冬季种养结合对稻田土壤微生物量及有效碳氮库的影响

周玲红，魏甲彬，唐先亮，成小琳，肖志祥，徐华勤，唐剑武

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)



冬季种养结合对稻田土壤微生物量及有效碳氮库的影响

周玲红，魏甲彬，唐先亮，成小琳，肖志祥，徐华勤*，唐剑武

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

以双季稻冬闲田种植绿肥与养鸡结合的新型种养制度为平台，通过冬季绿肥和鸡粪还田，减少水稻生育期化肥用量，探讨“冬季绿肥-双季稻”轮作种植制度和“冬季种养结合-双季稻”种养制度下对稻田土壤微生物碳、氮和可溶性有机碳、氮的影响。试验包括5个处理，分别为冬闲(F)、冬季种植黑麦草(R)、冬季种植紫云英(M)、冬季种植黑麦草与养鸡结合(RC)以及冬季种植紫云英与养鸡结合(MC)。结果表明，在整个试验的动态过程中，微生物量碳、氮及可溶性有机碳、氮含量高低总体趋势表现为绿肥养鸡>绿肥>冬闲，各处理间差异显著(P<0.05)；“冬季种养结合-双季稻”种养制度能显著提高土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮。各处理微生物量碳、氮和可溶性有机氮在3月24日达到最大值，RC、MC、R和M处理微生物量碳最大值分别为492.22，464.91，432.34和435.48 mg/kg；微生物量氮的最大值分别为118.20，101.03，70.13和85.46 mg/kg；可溶性有机氮的最大值分别为1001.47，926.21，832.80和870.75 mg/kg；可溶性有机碳在早稻苗期达到最大值，RC、MC、R和M最大值分别为278.95，266.40，246.13和249.84 mg/kg。微生物量碳含量的高峰在早稻移栽初期、晚稻孕穗期和灌浆期，微生物量氮的高峰出现在早稻分蘖期、齐穗灌浆期和晚稻孕穗期，可溶性有机碳在稻田养鸡及成鸡出栏后较高。与冬闲田种植绿肥和休闲相比，冬闲稻田种植绿肥结合养鸡对增加微生物生物量的贡献更大，并显著提高土壤的可溶性有机碳氮，间接反映了种养制度能提高土壤有机碳、氮的矿化速率和土壤的活性有机碳氮以及满足水稻生长期间自身养分需求。

冬闲稻田养鸡；绿肥；土壤微生物量碳氮；可溶性有机碳氮

我国南方稻区是我国双季稻主产区，存在大量冬闲田，冬季作物-双季稻轮作是该区主要的种植制度[1]。利用冬闲田种植绿肥与养鸡结合，绿肥可作为鸡的饲料来源，还田后补充土壤有机质，养鸡产生的鸡粪在田间原位腐解，利用冬闲田作为有机肥发酵和堆放的地点，又能培肥稻田地力，减少后期水稻(Oryzasativa)种植期间的化肥用量，是本课题组在南方双季稻种植区应用推广的一种新型的稻田减排模式[2]。

土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon，SMBC)、土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen，SMBN)、土壤可溶性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)以及土壤可溶性有机氮(dissolved organic nitrogen，DON)等土壤活性碳氮形态变化与土壤养分供给和养分的有效性存在密切关系[3]，其作为评价土壤肥力和土壤质量早期变化的有效指标，已越来越成为当前土壤生态学研究领域的热点[4]。国内外研究表明种植制度、耕作方式、施肥方法(化肥和有机肥)和环境条件均是影响土壤微生物量碳氮和活性碳氮变化的重要因素[5-7]。目前国内研究大多集中在施肥[6-10]以及绿肥还田[11-12]等对土壤微生物数量和理化性质方面的影响。如高菊生等[7]对长期双季稻绿肥轮作稻田研究得出种植绿肥各处理土壤微生物量碳、氮含量均显著高于冬闲对照;井大炜等[13]报道了鸡粪等有机肥配施处理的土壤微生物量碳氮含量均显著高于单施化肥和对照处理。有关冬种绿肥与养鸡两者结合在冬季种养结合-双季稻制度下对稻田土壤微生物生物量影响的研究很少。

本研究尝试冬闲田种植绿肥与田间原位养鸡结合，并通过鸡粪腐解和绿肥还田培肥地力，减少化肥用量的种养结合制度，研究整个制度期间土壤微生物碳、氮和可溶性有机碳、氮的动态变化，为双季稻区稻田土壤肥力生态培育及农民增收提供科学依据及农业的可持续发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料及地点

试验于2014-2015年在湖南农业大学耘园试验基地进行，试验田块常年为稻-稻-冬闲，供试土壤质地为潮泥土，土壤含有机质20.02 g/kg，有机碳11.61 g/kg，全氮6.67 g/kg，全磷0.45 g/kg，全钾4.89 g/kg，碱解氮160.01 mg/kg，速效钾77.61 mg/kg，速效磷53.71 mg/kg，pH为6.15。

1.2 试验设计与栽培管理

以“冬季绿肥-双季稻”轮作种植制度和“冬季种养-双季稻”种养制度，试验设5个处理：1)冬季休闲为对照(fallow，F)；2)冬季种植黑麦草(Loliumspp.,ryegrass，R)；3)冬季种植紫云英(Astragalussinicus,milk vetch，M)；4)冬季种植黑麦草与养鸡结合(RC)；5)冬季种植紫云英与养鸡结合(MC)，采用随机区组设计，各小区面积为10 m×14 m，3次重复，各小区间起垄覆膜隔开，单灌单排，各处理的田间管理措施均一致。

