湖南是双季稻主产区，在保障我国粮食安全中起着举足轻重的作用^[1]。水稻种植会产生丰富的秸秆资源，秸秆中含有大量作物生长所需的养分^[2]，还田后在土壤中腐解，可以提高土壤肥力，同时节约资源，降低成本^[3-4]。然而秸秆还田在提升土壤碳汇功能的同时，也可能显著增加稻田温室气体的排放^[5]。戴相林等^[6]指出，秸秆还田在短期内会显著增加CH₄排放；黄琼等^[7]通过多年定位试验进一步发现，CH₄排放量随秸秆还田量的增加呈线性上升趋势。柴凯斌^[8]则认为，秸秆还田对温室气体排放的影响具有阈值效应，当还田量超过一定程度后，排放增加趋于平稳。无论是秸秆直接还田，还是配施腐熟剂处理，均会导致CH₄排放水平高于秸秆不还田处理，但将秸秆进行处理后再还田能够有效降低CH₄排放量。

近年来，由秸秆制成的生物炭在促进作物生长和固碳减排方面表现出一定的潜力。赵炎等^[9]研究表明，与秸秆不还田相比，秸秆炭化处理的CH₄累积排放量降低了38.21%。生物炭具有高有机碳含量和高孔隙度等特征，能够降低稻田土壤容重，改善土壤环境，提升土壤的固碳能力^[10]。且与直接还田相比，炭化处理更有助于在固碳的同时抑制温室气体排放，体现出更优的减排协同效应。虽然秸秆还田在一定程度上可通过微生物分解增加土壤碳库输入，从而提升固碳潜力^[3]，但其所引发的温室气体排放可能抵消甚至超过其固碳贡献。逯非等^[11]研究表明，我国稻田因秸秆还田所引起的温室气体增排潜力是其固碳潜力的2.2倍，说明秸秆还田在温室气体减排与碳汇提升之间仍存在较大矛盾。

秸秆还田是秸秆资源利用的重要方式之一，合理利用秸秆是农业生态系统中的资源循环利用的重要措施。目前，对于秸秆还田的研究较多，但集中于秸秆腐解进程以及不同秸秆还田量对土壤肥力和作物产量的影响，固碳减排协同的研究较少。综上，本研究采用大田定位试验，分析比较不同的秸秆还田方式对土壤固碳量和CH₄排放强度的影响差异，以期揭示不同还田方式对土壤环境、稻田温室气体排放和水稻产量的影响，为水稻丰产与CH₄减排协同提供理论依据。

试验于湖南岳阳市农业科学研究院科研试验场（29°5′ N，113°2′ E）进行，该地属于亚热带大陆性季风湿润气候，年均降水量1304.42 mm，年均气温17.54 ℃，年无霜期296 d，年日照时数1690.63 h。定位试验于2022年开始，耕层土壤理化性质为土壤容重1.26 g/cm³、pH 6.76、有机质22.81 g/kg、全氮1.35 g/kg、全磷0.54 g/kg、全钾14.50 g/kg。

供试早稻品种为湘早籼45号，为常规稻；供试晚稻品种为盛泰优9712，为三系杂交水稻。采用随机区组设计，设5个双季稻秸秆还田处理（表1），分别为秸秆不还田（CK）、秸秆烧灰还田（T1）、秸秆炭化还田（T2）、秸秆减量还田（T3）和秸秆全量还田（T4），每个处理3次重复，小区面积35 m²，总面积525 m²。试验小区采用旋耕方式进行土地平整，四周筑小田埂，并用塑料薄膜包覆，各小区单独排灌，防止肥、水相互渗透。其中T1处理为双季稻收获后秸秆均匀洒至田间晾晒2 d后原位焚烧；T2处理供试生物炭为稻壳经过600 ℃热裂解烧制而成，施用量参考秸秆出炭率30%左右^[12]；T3处理为20 cm留桩后还田，还田量按水稻成熟期20 cm留桩干物质量计算；T4处理为将秸秆粉碎至5~10 cm长度后还田。

