农林土壤固碳减排技术研究进展及其在茶树栽培中的应用潜力

张少博，叶长存，郭帅，吕俊彦,4，陈烨,4，颜鹏，李征珍，李鑫*

1.中国农业科学院茶叶研究所，浙江 杭州 310008；2.玉环市农业农村和水利局，浙江 台州 318000；3.杭州植物园（杭州西湖园林科学研究院），浙江 杭州 310013；4.浙江农林大学，浙江 杭州 311300

研究发现，大气中碳排放的增加是导致全球气候变化的重要原因之一[1-3]。而全球气候变化在一定程度上会对人类的生存环境和可持续发展产生负面影响[4]。减缓大气中碳排放，降低温室气体排放是应对全球气候变化的重要生态任务之一。

陆地生态系统在全球碳平衡中发挥着重要的作用，利用陆地生态系统进行固碳，能在一定程度上减缓全球碳排放[5]。众多研究发现，陆地生态系统因其初级生产力水平很高，具有很大的碳汇功能[6]，在一定条件下可以有效减缓全球气候变化[7-9]。农田生态系统和森林生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，两者具有面积大、碳储量高等特点，在全球生态系统碳循环过程中有着不容忽视的作用[10]。其中农田生态系统作为陆地三大系统之一，占陆地生态系统的38.5%，是碳循环过程最活跃的碳库[11]。森林生态系统贮存了陆地生态系统地上部分有机碳的80%和地下部分的40%，以及全球土壤碳库的73%，每年固碳量约占陆地生态系统的2/3。

农林生态系统碳汇主要包括农林植被碳汇和土壤碳汇两个方面[12-13]。研究发现，增加农林生态系统碳汇功能的主要措施包括降低碳的排放并增加碳的储存。然而，为了提高农林生态系统的生物量与经济效益，长期的集约经营措施，例如翻耕、施肥、砍伐等措施显著降低土壤有机碳储量与碳库稳定性[14-16]，而有机碳的耗竭对于农林生态系统土壤肥力与碳汇功能而言，均具有负面效应。因此，合理科学地应用农林生态系统土壤固碳减排技术，对于增加农林生态系统的碳储量，增强农林生态系统的碳汇能力具有重要的应用价值和指导作用。

1 农林生态系统土壤固碳减排技术研究现状

增加农林生态系统土壤碳汇功能的主要措施包括增加有机碳储量和减少有机碳的分解两个方面[17-18]。目前农林生态系统土壤固碳减排技术主要包括以下几个方面。

1.1 农林废弃物科学还田

农林废弃物科学还田是一种重要的农林生态系统固碳减排技术。它指的是将农林废弃物如秸秆和树枝修剪物等作为有机肥料施入土壤，以增加土壤有机质含量，改善土壤结构，并促进资源的循环利用。以往研究发现，农林废弃物直接还田，能显著增加土壤中有机碳的含量[19-20]。但是农林废弃物直接还田，会出现病虫害传播增加、土壤污染加剧等问题。尤其是农林废弃物直接还田会通过影响土壤养分循环等，对微生物群落结构与组成等产生显著的影响，从而加速土壤有机碳的分解，增加土壤温室气体的排放[21-22]。

与农林废弃物本身相比，其在缺氧或者限氧条件下高温裂解而形成的生物质炭[23-24]，因具有较强的化学稳定性、大孔隙等特点，施入土壤后能够在增加土壤碳库的同时减缓土壤温室气体的排放，已被广泛应用于增加农林生态系统土壤碳库[25-28]。Zhang 等[19]研究发现，与新鲜竹叶添加相比较，竹叶生物质炭添加会显著降低毛竹林土壤有机碳矿化速率，但会增加土壤有机碳储量，而新鲜竹叶添加后的有机碳矿化速率显著高于生物质炭添加。同样，Whitman等[29]的研究也发现，与玉米秸秆添加相比较，玉米秸秆生物炭添加会显著降低土壤有机碳矿化速率。此外，李文杰等[30]发现，虽然环境的复杂性会导致土壤微生物和原有机碳库随着生物质炭施用表现出不同的激发效应，但长期施用生物质炭有利于土壤有机碳储量的增加。

因此，农林废弃物在还田时，将其加工成高温裂解的生物质炭，可以在一定程度上增加农林土壤中碳的储量，又能减少土壤中温室气体的排放，从而增加农林生态系统土壤的碳汇功能。另外，生物质炭添加可以改善土壤物理化学性质，促进农林生态系统中植被生物量的增加，从而促进农林生态系统碳汇功能的增强[31]。