试验田于2014年10月中旬播种紫云英和黑麦草，播种量分别为40和23 kg/hm2。2014年11月25日将苗龄30 d的闽南黄鸡放入稻田，用笼子养鸡，笼子大小为3 m×3 m，笼内饲喂30只鸡，各养鸡小区内每7 d挪动一次鸡笼。种植绿肥养鸡期间不施用肥料，鸡饲料为玉米粉，2015年2月2日结束养鸡，黑麦草和紫云英均还田用作绿肥，绿肥翻压时间2015年3月27日(成鸡出栏后53 d)，绿肥还田量RC、MC、R和M分别为14.88，8.55，13.23和15.61 t/hm2，新鲜鸡粪原位还田量约为94.3 t/hm2。

各处理于2015年4月份开始种植双季稻，早稻供试品种中嘉早17，于2015年4月18日播种，5月5日移栽，7月12日收获；晚稻供试品种为湘晚籼12号，播种期为2015年6月27日，7月25日移栽，11月6日收获。各处理施肥量一致，均减少肥料施用，基肥均不施氮肥。早稻施纯氮74.25 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2，晚稻纯氮102 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2。P肥做基肥一次性施用；K肥按基肥∶穗肥=1∶1施用；早稻N肥按分蘖肥∶穗肥=7∶3施用；晚稻N肥按分蘖肥∶穗肥∶粒肥=5∶3∶2施用。

1.3 取样及分析

取土样测定微生物量碳氮及可溶性有机碳氮，取样时间分别为：稻田放入鸡苗后2014年12月4日、12月22日、2015年1月19日以及成鸡出栏后2月6日、3月24日；早稻苗期(2015年5月13日)、分蘖盛期(5月28日)、孕穗期(6月11日)、齐穗期(6月27日)、成熟期(7月12日)；晚稻苗期(8月3日)、晚稻分蘖盛期(8月19日)、晚稻孕穗期(9月11日)、晚稻齐穗期(9月24日)、晚稻灌浆期(10月12日)、晚稻成熟期(11月6日)。

土样采集方式为用直径5 cm，深度为20 cm的圆形土钻于各小区内S形取5点，测定前去除土样中植物残体(如根、茎和叶)及土壤动物、石块等杂物后，混合均匀，风干后过1 mm筛，将土壤湿度调节至田间持水量的40%，25 ℃下预培养7～10 d后，迅速测定微生物量碳氮，所有分析均重复3次。土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮含量根据Brookes等[14]和Vance等[15]的方法，采用氯仿熏蒸浸提法测定，KEC转换系数为0.38，KEN为0.45[16]。

熏蒸开始的同时，另称取等量土样，加入0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，测定滤液中的碳和氮含量作为可溶性有机碳、氮。

1.4 统计分析

经Excel 2007整理数据后，采用SPSS 12.5软件进行单因素方差分析和相关分析，不同处理之间采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物量碳

由表1可见，不同处理条件下SMBC变幅很大，为26.25～492.22 mg/kg。除晚稻灌浆期外，成鸡出栏后至晚稻收获RC和MC处理SMBC的含量显著高于F；绿肥养鸡末期至早稻苗期，RC显著高于R和M；除早稻孕穗期外，MC与R和M差异不显著，R和M处理显著高于对照(P<0.05)。

不同处理SMBC变化模式相似：在成鸡出栏后的3月24日、早稻苗期和分蘖期以及晚稻孕穗期和灌浆期含量较高，RC和MC处理SMBC的含量最高，其次为R和M，F最低，与其他时期差异显著，显示出绿肥和鸡粪肥翻压的效果。在早稻齐穗期和成熟期以及晚稻苗期、分蘖期和成熟期SMBC降低。

除F外，各处理的SMBC在成鸡出栏后3月24日达到最大值，RC和MC以及R和M与对照F相比分别增加了96.77%和85.85%以及72.83%和74.09%，这可能是因为随着气温的升高，微生物活性增强，鸡粪的肥料逐渐腐熟释放，RC和MC中的绿肥长势没有鸡的啄食和踩踏，并且有鸡粪肥作为肥源，长势逐渐转好，根系的分泌物质增多。

早稻移栽初期，植株较小，对土壤养分的吸收能力小，绿肥和鸡粪肥翻入土壤后为微生物提供了大量有机碳源，加上基肥和分蘖肥的施入(尤其氮肥的增加)，降低了碳氮比，加速了绿肥的分解和鸡粪肥的腐熟，较多的有机碳被微生物固持，所以在早稻苗期和分蘖期出现相对较高的峰值。随后水稻植株生长逐渐旺盛，水稻生长对碳源需求增多，绿肥中易分解的有机物质逐渐减少，鸡粪肥料逐渐释放被植株吸收，土壤中较易矿化分解的有机碳已大部分被消耗，使中后期SMBC含量显著降低。早稻成熟期，除R和F仍处于降低态势，各处理的SMBC都略有回升，说明绿肥养鸡以及紫云英还田后使土壤产生了一定的保肥性能。

晚稻生育期间，各处理的SMBC含量差异不明显，但大都高于对照。晚稻移栽初期由于各处理均减少肥料的用量，绝大部分绿肥和鸡粪肥在早稻期间已经被消耗，所以初期呈下降趋势；水稻孕穗期植株生长逐渐旺盛，前茬根系和稻莊的腐解，以及穗肥和粒肥的施入，同时水稻根系分泌的有机物质增加，增加了微生物的活动能源，土壤微生物固持多余的有机碳使SMBC增加，所以在晚稻孕穗期和灌浆期SMBC有所回升；晚稻成熟期气温逐渐降低，水稻成熟时根系吸取养分能力下降很大，微生物生命活动降低，各处理的SMBC都降低。

SMBC在养鸡以及晚稻生育期间出现RC和MC含量低于R和M的现象，养鸡期间主要是因为鸡粪肥是缓释肥料，并且气温较低，微生物活性不强，并且鸡苗对幼苗期紫云英和黑麦草的啄食，导致绿肥养鸡处理中的绿肥长势差，根系分泌物少。晚稻期间可能是因为绿肥养鸡处理水稻分蘖数大于种植绿肥处理，满足水稻中后期生长对养分的需求多于绿肥处理。

表1 不同制度下土壤微生物量碳的动态变化

RC：冬季种植黑麦草与养鸡结合；MC：冬季种植紫云英与养鸡结合；R：冬季种植黑麦草；M：冬季种植紫云英；F：冬季休闲，同一行中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

RC: Planting ryegrass and raising chicken; MC: Planting milk vetch and rising chicken; R: Planting ryegrass; M：Planting milk vetch; F：Fallow. Different small letters in same row indicate significant differences at 0.05 level. The same below.

