稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的碳氮效應(yīng)及其循環(huán)特征

許國春　劉欣　王強(qiáng)盛　甄若宏　鄭建初

摘要：稻田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其碳氮吸收轉(zhuǎn)化對全球碳氮循環(huán)具有不可忽視的作用。稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)由于鴨在稻田營養(yǎng)和時空生態(tài)位的添加，使稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)更趨于復(fù)雜化、穩(wěn)定性和可控性。在概述稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)特征的基礎(chǔ)上，闡明稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的固碳效益和氮素利用效率，對稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)的碳氮代謝及高效利用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：稻鴨共作；碳氮循環(huán)特征；氮素利用；生態(tài)系統(tǒng)；固碳效益

中圖分類號： S181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0393-04

工業(yè)革命以來，由于化工、石油等燃料大量使用、森林與草地過度開墾等原因，造成溫室氣體特別是CO2濃度劇增，地球溫室效應(yīng)增加，導(dǎo)致長期的全球氣候變化[1-2]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為溫室氣體的重要排放源，再加上人口快速增長帶來的糧食需求大量增加，使未來20年農(nóng)田溫室氣體的排放量將有所增加[3]。中國是全球水稻播種面積第二大國和世界最大的稻米生產(chǎn)國，面臨稻田溫室氣體增排而導(dǎo)致全球溫度升高的嚴(yán)峻形勢。

水稻土是有機(jī)碳含量水平較高、當(dāng)前固碳趨勢明顯且固碳潛力較大的特色耕作土壤[4]。稻田農(nóng)業(yè)固碳與碳循環(huán)研究和整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。氮肥是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)人為投入量最大的農(nóng)用化學(xué)品，稻田氮素污染主要包括徑流污染、氣態(tài)污染、滲漏污染等。由于氮污染具有發(fā)生時間的隨機(jī)性、發(fā)生方式的間歇性、機(jī)理過程的復(fù)雜性、排放途徑及排放量的不確定性、污染負(fù)荷時空變異性和監(jiān)測與控制的困難性等特點[5]，進(jìn)入環(huán)境的氮影響了社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人類健康[6]，生態(tài)系統(tǒng)功能被削弱，流域水環(huán)境和水資源嚴(yán)重惡化，造成水體的富營養(yǎng)化。稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)作為一項種養(yǎng)結(jié)合、降本增效的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有刺激水稻生長、促進(jìn)養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的作用[7]，本研究在概述稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)特征的基礎(chǔ)上，闡明稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的固碳效益和氮素利用效率，以更好地提高稻鴨共作生態(tài)技術(shù)在稻田固氮減排及養(yǎng)分循環(huán)利用上的應(yīng)用效果。

1 稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)特征

1.1 碳循環(huán)特征

碳是地球上生命有機(jī)體的關(guān)鍵成分，以二氧化碳、碳酸鹽及有機(jī)化合物等多種形式在環(huán)境中存在，碳循環(huán)是生物圈健康發(fā)展的重要標(biāo)志[8]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)作物通過光合作用從大氣中吸收二氧化碳并固定在作物體內(nèi)，作物生長期間的凋落物、收獲后的秸稈、根茬及根系釋放的有機(jī)物質(zhì)可以向土壤輸入有機(jī)碳，有機(jī)肥和化肥中的碳量也是土壤碳的重要來源。作物和土壤通過呼吸作用向大氣轉(zhuǎn)移碳量，碳素還可沿著食物鏈流向家禽、家畜和人類，并通過人畜糞便及殘留物重新進(jìn)入系統(tǒng)[9]。

稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的碳素循環(huán)發(fā)生在水稻-鴨-土壤（含水體層） 界面下（圖1），受施肥制度、飼料、灌溉水等田間管理因素影響，并受到人為的補(bǔ)給和控制[10]。鴨的介入及其田間活動如喂食飼料、吃食雜草及害蟲、排泄糞便、鴨的呼吸等，影響整個稻田系統(tǒng)的碳循環(huán)。有研究表明，稻鴨共作對雜草的防除效應(yīng)達(dá)到96.1%，對稻飛虱的綜合防效達(dá)到65.49%[11]。

1.2 氮循環(huán)特征

氮是作物生長發(fā)育最重要的元素之一，其循環(huán)路徑和利用效率對提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有著十分重要的作用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，氮素的輸入主要有大氣氮沉降、肥料氮素、生物固氮、秸稈還田等[12]，而氮素?fù)p失途徑主要有NH3揮發(fā)、細(xì)菌反硝化作用、淋溶、土壤侵蝕、動物取走及NO2-的化學(xué)反應(yīng)等（圖1）。在長期穩(wěn)定的自然稻田土壤中，氮素的輸入和輸出通常處于平衡狀態(tài)[13]。

稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，鴨在田間留下的糞便是一個不可忽視的氮素輸入源，整個水稻生長季節(jié)鴨糞的歸還量可達(dá)140.10 kg/hm2[10]。此外，鴨的田間活動抑制了田間雜草的生長，減少了雜草和其他微生物對土壤和水體氮的吸收。有研究表明，稻鴨共作能提高拔節(jié)前氮素基蘗肥和當(dāng)季氮肥的利用率，從而提高水稻的吸氮量，稻鴨共作使水稻有效分蘗臨界葉齡期前、抽穗期至成熟期吸氮量和總吸氮量在無氮情況下分別增加0.98、2.85、9.10 kg/hm2，在常規(guī)施氮情況下分別增加4.21、5.00、5.40 kg/hm2，這可能與鴨的活動促進(jìn)土壤養(yǎng)分活化有關(guān)[14-15]。

2 固碳效益

2.1 常規(guī)稻田

CO2、CH4和N2O是農(nóng)田3種溫室氣體的重要排放源，其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的CH4和N2O分別占人為排放總量的50%和60%[16]。不合理的農(nóng)田管理措施會強(qiáng)化農(nóng)田溫室氣體排放源特征，弱化農(nóng)田固碳作用。土壤碳庫作為地球生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫之一，同時也是溫室氣體重要的排放源[17]，孫國鋒等研究認(rèn)為，采用豬糞、沼液替代化肥措施均不同程度地提高了土壤碳庫管理指數(shù)，對改善稻麥兩熟制農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量有重要作用[18]。李成芳等研究表明，秸稈還田顯著提高CO2和N2O排放、降低CH4排放，顯著提高了土壤的有機(jī)碳含量，從而有效提高了稻田土壤碳固定，對溫室氣體增排的溫室效應(yīng)有抵消作用[19]。逯非等試驗表明，稻秸稈還田引起甲烷增排3.318 Tg/年，全球增溫潛勢達(dá)82.95 Tg CO2-eqv/年，為土壤固碳減排潛力的2.16倍[20]。秸稈還田提高了稻田土壤的固碳效率，但也可能引起甲烷增排。

稻田生態(tài)系統(tǒng)在采用一定的農(nóng)業(yè)管理措施后，土壤有機(jī)碳將在一定時期內(nèi)建立新的平衡[21]，達(dá)到新平衡需要的時間即為固碳持續(xù)時間[22]。朱利群等研究認(rèn)為，有機(jī)無機(jī)配施和單施有機(jī)肥顯著增加表土的固碳持續(xù)時間[23]；袁紅朝等研究認(rèn)為，長期施肥對土壤固碳細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性及數(shù)量有顯著影響，施肥使固碳細(xì)菌cbbL基因數(shù)量增加，從而增強(qiáng)了卡爾文循環(huán)的第一步CO2固定反應(yīng)[24]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳的積累還往往伴隨著氮素的積累[25]。周萍等通過長期試驗發(fā)現(xiàn)，施肥條件下土壤固碳能有效促進(jìn)單位質(zhì)量氮素的農(nóng)學(xué)效率，土壤固碳與氮素利用之間存在著明顯的碳-氮耦合效應(yīng)[26]。endprint

2.2 稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)

有研究表明，在晚稻整個生育期，稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)對稻田CH4排放的控制效果明顯，分別比免耕不養(yǎng)鴨稻田、翻耕不養(yǎng)鴨稻田的CH4排放量減少3.373、5.590 g/m2[27]。展茗等的試驗結(jié)果表明，在整個生育期，稻田養(yǎng)鴨比不放鴨稻田的CH4排放量顯著降低19.3%，但養(yǎng)鴨稻田的CO2排放量提高11.4%[28]。蔡祖沖等研究指出，稻田養(yǎng)鴨CH4排放降低21%～30%、CO2排放提高6.5%～10%，但基于兩者釋放量的溫室效應(yīng)計算，稻田養(yǎng)鴨能有效降低土壤碳排放，養(yǎng)鴨處理溫室潛能為1 427 kg CO2/hm2，低于不養(yǎng)鴨處理的1 684 kg CO2/hm2；稻田養(yǎng)鴨促進(jìn)了水稻的光合作用，水稻產(chǎn)量提高[29]。稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)提高了大氣碳固定，促進(jìn)了水稻植株的固碳能力，表現(xiàn)為大氣碳“匯”，這與張帆等的研究結(jié)論[10]較為相似。

