農林土壤固碳減排技術研究進展及其在茶樹栽培中的應用潛力

張少博，葉長存，郭帥，呂俊彥,4，陳燁,4，顏鵬，李征珍，李鑫*

1.中國農業科學院茶葉研究所，浙江 杭州 310008；2.玉環市農業農村和水利局，浙江 臺州 318000；3.杭州植物園（杭州西湖園林科學研究院），浙江 杭州 310013；4.浙江農林大學，浙江 杭州 311300

研究發現，大氣中碳排放的增加是導致全球氣候變化的重要原因之一[1-3]。而全球氣候變化在一定程度上會對人類的生存環境和可持續發展產生負面影響[4]。減緩大氣中碳排放，降低溫室氣體排放是應對全球氣候變化的重要生態任務之一。

陸地生態系統在全球碳平衡中發揮著重要的作用，利用陸地生態系統進行固碳，能在一定程度上減緩全球碳排放[5]。眾多研究發現，陸地生態系統因其初級生產力水平很高，具有很大的碳匯功能[6]，在一定條件下可以有效減緩全球氣候變化[7-9]。農田生態系統和森林生態系統作為陸地生態系統的重要組成部分，兩者具有面積大、碳儲量高等特點，在全球生態系統碳循環過程中有著不容忽視的作用[10]。其中農田生態系統作為陸地三大系統之一，占陸地生態系統的38.5%，是碳循環過程最活躍的碳庫[11]。森林生態系統貯存了陸地生態系統地上部分有機碳的80%和地下部分的40%，以及全球土壤碳庫的73%，每年固碳量約占陸地生態系統的2/3。

農林生態系統碳匯主要包括農林植被碳匯和土壤碳匯兩個方面[12-13]。研究發現，增加農林生態系統碳匯功能的主要措施包括降低碳的排放并增加碳的儲存。然而，為了提高農林生態系統的生物量與經濟效益，長期的集約經營措施，例如翻耕、施肥、砍伐等措施顯著降低土壤有機碳儲量與碳庫穩定性[14-16]，而有機碳的耗竭對于農林生態系統土壤肥力與碳匯功能而言，均具有負面效應。因此，合理科學地應用農林生態系統土壤固碳減排技術，對于增加農林生態系統的碳儲量，增強農林生態系統的碳匯能力具有重要的應用價值和指導作用。

1 農林生態系統土壤固碳減排技術研究現狀

增加農林生態系統土壤碳匯功能的主要措施包括增加有機碳儲量和減少有機碳的分解兩個方面[17-18]。目前農林生態系統土壤固碳減排技術主要包括以下幾個方面。

1.1 農林廢棄物科學還田

農林廢棄物科學還田是一種重要的農林生態系統固碳減排技術。它指的是將農林廢棄物如秸稈和樹枝修剪物等作為有機肥料施入土壤，以增加土壤有機質含量，改善土壤結構，并促進資源的循環利用。以往研究發現，農林廢棄物直接還田，能顯著增加土壤中有機碳的含量[19-20]。但是農林廢棄物直接還田，會出現病蟲害傳播增加、土壤污染加劇等問題。尤其是農林廢棄物直接還田會通過影響土壤養分循環等，對微生物群落結構與組成等產生顯著的影響，從而加速土壤有機碳的分解，增加土壤溫室氣體的排放[21-22]。

與農林廢棄物本身相比，其在缺氧或者限氧條件下高溫裂解而形成的生物質炭[23-24]，因具有較強的化學穩定性、大孔隙等特點，施入土壤后能夠在增加土壤碳庫的同時減緩土壤溫室氣體的排放，已被廣泛應用于增加農林生態系統土壤碳庫[25-28]。Zhang 等[19]研究發現，與新鮮竹葉添加相比較，竹葉生物質炭添加會顯著降低毛竹林土壤有機碳礦化速率，但會增加土壤有機碳儲量，而新鮮竹葉添加后的有機碳礦化速率顯著高于生物質炭添加。同樣，Whitman等[29]的研究也發現，與玉米秸稈添加相比較，玉米秸稈生物炭添加會顯著降低土壤有機碳礦化速率。此外，李文杰等[30]發現，雖然環境的復雜性會導致土壤微生物和原有機碳庫隨著生物質炭施用表現出不同的激發效應，但長期施用生物質炭有利于土壤有機碳儲量的增加。

因此，農林廢棄物在還田時，將其加工成高溫裂解的生物質炭，可以在一定程度上增加農林土壤中碳的儲量，又能減少土壤中溫室氣體的排放，從而增加農林生態系統土壤的碳匯功能。另外，生物質炭添加可以改善土壤物理化學性質，促進農林生態系統中植被生物量的增加，從而促進農林生態系統碳匯功能的增強[31]。