2.2 土壤微生物量氮

由表2可见，不同处理下SMBN变幅很大，为4.68～118.20 mg/kg，RC和MC，R和M普遍显著高于F，鸡出栏后的3月24日至早稻齐穗期，RC的SMBN显著高于R；早稻分蘖期和齐穗期，MC显著高于M(P<0.05)。

不同处理SMBN变化模式相似：在成鸡出栏后的3月24日、早稻分蘖期和齐穗期以及晚稻孕穗期含量较高，与其他时期差异显著，RC和MC处理SMBN的含量最高，其次为R和M，F最低，显示出冬季种养结合，早春翻压回田对提高SMBN的效果，说明绿肥和鸡粪肥配施化肥后微生物数量的增加促进了土壤中氮素的转化，并且绿肥结合鸡粪肥的促进作用更大。在早稻苗期、孕穗期和成熟期，晚稻苗期、分蘖期、灌浆期和成熟期SMBN有所降低。

表2 不同制度下土壤微生物量氮的动态变化

除对照F外，在成鸡出栏后(3月24日)，各处理的SMBN均达到最高值，与对照F相比，RC和MC的SMBN分别提高了137.66%和103.12%，差异显著；与R相比，RC和MC分别提高了68.54%和44.05%，说明绿肥养鸡的优势效果。这可能是因为气温逐渐升高，微生物的活性增强，绿肥养鸡处理中鸡粪的肥料逐渐腐熟释放，绿肥有鸡粪提供养分，长势转好，根系分泌物增多，根迹附近的微生物含量增加。

早稻移栽初期可能因气温升高，植株对矿质营养的吸收量较小，土壤微生物活性增强，促进了绿肥、鸡粪肥的腐解，使有机物质转化为较为稳定的微生物氮等物质，土壤中的氮素营养积累逐渐增多被微生物固定，所以在早稻分蘖期有一个相对高峰。之后水稻营养生长和生殖生长并进，养分需求量增加，土壤中氮养分被大量消耗，部分被固定的微生物氮又释放出来供给水稻生长发育需要，从而使土壤微生物量氮开始降低；早稻进入齐穗灌浆期以后，水稻生长对肥料需求有所降低，并且由于穗肥的施用，多余氮素被微生物固定，再次出现峰值。至早稻成熟期，可能是由于减少肥料的用量，绿肥、鸡粪肥和化肥养分被大量消耗，不能满足微生物大量生长繁殖从而SMBN明显降低，成熟期各处理差异不显著。在早稻生育期间RC、MC普遍高于R、M，但在晚稻期间RC、MC和R、M处理差异不显著，且晚稻期间SMBN含量与早稻相比有所降低，可能是由于早晚稻均减少化肥的用量，且绿肥和鸡粪肥的养分在早稻期间已被消耗大半，微生物没有充足的有效氮源，所以SMBN含量有所降低。

豆科绿肥处理M在晚稻孕穗期和齐穗期显著高于非豆科绿肥R，MC仅在早稻齐穗期和晚稻孕穗期显著高于RC，这可能与绿肥还田量有关，MC的还田量过少，RC和MC分别为14.88和8.55 t/hm2。

2.3 土壤可溶性有机碳

由表3可见，不同处理条件下DOC变幅很大，为55.22～278.95 mg/kg。RC和MC均显著高于F，除早稻分蘖期外，普遍显著高于R和M；R和M普遍显著高于F(P<0.05)。

表3 不同制度下土壤可溶性有机碳的动态变化

不同处理DOC变化模式相似：在养鸡期间的12月22日以及早稻苗期含量较高，与其他时期差异显著。在整个制度期间DOC含量普遍表现为RC、MC>R、M>F，显示出绿肥和鸡粪肥翻压能显著提高土壤DOC含量。

冬闲田种植绿肥以及种植绿肥养鸡期间的DOC普遍高于水稻生长时期；从植株生育期的动态变化来看，除对照外，在早稻苗期各处理DOC含量达到最大值，该期与F相比，RC、MC、R和M提高幅度分别达72.71%，64.94%，52.39%和54.69%。在晚稻灌浆期和成熟期，各处理DOC有所回升。

2.4 土壤可溶性有机氮

由表4可见，不同处理条件下DON含量变幅很大，为30.30～1001.47 mg/kg，RC和MC均显著高于F，普遍显著高于R和M，成鸡出栏后的3月24日至早稻分蘖期，M显著大于R。不同处理DON变化模式相似：在成鸡出栏后的3月24日达到最高值，与其他时期差异显著(P<0.05)。

表4 不同制度下土壤可溶性有机氮的动态变化

从植株生育期的动态变化来看，在双季稻生育期间，绿肥养鸡处理、绿肥处理和冬闲对照的DON含量范围分别为76.25～170.43 mg/kg，55.24～152.27 mg/kg，30.30～105.92 mg/kg。在整个制度期间DON与DOC相似，含量普遍表现为RC、MC>R、M>F，说明绿肥和鸡粪肥翻压能显著提高DON含量。

豆科绿肥处理M成鸡出栏后的3月24日，早稻苗期和分蘖期以及晚稻灌浆期显著高于非豆科绿肥R，MC显著低于RC或二者差异不显著，这可能与MC的紫云英还田量过少有关。

3 讨论

本研究中，各处理SMBC和SMBN的季节性动态变化表现出相似的规律性，说明稻田土壤微生物对碳、氮的固持作用主要取决于土壤微生物本身的生物量大小[1]，这可能也与外界气温以及水稻植株吸肥特性的变化有关[17]。