稻田養(yǎng)鴨生態(tài)系統(tǒng)中，鴨大量覓食田間雜草和浮游生物，可避免因雜草和浮游生物呼吸作用對水體溶氧的消耗，水體溶解氧增加，甲烷氧化菌的活性提高，甲烷菌的生長活性受到抑制，促使土壤產(chǎn)生的甲烷更多在田間水中被氧化，從而降低了甲烷的排放量。同時，鴨的游動和覓食攪動了表層土壤，使土壤與大氣的交換頻率加快，增加了田泥和氧氣的接觸機(jī)會，改善了土壤的氧化還原狀況。與常規(guī)稻作相比，稻鴨共作系統(tǒng)的水稻根系活力、根系總吸收面積和活躍吸收面積分別增加4.76%～72.54%、9.16%～32. 07%和0.93%～55.31%[30]；王強(qiáng)盛等研究表明，稻鴨共作提高了水稻深層根系比例和根系活力，黑根比例降低了16.63%[31]。水稻根系活力的提高有利于加快根系泌氧速率[32]，增加根區(qū)氧濃度，刺激甲烷氧化菌生長[33]，加速甲烷氧化，使甲烷排放減少。

3 氮素利用

3.1 常規(guī)稻田

氮素流失、氨揮發(fā)和氮素利用率一直是稻田氮素研究關(guān)注的重點和熱點。有關(guān)稻田氮素的流失研究，邱衛(wèi)國等通過測坑定位試驗研究表明，稻田氮素滲漏流失以NO3--N為主，使用有機(jī)肥替代化肥可減少稻田氮素滲漏流失量，在化肥用量減少20%～30%的情況下，氮素滲漏流失量可以減少19.43%～25.91%[34]；郭智等試驗表明，秸稈還田能降低侵蝕泥沙全氮和速效氮的平均濃度[35]；李妍等通過秸稈掩埋深度和埋草量試驗顯示，埋草深度35 cm、埋草量5 kg/m2可以顯著降低稻田滲漏液的流失[36]。因此，適宜的秸稈還田量和還田深度能夠減少氮素的淋失，減輕環(huán)境污染。有關(guān)稻田氨揮發(fā)的研究，主要涉及溫度、濕度、光照、風(fēng)速等氣候條件、土壤性質(zhì)、種植方式及化肥類型、用量等。彭世彰等試驗表明，控制灌溉與淹水灌溉稻田氨的揮發(fā)量以純氮計分別為125.27、145.64 kg/hm2，分別占稻季施氮量的31.06%、36.11%[37]；李菊梅等試驗表明，單施尿素的稻田氨揮發(fā)損失達(dá)37.8%，而單施有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)肥各半配合施用的稻田，氨揮發(fā)分別為0.7%～1.0%、7.2%～18.2%[38]。對于稻田氮素利用率，朱兆良指出，中國稻田碳銨氮素吸收利用率低于30%，尿素為30%～40%[39]；張福鎖等通過稻田大量試驗發(fā)現(xiàn)，水稻的氮肥農(nóng)學(xué)效率為10.4 kg/kg，氮肥利用率為28.3%[40]，低于Cassman等水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率為15～18 kg/kg的報道[41]。劉立軍等研究表明，土壤背景氮過高是水稻氮肥利用率下降的重要原因[42]。為提高稻田氮肥利用率，近期一些新產(chǎn)品、新技術(shù)和新方法不斷在探索和實踐，如控釋肥、緩效肥和改性尿素的使用，定量施肥、配方施肥等。

3.2 稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)