早稻插植密度为17 cm×20 cm，晚稻插植密度为20 cm×20 cm。移栽前保持1~2 cm浅水，在移栽后返青前，小区保持3~4 cm水层，2周左右促分蘖，待每蔸水稻的分蘖数达15~20时，停止灌水，开始晒田，保持干湿交替。肥料采用总养分含量≥45%（N-P₂O₅-K₂O=15-15-15）三元复合肥，各处理施肥量一致，双季稻按照5:2:3的比例作基肥、分蘖肥和穗肥施用，早稻的施肥量折合纯N 150 kg/hm²、P₂O₅ 150 kg/hm²和K₂O 150 kg/hm²。晚稻的施肥量折合纯N 120 kg/hm²、P₂O₅ 120 kg/hm²和K₂O120 kg/hm²。全生育期严格控制病虫草害。

早稻移栽前及晚稻收获后各小区采用“S”形取样法取0~30 cm耕作层土壤，每小区各取5个点。采用环刀法（高10 cm，直径5 cm）取样测定土壤容重与孔隙度。通过“五点法”在水稻分蘖期、齐穗期及成熟期用内径为5 cm的土钻取深度为0~10 cm的土样混合，并挑出砾石、侵入体和植物残根等，放置在阴凉处自然风干后带回实验室备用。具体计算参照鲍士旦^[13]的方法。采用重铬酸钾高温氧化法^[14]测定土壤有机碳含量。

利用分离式静态箱−气相色谱法采集与测定CH₄。该分离式静态箱由底座和箱体组成，在水稻移栽前将底座置于大田，底座内外围边长为50 cm，以2穴×3穴规格在底座内栽水稻。取样箱体由不锈钢制成，长×宽×高为50 cm× 50 cm×120 cm，外用铝箔纸隔热减小外界温度影响，在箱体侧面中心有2个直径22.5 mm的圆孔，用于抽取气体以及测量取样时箱内温度。为使取气整体装置不漏气需将稻田里底座的凹槽（高5 cm）加水密封，将箱体直接放置底座上，本试验在水稻移栽后7 d开始取样，每次取样间隔1周，取样时间为每日上午8:00−11:00，于装置组成后的第0、10、20和30 min分别用外接三通阀的20 mL聚乙烯注射器收集空气，并同时记录箱内温度。

于早、晚稻成熟期各小区割取5 m²，单独收获后晒干称重计算实产。

土壤容重=烘干土重/土壤体积；土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/ 2.65）×100；

式中，SOC为土壤有机碳含量（g/kg）；BD为土壤容重（g/cm³）；A为稻田面积（m²）；H为耕层深度，本研究取0.1 m；Y为年份。

式中，DSOCP为收获时与种植前稻田土壤碳库之差（kg）。

式中，MCSP为稻田秸秆还田后土壤固碳对减缓全球变暖的贡献（kg CO₂ eq/hm²）^[11]。

式中，GWP为秸秆还田后稻田增排的综合温室效应^[11]。

式中，ρ为标准状况下CH₄-C密度，dc/dt为单位时间内气体浓度变化率；T为气箱内平均温度（℃）。

式中，C为采气期CH₄的累积排放量（kg CO₂ eq/hm²），F_i、F_i+1分别表示第i次、第i+1次气体样品排放通量；d为前后2次气体测定相隔天数（d）；n为气体监测总次数。

综合CO₂排放当量：以CO₂当量CH₄排放量，100a的影响尺度上1 kg CH₄排放当量为1 kg CO₂的25倍，单位为kg CO₂ eq/hm²。

稻田温室效应（GWP）=25×CE(CH₄)，式中，25为在过去的100a增温尺度，CE(CH₄)为CH₄的增温系数^[15]。

温室气体排放强度（GHGI，kg CO₂ eq/hm²）= GWP/Y，式中，Y为作物籽粒产量^[15]。

净全球增温潜势（NGWP，kg CO₂ eq/hm²）= GWP-MSCP^[16]。

采用Microsoft Excel 2021对数据进行归类整理与作图，采用Statistix 8.0软件进行方差分析，采用最小显著差法进行显著性检验，使用OriginPro 2021作图。

由表2可知，处理与年际间交互作用对0~10 cm土层土壤容重与孔隙度影响不显著。2023年在0~10 cm土层深度，T1处理的土壤容重最高，T4处理明显低于其他处理，降幅在2.50%~9.40%；T2处理土壤孔隙度较CK和T1处理显著增加，T3与T4处理的土壤孔隙度较CK处理显著增加。2024年早稻移栽前在0~10 cm土层深度，T4处理土壤容重较CK处理显著降低了7.66%；T3处理土壤孔隙度在双季稻移栽前与收获后中均表现出较高水平。2024年，0~10 cm土层深度收获后较移栽前各处理土壤容重提高了0.18%~10.55%，T3处理的土壤容重显著低于其他处理。