有机肥[18-19]和绿肥翻压[20-21]均能提高土壤微生物量，但施肥对微生物量的影响与施肥量、肥料类型和肥料配比有关。韩晓日等[22]和Witter等[23]研究表明有机肥能显著提高SMBC和SMBN；杨曾平等[24]研究表明长期冬种绿肥的双季稻种植区SMBC和SMBN含量高于长期双季稻冬闲处理。这是因为有机肥和绿肥翻压能为微生物提供大量的碳源和氮源，根系生物量及根系分泌物增加，促进土壤微生物生长，从而提高土壤微生物量。

本研究中SMBC、SMBN和DOC、DON各处理普遍显著高于对照(P<0.05)，冬季作物还田量是影响稻田土SMBC差异的原因之一[1]，本研究冬季绿肥还田量分别是：RC为14.88 t/hm2，MC为8.55 t/hm2，R为13.23 t/hm2和M为15.61 t/hm2，绿肥还田量是M>RC>R>MC，所以SMBC绿肥养鸡末期至早稻孕穗期，还田量高的RC显著高于R和M，而还田量最小的MC与R和M差异不显著。很多研究得出豆科紫云英做绿肥对SMBN的影响大于禾本科黑麦草，因为豆科植物在生长期间利用根瘤固氮[25]，本研究中RC与MC的SMBN差异普遍不显著，M处理SMBN在水稻种植期间普遍高于R，但是除了晚稻孕穗期和齐穗期外，普遍差异不显著，原因可能也与MC的紫云英还田量较小有关。DOC含量RC和RM普遍显著高于R和M，DON成鸡出栏后的3月24日至早稻分蘖期，M显著大于R(P<0.05)。

本研究结果表明，SMBC、SMBN含量总体趋势表现为RC、MC>R、M>F，表现出绿肥养鸡处理增加SMBC、SMBN的良好效果。从整个大田种养制度上来看，“冬季种养-双季稻”以及“冬季绿肥-双季稻”明显增加了土壤SMBC和SMBN，其原因可能是由于鸡粪肥以及绿肥还田增加土壤有机碳源和氮源，促进了土壤中有效养分的转化与固定，提高了微生物的活性。本研究中各处理的SMBC、SMBN在成鸡出栏后50 d即2015年3月24日达到最大值，其原因可能是随着温度的升高，鸡粪肥腐解释放，绿肥地上部分生物量加大，地下部分根系分泌物增加，微生物固持的碳氮增加。SMBC在早稻生育期间逐渐下降，在早稻成熟期有所回升，晚稻成熟期各处理都降低；早晚稻生育期间SMBC的高峰时期出现在早稻移栽初期、晚稻孕穗期和灌浆期。早晚稻生育期间SMBN的高峰时期出现在早稻分蘖期和齐穗灌浆期、晚稻孕穗期，晚稻SMBN含量与早稻相比有所降低[26]。罗兰芳[27]研究控释氮肥和猪粪有机肥施用下水稻不同生育期间土壤微生物生物量的变化后发现：在施肥后 10 d内，SMBC和SMBN含量达到最高值，随着水稻生育期的进程，SMBC下降。本研究与以上研究结果相似。

本研究与另外一些研究结论不同，如曾路生等[28]发现水稻不同生育期的土壤微生物生物量的变化为水稻苗期至分蘖期SMBC增加，其原因可能是种植模式的不同，本研究采用冬季种植绿肥，田间原位养鸡，鸡粪肥在田间的腐解，土壤养分与其他施用有机肥和化肥的种植模式有所不同。张帆等[1]研究黑麦草、紫云英等冬季作物-双季稻轮作种植制度下短期内对稻田土壤微生物碳、氮影响，本研究与该研究结论相反，其结果表明在晚稻成熟期间每个处理的SMBC、SMBN含量逐渐增加，可能原因是张帆等[1]的试验在双季稻期间没有减少肥料的施用(早稻氮肥N 225 kg/hm2，晚稻氮肥N 300 kg/hm2)，而本研究减少肥料用量，早稻期间因为绿肥和鸡粪肥的腐解，肥料能够满足植株生长需求，晚稻期间继续减少肥料的用量，导致在分蘖期肥料不足，生育期推迟，所以前期SMBN呈下降趋势；后期由于追肥，SMBN含量逐渐增加；至成熟期，化肥、绿肥和鸡粪肥中大量土壤养分被作物吸收利用，转化为地上部生物量，同时根系活动减弱，土壤微生物没有多余的有机碳氮固持，所以成熟期下降。高嵩涓等[29]对长期冬种绿肥的红壤稻田土壤微生物生物量研究也发现早稻成熟期各处理SMBC、SMBN均显著低于其他时期。

本研究中稻田养鸡及成鸡出栏后DOC较高，早稻期间降低，至晚稻生长后期有所回升，可能原因是DOC是土壤微生物重要的物质和能量来源，当微生物的数量大且活性高时，会使DOC含量下降[7]，在稻田养鸡的12月22日、早稻苗期以及晚稻成熟期，SMBC含量下降，从而使DOC含量增加。倪进治等[30]研究红砂土中加入稻草秸秆和猪粪后，DOC在有机肥加入后第一周效果较明显；随着培养时间的推移，土壤中DOC逐渐降低。崔凤娟等[31]研究也表明施用有机肥后DOC的含量只在短时间内增加，随之有所下降。本研究与以上研究结果相似，原因可能是有机肥本身含有丰富的DOC和DON使微生物的数量和活性提高，进而影响到有机碳、氮的生物降解过程[32]。本研究DON在稻田成鸡出栏后的2015年3月24日含量达到最大值，并与早稻苗期差异显著，可能原因是鸡粪原位施于土壤表面，早稻时期进行灌水泡田、排水插秧可能导致可溶性有机养分随径流水流失[33]。在双季稻生育期间含量范围为30～171 mg/kg，这与张永全[34]的研究结果相似。