稻鴨共作由于鴨的引入，使稻田形成一個復(fù)合種養(yǎng)的生態(tài)系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)具有更好的次級生產(chǎn)力，鴨的日?；顒优c排泄等行為使系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)氮的投入與產(chǎn)出也發(fā)生改變。在氮輸入方面，除靠化學(xué)肥料和灌溉水外，稻鴨共作系統(tǒng)因有次級生產(chǎn)鴨的引入，氮還可通過飼料和鴨糞歸還給土壤，在稻鴨共作系統(tǒng)中，化學(xué)氮的輸入占43.29%，飼料氮占38.74%；在氮輸出方面，稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)除籽粒與秸稈外，還通過鴨產(chǎn)品輸出氮，占據(jù)氮輸出的15.62%[43]。余翔等通過田間試驗分析稻鴨共作、常規(guī)栽培和淹灌單作3種稻作方式的稻田氮素滲漏和徑流特征，結(jié)果表明，在氮素輸入方面，稻鴨共作系統(tǒng)以鴨糞的形式增加了13.2 kg/hm2的氮素投入，田間施氮量比常規(guī)栽培減少12.8 kg/hm2；在氮素輸出方面，稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)比常規(guī)栽培減少了19.3 kg/hm2的氮素徑流損失和1.2 kg/hm2的氮素滲漏損失，增加約9.3 kg/hm2的水稻吸氮量[14]。李成芳等研究表明，與常規(guī)稻作相比，稻鴨共作稻田土壤、田面水全氮含量增加，土壤、田面水NH+4含量和水稻含氮量顯著提高，而土壤、田面水NO3-含量無明顯變化，水稻總吸氮量極顯著提高，高于常規(guī)稻作17.8%[44]。稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)提高水稻群體氮素的吸收利用，一方面是由于鴨的存在抑制了稻田水生生物水藻的生長，減少了其對土壤和水體氮的吸收，從而提高了有效肥力供應(yīng)；另一方面是鴨的田間活動和刺激作用提高了水稻的根系活力，減緩了水稻生育后期根系活躍吸收面積下降速度[30，45-47]。

4 展望

碳氮循環(huán)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最基本的生態(tài)過程，人為因素和自然變遷的強(qiáng)烈影響，對調(diào)節(jié)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、穩(wěn)定性、持續(xù)性及環(huán)境效應(yīng)作用巨大，種植措施、土壤性質(zhì)、氣候變化等對作物-土壤-大氣碳氮循環(huán)具有明顯的調(diào)控作用。稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)由于鴨在時間和空間上生態(tài)位的增加，使稻作系統(tǒng)碳氮循環(huán)更加優(yōu)化、更具可控性。首先，在稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，鴨的活動增加了田間水的溶氧量，加速根系泌氧，促使甲烷氧化菌活性提高，抑制甲烷的排放，其溫室潛能低于常規(guī)稻田；其次，稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的氮素利用率較高，鴨糞氮的還田，減少了化學(xué)氮的使用量，并在一定程度上減少了氮素的徑流、滲漏損失，提高了水稻的吸氮能力。因此，稻鴨種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)改善了常規(guī)稻田存在的不足，優(yōu)化了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了農(nóng)田生態(tài)效率。endprint

面對當(dāng)前越來越突出的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題，結(jié)合稻田碳氮循環(huán)途徑，稻鴨共作生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展亟需開展多維的集成研究與應(yīng)用。秸稈還田作為近年來重點關(guān)注和廣泛推廣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，不僅減少了直接燃燒造成的CO2增排，而且改變了稻田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫和碳氮循環(huán)。秸稈還田雖增加了稻田甲烷的排放，但與機(jī)械化耕種、稻鴨共作有效銜接，可加速秸稈腐解，適度控制了溫室氣體排放。增強(qiáng)土壤的碳“匯”特征，還需在土壤質(zhì)地、還田方式及種植模式等方面深入研究。微生物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮轉(zhuǎn)化途徑的主要驅(qū)動因子，是稻田有機(jī)碳氮和無機(jī)碳氮之間轉(zhuǎn)換的樞紐，微生物群體在稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)中如何影響稻田生態(tài)過程的群落結(jié)構(gòu)、多樣性組成、時空分布特征及分子作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。目前，稻田氮素投入量大而利用效率低，氮素的徑流損失與滲漏更引發(fā)了水體富營養(yǎng)化，帶來一系列環(huán)境問題，稻鴨共作生態(tài)農(nóng)業(yè)具有節(jié)氮增效的作用，但如何更好地與生物肥料、緩效肥料、改性肥料和有機(jī)肥料的高效耦合及運(yùn)籌管理，減少稻田生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)氮的過度依賴、維持稻作系統(tǒng)的生態(tài)健康需重點研究。

總之，稻鴨種養(yǎng)生態(tài)農(nóng)業(yè)在稻田碳氮循環(huán)的高效利用及生物控制方面與常規(guī)稻田相比具有無與倫比的生態(tài)效果，進(jìn)一步加強(qiáng)該系統(tǒng)的碳氮代謝調(diào)節(jié)，構(gòu)建高效的農(nóng)田物質(zhì)循環(huán)途徑，改善農(nóng)田小生境，可充分發(fā)揮生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程的功能效應(yīng)。

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