各处理间固碳量排序为T4>T3>T2>T1>CK，CK处理土壤固碳速率最差，固碳量为-27.28 kg/hm²，T4处理土壤固碳速率最好，固碳量为604.65 kg/hm²。随年际间碳库变化趋势的斜率（图1）可知，秸秆还田处理的差异对碳库的提升效果不同，除CK处理外，其他处理影响显著，说明影响土壤固碳量增加的因素中，秸秆施用量是主要因素，其中对土壤碳库影响最大的因素是秸秆焚烧。

由图2所知，在不同的秸秆还田处理方式下，CH₄的排放动态存在差异。2023年早稻季和2024年早稻季有2个排放峰值，均为分蘖期和齐穗期；2023年晚稻季和2024年晚稻季有1个排放峰值，在分蘖期。2年内排放峰值变化不大，晚稻季的CH₄排放通量高于早稻季。其中T4处理的排放峰值在早晚稻季均最高，排放通量范围在28.02~51.60 mg/(m²·h)。双季稻秸秆还田处理与秸秆不还田处理的排放通量变化范围分别是0.04~30.50 mg/(m²·h)和0.01~51.60 mg/(m²·h)。

由图3和表3可知，不同的秸秆还田处理对CH₄累积排放量产生显著影响，在早稻季处理和年份存在交互作用，对晚稻季和周年CH₄累积排放量而言这种交互作用不显著。2023年早稻季中，与CK处理相比，T3和T4处理的CH₄累积排放量分别提高了4.15%和39.74%，T1和T2处理分别降低了18.89%和24.89%。2023年晚稻季中，与CK处理相比，T3和T4处理的CH₄累积排放量分别提高了85.67%和129.22%，T1和T2处理分别降低了12.10%和14.40%。2024年早稻季中，与CK处理相比，T3和T4处理的CH₄累积排放量分别提高了34.09%和51.90%，T1和T2处理分别降低了7.40%和37.20%。2024年晚稻季中，与CK处理相比，T3和T4处理的CH₄累积排放量分别提高了116.80%和120.55%。T4处理的CH₄累积排放总量是T3处理的1.16倍。4个水稻季中，T2处理的CH₄累积排放量最低，为364.88 kg/hm²。

由表4和图4可知，不同的秸秆还田处理对周年水稻产量产生显著影响，在早稻季处理和年份存在交互作用，对晚稻季和周年水稻产量而言这种交互作用不显著。2023年两季中，除T4处理产量低于CK处理外，秸秆还田处理下产量均高于秸秆不还田处理；2024年两季中，T4处理产量较2023年有所提升，秸秆还田处理下产量均高于秸秆不还田处理。所有处理均未对产量造成不良影响。

由表5可知，2年试验中，与CK处理相比，T1和T2处理GWP显著降低，T4处理的GWP高于T3处理，差异显著。2023年早稻季中T2处理下GHGI最低，显著低于CK和T3处理，晚稻季中T1处理下GHGI最低，显著低于T4处理；2024年早晚稻季中T2处理下GHGI最低，显著低于其他处理。综合来看，T1与T2处理会降低GWP和GHGI，T3与T4处理会增加稻田GWP和GHGI。

由表6可知，除2024年T2处理下增排温室气体的GWP小于土壤固碳效益外，各秸秆还田处理增排温室气体的GWP均可完全抵消秸秆还田在土壤中的固碳减排效益，减缓效益抵消率在125.30%~391.19%。且2年间T1和T2处理的RMO均低于T3和T4处理。2024年T2、T3和T4处理的RMO较2023年分别降低了63.09%、75.45%和110.61%。与CK处理相比，2年间除T2处理外其他处理的NGWP变化趋势一致，T2处理由于生物炭的多孔结构可通过物理吸附作用截留CH₄，减少了CH₄的排放，从而降低了NGWP。

秸秆还田能提升稻田土壤的碳汇功能。双季稻秸秆还田后，土壤容重较不还田处理显著下降，不同秸秆处理对土壤容重的影响不同，T4处理土壤容重显著高于其他处理，但其他各处理间差异不显著，秸秆还田处理较不还田处理的土壤孔隙度显著增大，与前人^[17]研究结果一致。本研究结果表明，T3和T4处理的固碳量均高于其他处理，这可能是由于秸秆直接还田归还了秸秆量，在短期内提供更多的有机碳源，从而在固碳能力上表现更为显著。但二者固碳量接近，原因可能是减量还田处理中根部留茬20 cm的秸秆还田效率高。