DOC和DON能影响营养物质的供给和有效性[35]，DOC含量能够反映土壤中潜在活性养分含量和周转速率，与土壤养分循环和供应状况有密切关系[36]；DON是土壤微生物和植物吸收利用氮素的直接或间接来源[37-38]。本研究中的DOC和DON含量趋势和SMBC与SMBN相同，表现为绿肥养鸡>绿肥>冬闲，绿肥养鸡对DOC和DON的增幅最明显，说明绿肥养鸡处理能较大地提高稻田土壤中潜在活性养分含量和养分的有效性，增加土壤中可被植物吸收的直接或者间接氮源。本研究在双季稻期间减少化肥的用量，冬季种养结合稻田土壤能够提供更多的DOC和DON经转化或直接供作物吸收利用，补充无机氮肥的不足[35]。

焦坤等[39]通过研究不同利用年限红壤水田DOC的含量动态和生物降解特性得出0～30 cm土壤DOC的含量及其占总碳比例随土壤有机碳含量的升高而增大。徐秋芳等[40]也得出不同土地利用方式下0～20 cm土层土壤总有机碳高的土壤DOC含量也较高。很多学者研究得出DOC和总有机碳、全氮呈显著正相关关系。例如何冬梅[41]研究4种土地利用方式下0～25 cm土层盐溶液提取的DOC的含量都随土壤有机碳和土壤总氮含量的增加而增加，且相关性极显著(P<0.01)。汪景宽等[42]研究得出棕壤DOC和DON与全碳、全氮和微生物量碳、氮的相关性达到极显著水平，可以作为指示土壤肥力的重要指标，这与其他学者的研究结果相似[43-44]。由此可见，DOC和DON与土壤全碳、全氮具有极好的平行关系，即随着土壤总有机碳、全氮不断提高，DOC和DON的含量也相应地增加。

同时，有机碳的解聚和溶解是其矿化的先决条件，有机碳在转化为CO2、CH4前必须先进入溶液中，因此DOC的含量动态和周转与土壤有机碳的矿化有密切关系[45]。并且一些研究表明较多土壤DOC和可矿化释放的CO2-C相关性较好[46]。而土壤有机氮矿化的主要途径是先由胞外酶把非溶解的有机氮分解和解聚成DON，小分子DON再进入细胞进行下一步分解代谢[47]，因此DON在土壤有机质矿化过程中起着中间氮库的作用，并作为土壤有机氮矿化的初始物质调控氮素的生物转化。李忠佩等[45]研究培养过程中土壤有机碳的矿化速率动态与DOC含量的变化趋势一致，韩成卫等[48]通过去除DON研究其对土壤氮素矿化的影响后得出可溶性有机氮的去除明显降低了水稻土有机氮的累计矿化量。

由此可见DOC和DON含量的动态变化可间接反映土壤总有机碳、全氮的含量以及土壤碳氮矿化的变化。本研究中绿肥养鸡的DOC和DON含量普遍高于绿肥和冬闲处理，间接反映了绿肥养鸡处理的总有机碳和全氮以及有机碳、氮的矿化速率也大于绿肥处理和冬闲，从而增加了土壤的活性有机碳、氮含量。

本研究中新鲜鸡粪原位还田量约为94.3 t/hm2，肉鸡和蛋鸡的粪便含水量为52.31%[49]，风干鸡粪总含N、P2O5和K2O分别为10.3 kg/t、9.4 kg/t和8.7 kg/t[50]，因此本研究中还田的鸡粪肥约含N、P2O5和K2O分别为463.19，422.72和391.24 kg/hm2。每生产500 kg稻谷，对N、P2O5和K2O的吸收量分别是：7.55～9.55 kg，4.05～5.10 kg和9.15～19.10 kg[51]，所以冬闲田种植绿肥结合养鸡，在双季稻期间减少肥料用量可基本满足中高产水稻生长对养分的需求。

4 结论

1) “冬季绿肥-双季稻”轮作种植制度和“冬季种养-双季稻”种养制度较“冬闲-双季稻”对土壤微生物碳、氮的动态影响基本趋于一致，均能提高稻田土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮含量，且“冬季种养-双季稻”种养制度提高效果最显著。

2) “冬季种养-双季稻”种养制度能显著提高土壤可溶性有机碳氮，间接反映了“冬季种养-双季稻”制度能提高土壤有机碳、氮的矿化速率的潜力，从而增加了土壤的活性有机碳氮含量及土壤的供氮能力。

3) “冬季种养-双季稻”种养制度鸡粪原位还田在双季稻期间减少肥料用量可基本满足中高产水稻生长对养分的需求。

“冬季种养-双季稻”种养制度能为探索发展低碳农业、构建资源节约型和环境友好型农业，实现水稻生产的可持续发展提供理论依据。

[1] Zhang F, Huang F Q, Xiao X P,etal. Short-term influences of winter crops on microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and Cmic-to-Corgin a paddy soil. Acta Ecological Sinica, 2009, 29(2): 734-739.

[2] Tang J W, Wei J B, Xu H Q,etal. The Moving Chicken Coop for Poultry Grazing in Farmland: China, ZL201520337464.1[P]. 2015-9-23.[3] Zhao T, Jiang Y L, Yan H,etal. Effects of different aspects on soil microbial biomass and dissolved organic carbon of the loess hilly area. Environmental Science, 2013, 34(8): 3223-3230.

[4] Zhao X L, Chen H T, Lv G H,etal. Advances in soil microbial biomass. Journal of Meteorology and Environment, 2006, 22(4): 68-72.

[5] Chen A L, Wang K R, Xie X L. Effects of fertilization systems and nutrient recycling on microbial biomass C, N and P in a reddish paddy soil. Journal of Agro-Environment Science, 2005, 24(6): 1094-1099.

[6] Goyal Sneh C K, Mundra M C, Kapoor K K. Influence of inorganic fertilizers and organic amendments on soil organic matter and soil microbial properties under tropical conditions. Biology and Fertility of Soils, 1999, 29: 196-200.