1.2 科学的施肥技术

施用化肥作为增加农林生态系统经济效益的主要措施之一，被广泛应用于农林经营生产中。然而，以往研究发现化肥的使用会显著增加土壤温室气体的排放[32]，Zhang 等[33]研究发现，尿素的添加会显著增加森林土壤CO2的排放量。另外，王晓娇[34]研究表明，施用化肥会显著增加农田土壤的CO2排放量，但从生育期和整年来看，施肥处理条件下土壤CO2排放通量均会随着时间呈先增后降的趋势，而休闲期处理间基本无差异。张俊丽[35]研究发现，旱地玉米土壤施氮后，土壤呼吸速率显著增加，且土壤温度和含水率与土壤的呼吸之间显著相关。此外，氮肥的使用量也会显著影响土壤碳排放。李银坤等[36]通过研究不同氮肥水平下夏玉米农田土壤呼吸动态发现，施氮量的增加会显著增加土壤呼吸速率。此外，尹云锋等[37]的研究结果表明，除了施肥量，施肥种类也会显著影响土壤有机碳储量。

目前，有机肥替代化肥也被越来越多地应用于农林生产中，目前关于有机肥替代化肥的研究也相对较多。孙志朋等[38]研究发现，长期施用有机肥可显著增加土壤有机质含量及有机碳储量，并提升土壤有机碳固存量。而有机肥配施磷肥，以及单施有机肥均可显著提升土壤有机碳储量。另外，Banger 等[39]通过长达16 年的农田野外试验发现，长期施用有机肥会显著增加土壤有机碳含量，促进土壤碳汇能力的提升，尤其是肥力较差的土壤，有机肥施用效果更为显著。此外，丁勇[40]研究发现，深耕和灌溉相结合的施肥技术，可以有效避免土壤肥力降低和有机碳流失。综上，肥料的合理选择，尤其是肥料类型与用量的选择，对于降低土壤碳的损失至关重要。

目前关于不同施肥措施对土壤温室气体排放的问题存在一定的争议。李海波等[41]研究表明，大剂量的肥料施用能显著提高植物生产力，但也会加速土壤碳的流失。这是因为大剂量的肥料输入会给土壤微生物带来丰富的营养底物，促进土壤微生物活性增强，加强土壤呼吸，促进土壤温室气体排放。而丁维军等[42]研究结果表明，施用缓释氮肥能显著降低土壤CO2、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体的排放。目前关于有机肥添加对温室气体排放的影响也存在一定差异。例如，刘英烈[43]研究发现，有机肥添加对稻田土壤CH4排放无显著影响，而Shang 等[44]的研究结果表明，有机肥添加会显著增加土壤CH4排放量。董玉红等[45]的研究表明，有机肥施用到玉米地会抑制CH4的排放，但会增加CO2的排放量。因此，关于有机肥添加对温室气体排放的影响，会因生态系统的差异性、土壤类型等产生显著的差异性，需要进一步研究与探讨。

1.3 科学的栽培管理方式

合理的栽培方式和栽培制度能有效促进土壤碳汇功能的增加。例如有机农业，合理并减少化学农药和化肥的使用，有助于增加土壤有机质的含量，并降低土壤碳的损失。另外，轮作和间作技术的推广与应用，在一定程度上也能够促进土壤碳汇能力的增加。轮作是指在同一块地上依次种植不同的作物[46]，而间作指在同一田地上于同一生长期内，分行或分带相间种植两种或两种以上作物的种植方式[47]。轮作和间作技术可以有效增加土壤中的生物多样性，促进土壤微生物的活动，提高土壤碳汇能力[48]。此外，合理的水土保持措施，如梯田、沟壑治理和植被恢复等，可以减少土壤侵蚀和土壤质量的退化，从而保持土壤的完整性，增加土壤碳储存的稳定性[49]。

保护性耕作是通过少耕、免耕以及地表覆盖秸秆等措施，减少农田水土流失，保护农田生态环境，获得生态、经济和社会效益协调发展的环境友好型耕作模式[50]。Philip 等[51]发现，保护性耕作与传统耕作相比，前者可以显著增加土壤有机碳含量。这与Badagliacca等[52]的研究结果相似，他们的研究结果也指出保护性耕作与传统耕作相比，保护性耕作还可以提高土壤的固碳能力，减少碳排放。同样，李婧妤等[53]研究表明，长期采用少耕、免耕的保护性耕作措施能够显著提高表层土壤有机碳储量，但对深层土壤的碳储量影响并不明显，甚至会减少深层土壤碳含量。

