2005）。因此，水稻生产不仅对粮食安全至关重要，也是C-GHGs排放的重要来源（Qian等，2023）。产量效益与环境成本之间的权衡凸显了在盐碱土改良过程中确定协同方法的紧迫性，以在最大化土壤恢复效益的同时最小化环境足迹。

现有研究主要集中在稳定栖息地内的碳循环特征（Crowther等，2016；Zhao等，2025），而盐碱土改良非稳态过程中驱动C-GHGs动态的机制仍了解不足。具体而言，随着盐碱胁迫的缓解，环境因子和生物因子对气体排放的交互调控仍不清楚，限制了低碳管理策略的精准制定。为解决这一问题，本研究在中国东北盐碱水稻区开展了田间试验，系统研究土壤理化性质、碳组分、酶活性和CO₂与CH₄浓度之间的耦合关系。本研究的目标是：（1）评估含钙有机改良剂对土壤理化环境的改良效果及酶活性和SOC积累相应的响应特征；（2）厘清改良过程中影响C-GHGs的关键驱动因子，阐明环境胁迫（如盐分）和生物因子（如底物、酶活性）在调节气体排放中的交互作用和相对重要性；（3）基于这些机制，为制定平衡作物产量与环境效益的盐碱土优化管理策略提供理论依据。

章节摘要

实验场地与土壤采样

试验在中国吉林省松原市进行（44°17′–45°28′N，123°35′–125°18′E）。该地区属温带大陆性季风气候，年平均气温4.9 °C，无霜期130–140天。该区域地势相对较低，地表和地下径流缓慢，导致排水不良和水盐积聚。年均降水量（450 mm）远低于蒸发量（1200 mm），

不同处理下的环境温度、土壤碱度和离子组成

各处理的环境温度均呈现动态的"先升后降"趋势（图2A），在秧苗/分蘖期达到峰值。PF处理记录的最高温度为47.63 °C（6月7日），最低温度为24.30 °C（10月18日）。与CK相比，PF的平均温度升高0.22 °C（图2B），与WL相比升高0.65 °C。值得注意的是，在灌浆期，PF表现出明显的温度冷却效应（PF < CK < WL）。土壤pH和EC

土壤理化约束的改良与微环境调控

整个生长期的环境温度总体波动主要受宏观大气环流和季节辐射驱动（Bonan，2008；Monteith和Unsworth，2013）。在本研究中，整个生长期PF的平均温度比WL高0.65 °C。然而，在灌浆期观察到明显的PF < CK < WL分布模式（图2B），这与微环境调控的研究结果一致

结论

基于单一生长期观测，本研究证明含钙有机改良剂结合水稻种植可有效改良苏打盐碱土的理化性质。通过缓解离子毒性和渗透胁迫，该方法显著增强土壤碳封存能力和作物生产力。然而，生态功能的恢复似乎改变了C-GHGs的调控机制，表明

CRediT作者贡献声明

胡浩：撰写 – 原稿，可视化。周泰然：调查。孔林玉：概念化。王雨：数据整理。木克泰尔·那迪耶：形式分析。王杰：验证。姜凯勤：资源，项目管理。胡淑文：撰写 – 审阅与编辑，资金获取。

伦理批准和参与同意

本研究不涉及人类参与者或动物。因此，伦理批准和参与同意不适用。

出版许可

稿件已获所有作者同意提交。不包含任何个人数据（包括个人详细信息、图像或视频）。

数据可用性

支持本研究结果的数据可在Zenodo公开获取，网址为 https://doi.org/10.5281/zenodo.17873690。

资金

本研究得到 国家重点研发计划（2023YFD150050503）的资金支持。我们衷心感谢所有为本研究提供数据和贡献的研究人员。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

胡浩|周泰然|孔林玉|王雨|木克泰尔·那迪耶|王杰|姜凯勤|胡淑文

中国农业大学资源与环境学院，北京，100193，中国