[7] Gao J S, Cao W D, Li D C,etal. Effects of long-term double-rice and green manure rotation on rice yield and soil organic matter in paddy field. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(16): 4542-4548.

[8] Moore J M, Susanne K, Tabatabail M A. Soil microbial biomass carbon and nitrogen as affected by cropping systems. Biology and Fertility of Soils, 2000, 31: 200-210.

[9] Zang Y F, Hao M D, Zhang L Q,etal. Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon，soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(5): 1445-1451.

[10] Jia W, Zhou H P, Xie W Y,etal. Effects of long-term inorganic fertilizer combined with organic manure on microbial biomass C, N and enzyme activity in cinnamon soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4): 700-705.

[11] Li Z, Liu G S, Ye X F,etal. Effects of different years of burying green manure on soil microbial biomass C, N and C, N content in soil. Acta Agriculturae Jiangxi, 2010, 22(4): 62-65.

[12] Pan F X, Lu J W, Liu W,etal. Study on characteristics of decomposing and nutrients releasing of three kinds of green manure crops. Plan Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1): 216-223.

[13] Jing D W, Xing S J. Effects of chicken manure mixed with inorganic fertilizer on soil enzyme activities, microbial biomass C and N at rhizosphere of poplar seedlings. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 455-461.

[14] Brookes P C, Landman A, Puden G,etal. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry, 1985, 17: 837-842.

[15] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19: 703-707.

[16] Jenkinson D S, Brookes P C, Powlson D S. Measuring soil microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36: 5-7.

[17] Li S Q, Li S X. Effects of organic materials on maintaining soil microbial biomass Nitrogen. Acta Ecologica Sinica, 2001, 21(1): 136-142.

[18] Pei X X. Effect of Long-term Fertilization on Diversity of Soil Microbiol Community Structure under Different Cropping Systems[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2010.

[19] Xu Y C, Shen Q R, Ran W. Effects of zero-tillage and application of manure on soil microbial biomass C, N and P after sixteen years of cropping. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(1): 89-96.

[20] Liu G S, Luo Z B, Wang Y,etal. Effect of green manure application on soil properties and soil microbial biomass in tobacco field. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(1): 95-98.

[21] Yan Z L, Fang Y, Chen J C,etal. Effect of turning over Chinese milk vetch (AstragalussinicusL.) on soil nutrients and microbial properties in paddy fields. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(5): 1151-1160.

[22] Han X R, Zheng G D, Liu X Y,etal. Dynamics sources and supply characteristic of microbial biomass nitrogen in soil applied with manure and fertilizer. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(4): 765-772.

[23] Witter E, Mortensson A M, Gareia F V. Size of the soil microbial biomass in a long-term field experiment as affected by different N-fertilizers and organic manures. Soil Biology & Biochemistry, 1993, 25: 659-669.

[24] Yang Z P, Gao J S, Zheng S X,etal. Effects of long-term winter planting-green manure on microbial properties and enzyme activities in reddish paddy soil. Soils, 2011, 43(4): 576-583.

[25] Liu S L, Xiao H A, Tong C L,etal. Microbial biomass C, N and P and their responses to application of inorganic and organic fertilizers in subtropical paddy soils. Research of Agricultural Modernization, 2003, 24(4): 278-283.

[26] Song R, Wu C S, Mou J M,etal. Effects of maize stubble remaining in field on dynamics of soil microbial biomass C and soil enzyme activities. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13(3): 303-306.

[27] Luo L F. Effect of Controlled Release Nitrogen Fertilizer on Soil Microbiological Characteristics and Nitrogen Fertility[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2008.

[28] Zeng L S, Liao M, Huang C Y,etal. Variation of soil microbial biomass and enzyme activities at different developmental stages in rice. Chinese Journal of Rice Science, 2005, 19(5): 441-446.

[29] Gao S J, Cao W D, Bai J S,etal. Long-term application of winter green manures changed the soil microbial biomass properties in red paddy soil. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(4): 902-910.

[30] Ni J Z, Xu J M, Xie Z M,etal. Contents of wsoc and characteristics of its composition under different fertilization systems. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(5): 724-730.

[31] Cui F J, Liu J H, Li L J,etal. Effect of zero tillage with mulching on active soil organic carbon. Acta Agricultural Boreali-occidentalis Sinica, 2012, 21(9): 195-200.

[32] Liang B. Effect of Different Fertilization on Contents of Soil Microbial Biomass and Soluble Carbon and Nitrogen on the Loess Plateau[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2008.

[33] Zhao X. Effect of Land Use Types and Fertilization Systems on Active Soil Organic Carbon Pool[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2007.

[34] Zhang Y Q. Effects of Long Term Combination Application of Different Organic Materials and Nitrogen Fertilizer on Carbon，Nitrogen and Microbial Characteristics of Soil[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2014.

[35] Zhao M X. The Adsorption and Biodegradation of Soluble Organic Nitrogen, Carbon in Soil[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2007.

[36] Li S F, Yu Y C, He S. Correlation between dissolved organic carbon and soil factors of the forest soil in southern of China. Journal of Zhejiang Forestry College, 2003, 20(2): 119-123.

[37] Magill A H, Aber J D. Variation in soil net mineralization rates with dissolved organic carbon additions. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32: 597-601.

[38] Jones D L, John R. Dissolved organic nitrogen uptake by plants-An important N uptake pathway.Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37: 413-423.

[39] Jiao K, Li Z P. Dynamics and biodegradation of dissolved organic carbon in paddy soils derived from red clay. Soils, 2005, 37(3): 272-276.

[40] Xu Q F, Jiang P K. Study on active organic carbon of soils under different types of vegetation. Journal of Soil and Water Conservation, 2004, 18(6): 84-87.

[41] He D M. The Chemical Characteristics of Soil Organic Matter and Its Mineralization under Different Land Uses[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2014.