另外，邓悦等[54]研究发现，农膜技术中地膜因阻碍了土壤与大气的循环会导致土壤CO2浓度上升，并且农膜分解会释放大量温室气体，但与免耕技术相结合后将会减少每公顷6 321 kg的碳排放量。此外，田云等[55]研究表明，种植耕作环节技术也会影响土壤温室气体排放，翻耕会破坏土壤结构，影响土壤水稳性团粒结构的形成与稳定性，会使得土壤极易受到侵蚀，从而导致土壤碳的暴露，加快土壤碳的分解速度。

综上，合理的栽培方式与制度，如生态低碳栽培技术的研究与挖掘，对于提升农林生态系统的碳汇功能至关重要。

2 农林生态系统土壤固碳减排技术在茶树栽培中的应用潜力

2.1 茶园固碳减排潜力

茶园生态系统是我国重要的农林生态系统之一，同时兼具生态功能和经济效益[56-57]。目前，全世界有超过62 个国家种植茶树，而我国是世界上茶树种植历史最悠久、茶叶产量最大的国家，现有20 个产茶省区，2022 年全国茶园面积达333.03万hm2[58]，其固碳减排潜力巨大。有研究表明，我国茶园土壤碳储量225.0 亿t，占茶园总碳储量的71.2%[59]。然而，为了提高茶叶的产量，过量的化肥施用、不合理的栽培管理技术等，会显著影响茶园的碳汇功能，降低茶园生态系统在实现碳中和中的作用。

2.2 农林土壤固碳减排技术在茶树栽培中的应用

2.2.1 茶树修剪物科学还园

茶树修剪可以通过解除顶端优势、刺激腋芽萌发，从而提高茶叶产量[60]。同样，茶树修剪物主要由植物的有机质组成，含有丰富的碳元素。将修剪物还园，可以将有机质输入到土壤中，有助于土壤碳库的积累[61]。有机质的输入可以提高土壤的肥力、水分保持能力和微生物活性，对土壤质量的改善有积极的影响[62]。然而，茶树修剪物在土壤中会经历分解过程，其中包含碳的释放。分解过程中，微生物会将修剪物中的有机质分解成CO2，同时也会释放出少量的CH4和N2O[63]。有研究发现，新鲜有机物添加能使土壤中水溶性碳显著增加56.2%～76.4%，但同样会使土壤累积的CO2排放量显著增加122%[19]。因此，修剪物的分解过程会导致一定数量的土壤碳排放。另外，修剪物的分解速率受多个因素的影响，如温度、湿度、土壤pH、微生物群落等。茶园较高的温度和湿度可以加速修剪物的分解，导致更多的碳排放[64]。

茶树修剪物生物质炭，是指茶树修剪物经过热解制得的炭质产物，具有高碳含量和稳定性。首先，茶树修剪物生物质炭具有高碳含量，将其添加至茶园土壤中可以增加土壤有机碳含量，从而增加土壤碳库的储存[65]。生物质炭的高稳定性可以延长其在土壤中的存在时间，有助于长期碳储存。另外，茶树修剪物生物质炭有能力固定土壤中的有机碳，并减少碳的氧化分解。生物质炭具有多孔结构和较大的比表面积，可以吸附和保持土壤中的原有有机碳，防止其被微生物分解释放为CO2。此外，生物质炭能够降低土壤呼吸速率，减少土壤中的CO2排放，有研究表明，添加生物质炭能使土壤中水溶性碳含量显著增加30%左右，但是与直接添加秸秆相比，添加生物质炭能使土壤累积的CO2排放量显著降低80%[19]。这是由于生物质炭的添加改变了土壤微生物群落结构和活性，抑制了土壤中的有机质分解过程[66]。茶树修剪物生物质炭也会对土壤氮循环产生一定的影响[67]。研究发现，生物质炭会通过吸附土壤中活性碳等，从而提高土壤中氮的有效性和保持力，进而减少土壤中N2O的排放[68]。综上，茶树修剪物生物质炭的应用可以有效促进土壤碳储存和减少碳排放。然而，生物质炭的应用效果受到多种因素的影响，如生物质炭的质量、添加量，以及土壤性质等。因此，在茶园管理中，需要进一步研究和实践，以确定最佳的生物质炭应用策略，实现茶树修剪物的有效利用和土壤碳减排。

