平衡与对抗：长期CO2浓度升高与增温下稻田碳汇-碳源动态及碳市场潜力

《Geoderma》：Trade-offs and counteractions: carbon sink-source dynamics and carbon market potential in paddy fields under long-term elevated CO 2 and warming

为应对未来气候条件下稻田生态系统碳收支的关键不确定性，本研究通过一项为期12年的开放式CO2浓度增高与红外增温模拟实验，系统解析了CO2浓度升高(eCO2)与增温对稻田碳循环的交互影响。研究发现eCO2单独作用可提升碳汇(+254.85 kg C hm?2)，而增温则将其转为碳源(?73.43 kg C hm?2)；两者结合会协同加剧甲烷(CH4)排放(+77.4%)，抵消碳汇增益。研究揭示了未来稻田可能从碳汇转为净温室气体源的风险，并为基于GWP（全球增温潜势）核算的碳市场政策及气候适应性管理策略提供了关键科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，大气CO₂浓度持续升高与全球变暖是两个紧密耦合的核心驱动因子。对于维系全球半数以上人口粮食安全的稻田生态系统而言，它们扮演着一个矛盾的角色：一方面，土壤能够固存有机碳，扮演潜在“碳汇”；另一方面，其厌氧环境又使其成为温室气体，尤其是强效温室气体甲烷(CH₄)的重要排放源。然而，在未来eCO₂（大气CO₂浓度升高）与增温共同作用的现实情景下，稻田究竟是继续作为减缓气候变化的“碳汇”，还是会转变为加剧气候变暖的“碳源”？这一核心问题长期悬而未决。过去的研究多关注单一因子的短期效应，对两者长期交互作用、特别是对深层土壤碳库的影响认知不足，且当前碳市场政策也常忽略CH₄排放的巨大增温效应，可能引致错误的激励。为了精确量化未来气候下稻田的碳平衡及其经济潜力，一支研究团队在典型亚热带稻田开展了长达12年的野外模拟实验，相关成果发表在土壤科学领域知名期刊《Geoderma》上。

本研究采用的核心技术方法是：在中国江苏省常熟市建立了长期气候模拟田间实验平台，通过“开放式CO₂浓度增高与红外增温”(T-FACE)系统，设置了环境对照(CK)、单独eCO₂(600 ppm， CE)、单独增温(+2°C， W)以及eCO₂与增温结合(CW)四种处理。研究系统测定了水稻植株地上与地下部生物量及碳含量、0-100厘米不同深度土层的土壤有机碳(SOC)储量、以及整个水稻生长季的CO₂与CH₄气体通量。基于这些数据，计算了净生态系统碳收支(NECB)和全球增温潜势(GWP)，并依据国际碳市场行动计划(ICAP)的碳价预测，评估了不同气候情景下中国稻田的碳市场潜力。

研究结果：

1. 水稻植株生产力与碳含量

eCO₂单独处理显著增加了地下部生物量(+42.2%)。增温单独处理导致地下部生物量减少(-5.2%)。两者结合处理下，植物生产力表现为中间状态。值得注意的是，所有处理均降低了地上部碳含量。

2. 土壤有机碳储量

eCO₂处理使0-100厘米剖面SOC储量净增加20.3 Mg C hm^?2，且增益主要集中在表层土壤(0-20厘米)。相反，增温处理导致SOC净损失13.0 Mg C hm^?2，损失主要发生在深层土壤(>20厘米)。两者结合处理下，表层eCO₂的增益部分抵消了增温的损失，但深层损失依然存在，导致整体净损失6.23 Mg C hm^?2。

3. 温室气体CO₂和CH₄排放及全球增温潜势

CO₂排放通量在各处理间无显著差异。CH₄排放则对处理极为敏感：eCO₂、增温及两者结合处理分别使CH₄累积排放量显著增加56.0%、47.3%和77.4%。关键在于，eCO₂与增温结合产生了协同效应，其CH₄排放增幅超过了二者单独作用之和。 相应地，各处理的全球增温潜势(GWP)相比对照分别增加了30.8%、28.9%和39.1%。

4. 土壤-植物-大气耦合系统中的碳收支

净生态系统碳收支(NECB)计算显示，eCO₂处理下系统为净碳汇(+254.85 kg C hm^?2)，增温处理下系统转为净碳源(?73.43 kg C hm^?2)，而两者结合处理下虽为净碳汇，但增益大幅减少至+94.09 kg C hm^?2，这主要是被协同激增的CH₄排放所抵消。

5. 碳市场交易分析

基于2060年碳价(2000元/吨碳)的预测显示，eCO₂情景下中国稻田(3×10⁷hm²)可产生15亿元的碳交易收益；增温情景下则将面临4.2亿元的经济惩罚；两者结合情景下收益为5.4亿元。然而，当前碳市场核算未计入CH₄排放的高GWP（全球增温潜势），这严重高估了eCO₂的净气候效益。

研究结论与重要意义：

该研究通过长期实验揭示了未来气候情景下稻田碳循环的复杂权衡关系。eCO₂在促进碳固定的同时会显著增加CH₄排放；而增温会驱动深层土壤碳损失，将稻田转变为碳源。最值得警惕的是，eCO₂与增温的共同作用会协同放大CH₄排放，几乎抵消其碳汇增益，导致净增温效应加剧。 这表明，在未来以增温为主导的气候背景下，若不加以管理，稻田生态系统存在从碳汇转变为净温室气体源的风险。

这一发现对制定气候适应性稻田管理策略和碳市场政策具有深远意义。在管理层面，需要采取针对性措施：实施中期排水等节水灌溉以抑制CH₄产生；施用生物炭等稳定性有机改良剂来固碳；选育深根品种以保护脆弱的深层土壤碳库。在政策层面，研究强烈呼吁当前的碳市场必须改革，采用GWP调整后的核算方法，将CH₄等非CO₂温室气体的排放成本纳入其中，避免错误地激励那些高甲烷排放的“伪碳汇”项目。只有这样，才能将经济激励与真实的气候减缓目标对齐，引导农业走向真正可持续和具有气候韧性的未来。