1.2 科學的施肥技術

施用化肥作為增加農林生態系統經濟效益的主要措施之一，被廣泛應用于農林經營生產中。然而，以往研究發現化肥的使用會顯著增加土壤溫室氣體的排放[32]，Zhang 等[33]研究發現，尿素的添加會顯著增加森林土壤CO2的排放量。另外，王曉嬌[34]研究表明，施用化肥會顯著增加農田土壤的CO2排放量，但從生育期和整年來看，施肥處理條件下土壤CO2排放通量均會隨著時間呈先增后降的趨勢，而休閑期處理間基本無差異。張俊麗[35]研究發現，旱地玉米土壤施氮后，土壤呼吸速率顯著增加，且土壤溫度和含水率與土壤的呼吸之間顯著相關。此外，氮肥的使用量也會顯著影響土壤碳排放。李銀坤等[36]通過研究不同氮肥水平下夏玉米農田土壤呼吸動態發現，施氮量的增加會顯著增加土壤呼吸速率。此外，尹云鋒等[37]的研究結果表明，除了施肥量，施肥種類也會顯著影響土壤有機碳儲量。

目前，有機肥替代化肥也被越來越多地應用于農林生產中，目前關于有機肥替代化肥的研究也相對較多。孫志朋等[38]研究發現，長期施用有機肥可顯著增加土壤有機質含量及有機碳儲量，并提升土壤有機碳固存量。而有機肥配施磷肥，以及單施有機肥均可顯著提升土壤有機碳儲量。另外，Banger 等[39]通過長達16 年的農田野外試驗發現，長期施用有機肥會顯著增加土壤有機碳含量，促進土壤碳匯能力的提升，尤其是肥力較差的土壤，有機肥施用效果更為顯著。此外，丁勇[40]研究發現，深耕和灌溉相結合的施肥技術，可以有效避免土壤肥力降低和有機碳流失。綜上，肥料的合理選擇，尤其是肥料類型與用量的選擇，對于降低土壤碳的損失至關重要。

目前關于不同施肥措施對土壤溫室氣體排放的問題存在一定的爭議。李海波等[41]研究表明，大劑量的肥料施用能顯著提高植物生產力，但也會加速土壤碳的流失。這是因為大劑量的肥料輸入會給土壤微生物帶來豐富的營養底物，促進土壤微生物活性增強，加強土壤呼吸，促進土壤溫室氣體排放。而丁維軍等[42]研究結果表明，施用緩釋氮肥能顯著降低土壤CO2、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體的排放。目前關于有機肥添加對溫室氣體排放的影響也存在一定差異。例如，劉英烈[43]研究發現，有機肥添加對稻田土壤CH4排放無顯著影響，而Shang 等[44]的研究結果表明，有機肥添加會顯著增加土壤CH4排放量。董玉紅等[45]的研究表明，有機肥施用到玉米地會抑制CH4的排放，但會增加CO2的排放量。因此，關于有機肥添加對溫室氣體排放的影響，會因生態系統的差異性、土壤類型等產生顯著的差異性，需要進一步研究與探討。

1.3 科學的栽培管理方式

合理的栽培方式和栽培制度能有效促進土壤碳匯功能的增加。例如有機農業，合理并減少化學農藥和化肥的使用，有助于增加土壤有機質的含量，并降低土壤碳的損失。另外，輪作和間作技術的推廣與應用，在一定程度上也能夠促進土壤碳匯能力的增加。輪作是指在同一塊地上依次種植不同的作物[46]，而間作指在同一田地上于同一生長期內，分行或分帶相間種植兩種或兩種以上作物的種植方式[47]。輪作和間作技術可以有效增加土壤中的生物多樣性，促進土壤微生物的活動，提高土壤碳匯能力[48]。此外，合理的水土保持措施，如梯田、溝壑治理和植被恢復等，可以減少土壤侵蝕和土壤質量的退化，從而保持土壤的完整性，增加土壤碳儲存的穩定性[49]。

保護性耕作是通過少耕、免耕以及地表覆蓋秸稈等措施，減少農田水土流失，保護農田生態環境，獲得生態、經濟和社會效益協調發展的環境友好型耕作模式[50]。Philip 等[51]發現，保護性耕作與傳統耕作相比，前者可以顯著增加土壤有機碳含量。這與Badagliacca等[52]的研究結果相似，他們的研究結果也指出保護性耕作與傳統耕作相比，保護性耕作還可以提高土壤的固碳能力，減少碳排放。同樣，李婧妤等[53]研究表明，長期采用少耕、免耕的保護性耕作措施能夠顯著提高表層土壤有機碳儲量，但對深層土壤的碳儲量影響并不明顯，甚至會減少深層土壤碳含量。

