全球變暖引發的溫室效應問題備受關注，其中二氧化碳 (CO₂) 是主要的溫室氣體。農田生態系統在碳吸收與排放中發揮著重要作用。通過秸稈還田 (SR) 和生物炭施用 (BA) 等土壤管理措施來促進碳封存，已成為應對氣候變化的重要手段。

秸稈還田 (SR)：

SR 能增加土壤有機碳 (SOC) 含量，但可能伴隨 CO₂ 排放的增加，其影響受到管理條件和土壤深度等因素的制約。部分研究還表明，SR 對 SOC 的提升有限，甚至可能產生負面作用。

生物炭施用 (BA)：

BA 能提升 SOC 并降低 CO₂ 排放，但研究結果存在分歧，這可能與生物炭的性質、土壤條件及實驗方法的差異有關。

研究不足與重點：

現有研究多將 SR 和 BA 與對照處理進行比較，但在相同碳輸入量條件下的影響及其與灌溉模式的聯合作用尚不明確，特別是在不同水分管理條件下對 CO₂ 通量的影響研究較少。

研究目標：

本研究通過盆栽試驗，結合暗箱和敞箱方法，探討 SR 和 BA 在相同碳輸入量條件下對稻田 CO₂ 通量的影響，分析碳管理與灌溉模式的聯合作用，并揭示調控稻田 CO₂ 交換能力的關鍵因素。

試驗于 2021 年 7 月 2 日至 10 月 25 日在位于中國江蘇省蘇州市的昆山排灌試驗站（北緯 34°15′21″，東經 121°05′22″）進行，該站位于太湖流域，是傳統的水稻種植區。2021年水稻生產季節的平均氣溫為 26.2°C，季節性降雨量為 427.2毫米。該地區輪作夏稻和冬小麥。

試驗設置2種灌溉管理方式（漫灌（FI）和控制灌溉（CI））和3種碳源管理方式（無碳處理（K）、SR和BA），采用全因素試驗設計，共設置FI+K、FI+SR、FI+BA、CI+K、CI+SR和CI+BA（分別為FK、FS、FB、CK、CS和CB）6個處理。

如圖A1所示，所有試驗均在一系列長76cm、寬53cm、深60cm的塑料桶中進行。每個桶從下到上分為四層，包括倒置濾層、土壤層、土壤+秸稈處理層和地表水層，高度分別為5cm、25cm、20cm和10cm。土壤+秸稈處理層中的填料為土壤和秸稈（秸稈生物炭）的均勻混合物。每個處理有3個重復，共18個桶。

圖 1 各處理土壤呼吸速率（Rs）、生態系統呼吸（Reco）、凈生態系統二氧化碳交換（NEE）和總初級生產力（GPP）通量隨時間的變化。

CO₂通量測量 在首次開始CO₂通量測量前4-5 天，在每個桶上建立一個裝有健康、有代表性的水稻的土壤框架，用于測量CO₂凈生態系統交換 (NEE)、總初級生產力 (GPP) 和 Reco，以及一個不裝水稻的框架，用于測量 Rs，然后保持在原位直到收獲。將外徑20cm、內徑16 cm、高10cm 的框架垂直插入7cm 深處，為 CO₂測量室提供穩定的底座。用于 NEE 和 Rs 的CO₂測量室由透明有機玻璃（直徑17cm，厚度0.5cm）制成，高度不同（40 cm、50 cm），以適應水稻植株的生長高度。用于測量 Reco 的暗室由透明暗室制成，上面覆蓋一層不透明的鋁箔。測量室和底座之間的連接用水密封。CO₂通量測量時間為7月20日至10月18日晴天上午10：00-11：00，間隔7天。采用便攜式土壤碳通量自動測量系統（PS-9000）（北京理加聯合科技有限公司）評估箱內CO₂濃度隨時間的變化。平衡時間為30s，每隔15s記錄一次數據，單次測量持續時間為2 min。

表1 土壤呼吸速率(Rs)、生態系統呼吸(Reco)、生態系統凈二氧化碳交換(NEE)和總初級生產

圖2 水稻分蘗中期（MT）、分蘗后期（LT）、孕穗期（JB）、抽穗開花期（HF）、乳熟期（M）和成熟期（R）土壤有機碳（SOC）、溶解性有機碳（DOC）、過氧化氫酶活性（CAT）和蔗糖酶活性（SC）濃度。柱狀圖表示各時期指標平均值，散點圖表示整個水稻生育期指標平均值。小寫字母表示各處理間顯著性差異（p<0.05）。

圖3 測量指標的多面板散點圖，包括土壤呼吸速率（Rs）、生態系統呼吸（Reco）、凈生態系統二氧化碳交換（NEE）、總初級生產力（GPP）、土壤有機碳（SOC）、溶解有機碳（DOC）、過氧化氫酶活性（CAT）、蔗糖酶活性（SC）、蒸騰速率（E）、凈光合速率（A）、葉片瞬時水分利用效率（WUEleaf）和氣孔導度（gsw）。對角線顯示每個指標的質量分布圖。下圖和上圖中分別顯示了成對散點圖，紅線表示最佳擬合，紅色橢圓表示95％置信區間和皮爾遜相關系數，符號為“**”（p<0.01）和“*”（p<0.05）。

在節水灌溉稻田等碳投入條件下，研究了施用生物炭和秸稈對大氣-水稻-土壤系統碳循環關鍵過程的影響。結果表明，生物炭和秸稈的施用顯著提高了水稻的總初級生產力、生態系統凈CO₂交換量、凈光合速率和土壤溶解有機碳水平，并且土壤呼吸與溶解有機碳和總初級生產力呈顯著正相關。這些結果表明，生物炭和秸稈能夠增強水稻冠層對碳的捕獲能力，并促進初級光合產物向地面分配，從而促進植物根系生長，刺激微生物活動，最終增加土壤呼吸。此外，生物炭與節水灌溉相結合能夠更有效地提升水稻生態系統的碳匯功能。然而，本研究的一個局限是無法區分土壤呼吸的具體來源。在后續研究中，可通過碳同位素示蹤技術進行補充。研究成果為提高農業生態系統碳吸收能力、減緩溫室效應和氣候變化、以及實現碳中和目標提供了重要的理論支持。