[42] Wang J K, Li C, Yu S,etal. The biodegradation of dissolved organic carbon and nitrogen in brown earth with different fertility levels. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(12): 6165-6171.

[43] Gao Z X. Contents and Characteristics of Soluble Organic Carbon, Nitrogen in the Arable Soil[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2009.

[44] Jansen B, Nierop Klaas G J, Verstraten J M. Mobility of Fe (II), Fe (III) and Al in acidic forest soils mediated by dissolved organic matter: influence of solution pH and metal/organic carbon ratios. Geoderma, 2003, 113(3/4): 323-340.

[45] Li Z P, Zhang T L, Chen B Y. Dynamics of soluble organic carbon and its relation to mineralization of soil organic carbon. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(4): 544-552.

[46] Marschner B, Bredow A. Temperature effects on release and ecologically relevant properties of dissolved organic carbon in sterilized and biologically active soil samples. Soil Biology & Biochemistry, 2002, 34(4): 459-466.

[47] Zaman M, Di H J, Cameron K C,etal. Gross nitrogen mineralization and nitrification rates and their relationships to enzyme activities and the soil microbial biomass in soils treated with dairy shed effluent and ammonium fertilizer at different water potentials. Biology and Fertility of Soils, 1999, 29(2): 178-186.

[48] Han C W, Li Z P, Liu L,etal. Influence on carbon and nitrogen mineralization after dissolved organic matter removal in subtropical Chinese paddy soils. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(1): 107-113.

[49] Agricultural Technology Extension and Service Center of China. Organic Fertilizer Nutrient Data Set in China[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 1999.

[50] Jia W. Studies on the Evaluation of Nutrient Resources Derived from Manure and Optimized Utilization in Arable Land of China[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014.[51] Yang W Y, Tu N M. The Theory of Crop Cultivation[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2003.

[1] 张帆, 黄凤球, 肖小平, 等. 冬季作物对稻田土壤微生物量碳、氮和微生物熵的短期影响. 生态学报, 2009, 29(2): 734-739.

[2] 唐剑武, 魏甲斌, 徐华勤, 等. 用于农田轮牧养鸡的移动鸡笼: 中国, ZL201520337464.1[P]. 2015-9-23.

[3] 赵彤, 蒋跃利, 闫浩, 等. 黄土丘陵区不同坡向对土壤微生物生物量和可溶性有机碳的影响. 环境科学, 2013, 34(8): 3223-3230.

[4] 赵先丽, 程海涛, 吕国红, 等. 土壤微生物生物量研究进展. 气象与环境学报, 2006, 22(4): 68-72.

[5] 陈安磊, 王凯荣, 谢小立. 施肥制度与养分循环对稻田土壤微生物生物量碳氮磷的影响. 农业环境科学学报, 2005, 24(6): 1094-1099.

[7] 高菊生, 曹卫东, 李冬初, 等. 长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响. 生态学报, 2011, 31(16): 4542-4548.

[9] 臧逸飞, 郝明德, 张丽琼, 等. 26年长期施肥对土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影响. 生态学报, 2015, 35(5): 1445-1451.

[10] 贾伟, 周怀平, 解文艳, 等. 长期有机无机肥配施对褐土微生物生物量碳、氮及酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(4): 700-705.

[11] 李正, 刘国顺, 叶协锋, 等. 绿肥翻压年限对植烟土壤微生物量C、N和土壤C、N的影响. 江西农业学报, 2010, 22(4): 62-65.

[12] 潘福霞, 鲁剑巍, 刘威, 等. 三种不同绿肥的腐解和养分释放特征研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 216-223.

[13] 井大炜, 邢尚军. 鸡粪与化肥不同配比对杨树苗根际土壤酶和微生物量碳、氮变化的影响. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 455-461.

[17] 李世清, 李生秀. 有机物料在维持土壤微生物体氮库中的作用. 生态学报, 2001, 21(1): 136-142.

[18] 裴雪霞. 典型种植制度下长期施肥对土壤微生物群落多样性的影响[D]. 北京: 中国农业科学院, 2010.

[19] 徐阳春, 沈其荣, 冉炜. 长期免耕与施用有机肥对土壤微生物生物量碳、氮、磷的影响. 土壤学报, 2002, 39(1): 89-96.

[20] 刘国顺, 罗贞宝, 王岩, 等. 绿肥翻压对烟田土壤理化性状及土壤微生物量的影响. 水土保持学报, 2006, 20(1): 95-98.

[21] 颜志雷, 方宇, 陈济琛, 等. 连年翻压紫云英对稻田土壤养分和微生物学特性的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(5): 1151-1160.

[22] 韩晓日, 郑国砥, 刘晓燕, 等. 有机肥与化肥配合施用土壤微生物量氮动态、来源和供氮特征. 中国农业科学, 2007, 40(4): 765-772.

[24] 杨曾平, 高菊生, 郑圣先, 等. 长期冬种绿肥对红壤性水稻土微生物特性及酶活性的影响. 土壤, 2011, 43(4): 576-583.

[25] 刘守龙, 肖和艾, 童成立, 等. 亚热带稻田土壤微生物生物量碳、氮、磷状况及其对施肥的反应特点. 农业现代化研究, 2003, 24(4): 278-283.

[26] 宋日, 吴春胜, 牟金明, 等. 玉米根茬留田对土壤微生物量碳和酶活性动态变化特征的影响. 应用生态学报, 2002, 13(3): 303-306.

[27] 罗兰芳. 控释氮肥对稻田土壤微生物特性及氮素肥力的影响[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2008.

[28] 曾路生, 廖敏, 黄昌勇, 等. 水稻不同生育期的土壤微生物量和酶活性的变化. 中国水稻科学, 2005, 19(5): 441-446.

[29] 高嵩涓, 曹卫东, 白金顺, 等. 长期冬种绿肥改变红壤稻田土壤微生物生物量特性. 土壤学报, 2015, 52(4): 902-910.