另外，鄧悅等[54]研究發現，農膜技術中地膜因阻礙了土壤與大氣的循環會導致土壤CO2濃度上升，并且農膜分解會釋放大量溫室氣體，但與免耕技術相結合后將會減少每公頃6 321 kg的碳排放量。此外，田云等[55]研究表明，種植耕作環節技術也會影響土壤溫室氣體排放，翻耕會破壞土壤結構，影響土壤水穩性團粒結構的形成與穩定性，會使得土壤極易受到侵蝕，從而導致土壤碳的暴露，加快土壤碳的分解速度。

綜上，合理的栽培方式與制度，如生態低碳栽培技術的研究與挖掘，對于提升農林生態系統的碳匯功能至關重要。

2 農林生態系統土壤固碳減排技術在茶樹栽培中的應用潛力

2.1 茶園固碳減排潛力

茶園生態系統是我國重要的農林生態系統之一，同時兼具生態功能和經濟效益[56-57]。目前，全世界有超過62 個國家種植茶樹，而我國是世界上茶樹種植歷史最悠久、茶葉產量最大的國家，現有20 個產茶省區，2022 年全國茶園面積達333.03萬hm2[58]，其固碳減排潛力巨大。有研究表明，我國茶園土壤碳儲量225.0 億t，占茶園總碳儲量的71.2%[59]。然而，為了提高茶葉的產量，過量的化肥施用、不合理的栽培管理技術等，會顯著影響茶園的碳匯功能，降低茶園生態系統在實現碳中和中的作用。

2.2 農林土壤固碳減排技術在茶樹栽培中的應用

2.2.1 茶樹修剪物科學還園

茶樹修剪可以通過解除頂端優勢、刺激腋芽萌發，從而提高茶葉產量[60]。同樣，茶樹修剪物主要由植物的有機質組成，含有豐富的碳元素。將修剪物還園，可以將有機質輸入到土壤中，有助于土壤碳庫的積累[61]。有機質的輸入可以提高土壤的肥力、水分保持能力和微生物活性，對土壤質量的改善有積極的影響[62]。然而，茶樹修剪物在土壤中會經歷分解過程，其中包含碳的釋放。分解過程中，微生物會將修剪物中的有機質分解成CO2，同時也會釋放出少量的CH4和N2O[63]。有研究發現，新鮮有機物添加能使土壤中水溶性碳顯著增加56.2%～76.4%，但同樣會使土壤累積的CO2排放量顯著增加122%[19]。因此，修剪物的分解過程會導致一定數量的土壤碳排放。另外，修剪物的分解速率受多個因素的影響，如溫度、濕度、土壤pH、微生物群落等。茶園較高的溫度和濕度可以加速修剪物的分解，導致更多的碳排放[64]。

茶樹修剪物生物質炭，是指茶樹修剪物經過熱解制得的炭質產物，具有高碳含量和穩定性。首先，茶樹修剪物生物質炭具有高碳含量，將其添加至茶園土壤中可以增加土壤有機碳含量，從而增加土壤碳庫的儲存[65]。生物質炭的高穩定性可以延長其在土壤中的存在時間，有助于長期碳儲存。另外，茶樹修剪物生物質炭有能力固定土壤中的有機碳，并減少碳的氧化分解。生物質炭具有多孔結構和較大的比表面積，可以吸附和保持土壤中的原有有機碳，防止其被微生物分解釋放為CO2。此外，生物質炭能夠降低土壤呼吸速率，減少土壤中的CO2排放，有研究表明，添加生物質炭能使土壤中水溶性碳含量顯著增加30%左右，但是與直接添加秸稈相比，添加生物質炭能使土壤累積的CO2排放量顯著降低80%[19]。這是由于生物質炭的添加改變了土壤微生物群落結構和活性，抑制了土壤中的有機質分解過程[66]。茶樹修剪物生物質炭也會對土壤氮循環產生一定的影響[67]。研究發現，生物質炭會通過吸附土壤中活性碳等，從而提高土壤中氮的有效性和保持力，進而減少土壤中N2O的排放[68]。綜上，茶樹修剪物生物質炭的應用可以有效促進土壤碳儲存和減少碳排放。然而，生物質炭的應用效果受到多種因素的影響，如生物質炭的質量、添加量，以及土壤性質等。因此，在茶園管理中，需要進一步研究和實踐，以確定最佳的生物質炭應用策略，實現茶樹修剪物的有效利用和土壤碳減排。