稻田的RMO是增排的GWP与MSCP的比值，本试验中，对比土壤温室气体碳排和碳汇的数值结果，土壤固碳并未完全抵消碳排，2023和2024年各处理的RMO均高于100%，但2024年T2和T4处理RMO均显著下降，改善了秸秆分解条件，促进了更多的土壤固碳量并减少了GWP，但增排的稻田温室效应未完全抵消土壤固碳减排效益。这与陈丽明^[18]的研究结果一致，秸秆生物炭还田在固碳方面表现出色，甚至优于传统的秸秆还田方式，本研究条件下2年间T2处理的RMO均小于其他秸秆直接还田处理，与前人^[19]结果相同。本试验中，秸秆直接还田处理会促进土壤CH₄的排放，引起NGWP增加^[20]，秸秆间接还田处理中的T2处理因施用生物炭，其发达的孔隙结构和更多的稳定碳有助于减少土壤中厌氧微环境的形成，从而进一步抑制产甲烷菌的活性，在第2年实现NGWP显著下降（1209.49 kg CO₂ eq/hm²），固碳―减排协同性提升。本研究用RMO和NGWP来衡量土壤固碳和甲烷减排能力，均显示T2处理对土壤的固碳减排有良好效果，但数据仅有2年，还需多年监测证实其对土壤固碳减排的影响。

本研究条件下，早稻全生育期出现2个排放峰值，在移栽后7 d出现第1个排放峰值，移栽后21 d出现第2个排放峰值，与吴健成等^[21]研究结果一致。不同的秸秆处理方式对CH₄累积排放量有显著影响，秸秆直接还田处理的CH₄累积排放量显著高于其他处理，原因可能是秸秆还田初期，秸秆和淹水的存在会迅速激发CH₄产生菌的生长，导致CH₄排放量增加。有研究^[22]显示随着秸秆还田量增加，CH₄排放量也可能随之增加，本研究中T3处理的CH₄累积排放量低于秸秆全量还田处理，这与前人^[23]研究一致。Qian等^[24]研究发现，在CO₂浓度升高的条件下，随着秸秆还田年限的延长，稻田CH₄排放有降低的趋势，但在本研究条件下，第2年秸秆还田处理的CH₄累积排放量高于第1年，这可能是还田年限短的原因。陈立天等^[19]研究表明，施加生物炭可改善稻田土壤通透性，在缺氧条件下增加甲烷氧化菌丰度并降低产甲烷菌与甲烷氧化菌丰度的比率，在一定程度上可抑制CH₄排放，与本文研究结果一致。目前，关于秸秆烧灰还田下CH₄排放通量的研究较少，在本研究条件下，T1处理的CH₄累积排放量与CK处理相比有所降低，这可能与产甲烷菌的丰度有关，但具体原因有待进一步研究。

合理施用生物炭及秸秆焚烧可降低稻田温室效应。本研究条件下，T1与T2处理的GWP显著低于秸秆直接还田处理，不同的秸秆还田方式对于温室气体排放和农作物产量的影响存在差异，使得GHGI也产生差异，本研究中T1与T2处理的GHGI显著低于秸秆直接还田处理。我国的人口和资源现状决定了稻田CH₄减排技术创新必须以水稻丰产为前提，T1和T2处理下，产量均保持在较高水平，可见T1和T2处理在平衡经济和环境效益中具有一定的优势。本文通过构建GHGI、RMO以及NGWP的评价模型，量化不同还田方式的生态经济阈值，阐明了秸秆还田方式对稻田多界面过程的调控机制，为农业绿色低碳发展提供了理论依据与技术选择框架。

T1和T2处理均降低了稻田CH₄累积排放量、GWP和GHGI，且对产量无显著不良影响。T2、T3和T4处理秸秆固碳能力较高，有助于RMO的降低。T2处理在第2年实现NGWP显著下降，固碳―减排协同性提升；T4处理增加了土壤固碳量，有机碳是产生CH₄的重要底物，增加CH₄排放从而增加了NGWP。尽管秸秆直接还田刺激了土壤温室气体排放，但通过增加土壤有机碳固存和提高籽粒产量，在一定程度上缓解了气候变化的负面影响。因此，在温室气体减排优先区域推荐T2处理，在土壤修复与固碳优先区域推荐T4处理。