[30] 倪进治, 徐建民, 谢正苗, 等. 不同施肥处理下土壤水溶性有机碳含量及其组成特征的研究. 土壤学报, 2003, 40(5): 724-730.

[31] 崔凤娟, 刘景辉, 李立军, 等. 免耕秸秆覆盖对土壤活性有机碳库的影响. 西北农业学报, 2012, 21(9): 195-200.

[32] 梁斌. 黄土区不同培肥措施对土壤微生物量和可溶性有机碳氮的影响[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2008.

[33] 赵鑫. 土地利用方式与施肥制度对土壤活性有机碳库的影响[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2007.

[34] 张永全. 长期不同有机物料与氮肥配施对土壤碳氮及微生物特性的影响[D]. 郑州: 河南农业大学, 2014.

[35] 赵满兴. 可溶性有机氮、碳在土壤中的吸附和降解特性研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2007.

[36] 李淑芬, 俞元春, 何晟. 南方森林土壤溶解性有机碳与土壤因子的关系. 浙江林学院学报, 2003, 20(2): 119-123.

[39] 焦坤, 李忠佩. 红壤稻田土壤溶解有机碳含量动态及其生物降解特征. 土壤, 2005, 37(3): 272-276.

[40] 徐秋芳, 姜培坤. 不同森林植被下土壤水溶性有机碳研究. 水土保持学报, 2004, 18(6): 84-87.

[41] 何冬梅. 不同土地利用方式土壤有机碳结构及矿化特征[D]. 南京: 南京林业大学, 2014.

[42] 汪景宽, 李丛, 于树, 等. 不同肥力棕壤溶解性有机碳、氮生物降解特性. 生态学报, 2008, 28(12): 6165-6171.

[43] 高忠霞. 农田土壤中可溶性有机碳、氮的含量及特性研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2009.

[45] 李忠佩, 张桃林, 陈碧云. 可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系. 土壤学报, 2004, 41(4): 544-552.

[48] 韩成卫, 李忠佩, 刘丽, 等. 去除溶解性有机质对红壤水稻土碳氮矿化的影响. 中国农业科学, 2007, 40(1): 107-113.

[49] 全国农业技术推广服务中心. 中国有机肥料养分数据集[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1999.

[50] 贾伟. 我国粪肥养分资源现状及其合理利用分析[D]. 北京: 中国农业大学, 2014.

[51] 杨文钰, 屠乃美. 作物栽培学各论[M]. 北京: 中国农业出版社, 2003.

Effects of winter green manure crops with and without chicken rearing on microbial biomass and effective carbon and nitrogen pools in a double-crop rice paddy soil

ZHOU Ling-Hong, WEI Jia-Bin, TANG Xian-Liang, CHENG Xiao-Lin, XIAO Zhi-Xiang, XU Hua-Qin*, TANG Jian-Wu

CollegeofAgriculture,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China

This study examined the short term effects of the crop rotation systems known as “winter green manure with double cropped rice” and “winter planting and chicken raising with double cropped rice” on paddy soil microbial biomass and dissolved organic C and N. The goal of a winter planting and chicken raising in rice double cropping systems is to return green manure and chicken manure to soils and reduce the amount of fertilizer during the rice growing period. Five winter treatments were included: fallow (F), planting ryegrass (R), planting milk vetch (M), planting ryegrass and rearing chickens (RC), planting milk vetch and rearing chickens (MC). In general soil microbial biomass and dissolved organic C and N were increased significantly, compared to a winter fallow, by a green manure crop and further increased when chickens were also reared, although values were subject to dynamic seasonal fluctuation. Specifically, the maximum values for soil microbial biomass C were 492.22, 464.91, 432.34, 435.48 and 378.02 mg/kg for the treatments RC, MC, R, M and F, respectively; while the corresponding maxima for microbial biomass N were 118.20, 101.03, 70.13, 85.46 and 61.12 mg/kg, respectively. The maxima for dissolved organic N were 1001.47, 926.21, 832.80, 870.75 and 719.86 mg/kg; and the maxima for dissolved organic C were 278.95, 266.40, 246.13, 249.84 and 201.58 mg/kg, for RC, MC, R, M and F, respectively. The dynamics of microbial biomass C, N and dissolved organic C were different at different growth stages. Microbial biomass C peaked at the transplanting, booting and filling stage of late rice. Microbial biomass N peaked at the tillering and heading stage of early rice, and the booting stage of late rice. While the dissolved organic C peaked at seedling stage of early rice and it was higher during the period of raising chickens and after chicken removal from the paddy field. In summary, compared to a winter fallow paddy field, planting green manure and raising chickens significantly increased microbial biomass and soil dissolved organic carbon and nitrogen, which indirectly indicates that winter manure and chicken rearing systems can improve the soil organic carbon, and soil labile organic carbon contents, as well as nitrogen levels and nitrogen mineralization rate. Plant nutrients needed by the rice crop during the rice growing season can thus be provided by a winter planting and chicken raising.

raise chicken in winter fallow paddy field; green manure; microbial biomass C, N; dissolved organic C, N

10.11686/cyxb2016032

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-01-21；改回日期：2016-03-25

国家自然科学基金(31100382)，教育部博士点基金(20134320110004)和中国博士后科学基金(2013M542115)资助。

周玲红(1991-)，女，湖南郴州人，硕士。E-mail:271905246@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: xu7541@163.com

周玲红, 魏甲彬, 唐先亮, 成小琳, 肖志祥, 徐华勤, 唐剑武. 冬季种养结合对稻田土壤微生物量及有效碳氮库的影响. 草业学报, 2016, 25(11): 103-114.

ZHOU Ling-Hong, WEI Jia-Bin, TANG Xian-Liang, CHENG Xiao-Lin, XIAO Zhi-Xiang, XU Hua-Qin, TANG Jian-Wu. Effects of winter green manure crops with and without chicken rearing on microbial biomass and effective carbon and nitrogen pools in a double-crop rice paddy soil. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(11): 103-114.