综上，将茶树修剪物加工制备成生物质炭进行还园，可以在一定程度上增加茶园土壤中碳的储量，又能减缓茶园土壤温室气体的排放，进而增加农林生态系统土壤的碳汇功能。

2.2.2 茶园肥料科学施用

有机无机肥的施用作为提高茶叶产量的主要措施之一，被广泛应用于茶园管理中[69]。然而，为了提高茶叶的产量和经济效益，肥料的过量和不合理利用会通过影响养分有效性和微生物活性等，从而影响土壤中碳的周转速率[70]。

研究发现，茶园肥料类型和用量的选择，在一定程度上会影响茶园土壤碳的排放[71]。茶园化肥施用对温室气体排放的影响主要体现在CO2和N2O的排放上。施用过量的化肥会促进土壤中有机质的分解，从而加速茶园土壤释放更多的CO2。另外，茶园化肥施用还会导致N2O的排放，化肥中的氮元素会在土壤中转化为硝酸盐，硝酸盐的分解过程中会产生N2O[72]。而茶树根系吸收不完全的氮肥也会随着土壤水分的流失进入水体，进而造成水体中的N2O排放。茶园化肥施用对温室气体排放的影响因多种因素而异。过量施肥会导致养分的浪费和土壤中氮元素的积累，进而增加N2O 的排放。因此，合理控制施肥量可以减少温室气体的排放。另外，不同的施肥方式对温室气体排放也会有显著的影响[73]。例如，将化肥分解为小颗粒或加入抑制剂可以减少氮素的损失和N2O的排放；有研究发现，施用氮肥会使土壤原有有机碳矿化增加20%～98%，但是氮肥与生物质炭配施能使上述不稳定的影响显著降低6%～19%[74]。

综上所述，根据茶树的营养需求和土壤特性，合理选择和使用肥料，包括合理控制施肥量、选择合适的肥料种类（如化肥、有机肥、生物肥料等）、施肥方式和施肥时间，同时加强土壤管理，不仅可以提高茶园产量，减少肥料浪费，还可以减少茶园施用化肥对环境产生的负面影响，进而促进茶园生态低碳可持续发展。

2.2.3 栽培方式科学应用

研究发现，科学的栽培方式可以增加茶园土壤的有机质含量，从而促进土壤碳储存。采用有机肥料、茶树修剪物还田、绿肥覆盖等措施可以增加土壤有机质的输入量，提高土壤碳库的容量[75]。良好的土壤管理措施可以减少温室气体的排放。例如，保持土壤覆盖、增加有机质含量、提高土壤通气性等都有助于减少氮素的转化和N2O的释放等[76]。另外，茶园采用合适的土壤覆盖措施，如秸秆覆盖、草坪覆盖等，可以减少土壤表面的水分蒸发和土壤侵蚀，有利于保持土壤湿度和土壤有机质的稳定。此外，科学的水肥一体化管理可以提高肥料利用效率，减少养分的损失和土壤碳排放。通过合理的灌溉技术和施肥量控制，可以减少农田排水中的养分流失，降低茶园土壤碳的流失[77]。茶园科学的间作和套作方式在提高土壤中生物多样性的同时，能有效增加土壤碳库的稳定性。而不同植物的根系系统和分泌物在一定程度上也可以影响土壤碳的固定和稳定[78]。

综上所述，科学的栽培方式对茶园土壤碳排放具有显著影响。通过合理施肥管理、土壤覆盖、水肥一体化、间作与轮作等措施，可以提高土壤碳储存能力，减少碳排放，同时促进茶园的可持续发展。但需要注意的是，科学栽培方式的选择应结合具体的土壤类型、气候条件和茶树品种等因素，以实现最佳的碳排放管理效果。茶园科学的栽培方式能在一定程度上保证茶叶产量的同时，还能有效促进茶园土壤碳汇功能的提升。例如，保护性耕作栽培、生态低碳栽培技术的研究与挖掘，能在促进茶叶产量的同时，促进茶园生态系统碳汇功能的增加。

3 小结

立足于“双碳”目标，从已应用于农林生态系统的土壤固碳减排技术出发，结合茶园生态系统自身的特点，探究挖掘适合茶园土壤的固碳减排技术，如将茶树修剪物加工制备成生物质炭进行还园，合理选择和使用肥料，以及科学的栽培方式等，在促进茶树生长并保证产量的同时，能有效降低茶园土壤温室气体排放，增加土壤中有机碳的储量，从而更好地发挥茶园碳汇功能。