綜上，將茶樹修剪物加工制備成生物質炭進行還園，可以在一定程度上增加茶園土壤中碳的儲量，又能減緩茶園土壤溫室氣體的排放，進而增加農林生態系統土壤的碳匯功能。

2.2.2 茶園肥料科學施用

有機無機肥的施用作為提高茶葉產量的主要措施之一，被廣泛應用于茶園管理中[69]。然而，為了提高茶葉的產量和經濟效益，肥料的過量和不合理利用會通過影響養分有效性和微生物活性等，從而影響土壤中碳的周轉速率[70]。

研究發現，茶園肥料類型和用量的選擇，在一定程度上會影響茶園土壤碳的排放[71]。茶園化肥施用對溫室氣體排放的影響主要體現在CO2和N2O的排放上。施用過量的化肥會促進土壤中有機質的分解，從而加速茶園土壤釋放更多的CO2。另外，茶園化肥施用還會導致N2O的排放，化肥中的氮元素會在土壤中轉化為硝酸鹽，硝酸鹽的分解過程中會產生N2O[72]。而茶樹根系吸收不完全的氮肥也會隨著土壤水分的流失進入水體，進而造成水體中的N2O排放。茶園化肥施用對溫室氣體排放的影響因多種因素而異。過量施肥會導致養分的浪費和土壤中氮元素的積累，進而增加N2O 的排放。因此，合理控制施肥量可以減少溫室氣體的排放。另外，不同的施肥方式對溫室氣體排放也會有顯著的影響[73]。例如，將化肥分解為小顆粒或加入抑制劑可以減少氮素的損失和N2O的排放；有研究發現，施用氮肥會使土壤原有有機碳礦化增加20%～98%，但是氮肥與生物質炭配施能使上述不穩定的影響顯著降低6%～19%[74]。

綜上所述，根據茶樹的營養需求和土壤特性，合理選擇和使用肥料，包括合理控制施肥量、選擇合適的肥料種類（如化肥、有機肥、生物肥料等）、施肥方式和施肥時間，同時加強土壤管理，不僅可以提高茶園產量，減少肥料浪費，還可以減少茶園施用化肥對環境產生的負面影響，進而促進茶園生態低碳可持續發展。

2.2.3 栽培方式科學應用

研究發現，科學的栽培方式可以增加茶園土壤的有機質含量，從而促進土壤碳儲存。采用有機肥料、茶樹修剪物還田、綠肥覆蓋等措施可以增加土壤有機質的輸入量，提高土壤碳庫的容量[75]。良好的土壤管理措施可以減少溫室氣體的排放。例如，保持土壤覆蓋、增加有機質含量、提高土壤通氣性等都有助于減少氮素的轉化和N2O的釋放等[76]。另外，茶園采用合適的土壤覆蓋措施，如秸稈覆蓋、草坪覆蓋等，可以減少土壤表面的水分蒸發和土壤侵蝕，有利于保持土壤濕度和土壤有機質的穩定。此外，科學的水肥一體化管理可以提高肥料利用效率，減少養分的損失和土壤碳排放。通過合理的灌溉技術和施肥量控制，可以減少農田排水中的養分流失，降低茶園土壤碳的流失[77]。茶園科學的間作和套作方式在提高土壤中生物多樣性的同時，能有效增加土壤碳庫的穩定性。而不同植物的根系系統和分泌物在一定程度上也可以影響土壤碳的固定和穩定[78]。

綜上所述，科學的栽培方式對茶園土壤碳排放具有顯著影響。通過合理施肥管理、土壤覆蓋、水肥一體化、間作與輪作等措施，可以提高土壤碳儲存能力，減少碳排放，同時促進茶園的可持續發展。但需要注意的是，科學栽培方式的選擇應結合具體的土壤類型、氣候條件和茶樹品種等因素，以實現最佳的碳排放管理效果。茶園科學的栽培方式能在一定程度上保證茶葉產量的同時，還能有效促進茶園土壤碳匯功能的提升。例如，保護性耕作栽培、生態低碳栽培技術的研究與挖掘，能在促進茶葉產量的同時，促進茶園生態系統碳匯功能的增加。

3 小結

立足于“雙碳”目標，從已應用于農林生態系統的土壤固碳減排技術出發，結合茶園生態系統自身的特點，探究挖掘適合茶園土壤的固碳減排技術，如將茶樹修剪物加工制備成生物質炭進行還園，合理選擇和使用肥料，以及科學的栽培方式等，在促進茶樹生長并保證產量的同時，能有效降低茶園土壤溫室氣體排放，增加土壤中有機碳的儲量，從而更好地發揮茶園碳匯功能。