南方种养结合模式对冬季稻田净碳交换和不同土层活性碳氮转化的影响

魏甲彬，周玲红，徐华勤，唐启源，傅志强，成小琳，肖志祥，唐剑武

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)



南方种养结合模式对冬季稻田净碳交换和不同土层活性碳氮转化的影响

魏甲彬，周玲红，徐华勤*，唐启源，傅志强，成小琳，肖志祥，唐剑武

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

为探讨不同利用模式下的冬季稻田土壤活性碳氮变化和系统净碳交换变化特征。本研究对冬闲(F)、单种黑麦草(R)、单种紫云英(M)、种黑麦草养鸡(RC)以及种紫云英养鸡(MC)的冬季稻田土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮及系统净碳交换量进行了定量分析。结果表明，1)RC和MC短期内增加了系统净碳排放，在早稻播种前，白天总体表现为碳汇(RC为817.38 g/m2，MC为472.90 g/m2)；且所有处理对CH4表现为弱汇(3.06～22.88 mg/m2)。2)R和M固碳量显著高于F和RC、MC处理。3)RC,MC,R和M与F相比显著提高了土壤活性碳氮含量。4)虽然RC和MC土壤微生物量碳平均值低于R和M，但其土壤可溶性碳含量平均值更高。5)R, M, RC, MC提高了土壤有机碳含量，增加了土壤碳汇。综上所述，种养结合既提高了土壤活性碳氮，同时增加了冬季稻田系统固碳量。

冬闲稻田；种草养鸡；土壤微生物量碳氮；土壤可溶性有机碳氮；净碳交换

我国南方地区拥有大面积的冬季休闲田。据不完全统计，南方15个省区有冬闲水田2000多万hm2，其中湖南省冬闲田面积至少120万hm2[1]。当前应对冬季农田闲置的对策主要是种植绿肥如紫云英(Astragalussinicus)[2]、黑麦草(Loliummultiflorum)[3]和燕麦(Avenasativa)[1]等冬季牧草以及油菜(Brassicacampestris)[4]、马铃薯(Solanumtuberosum)[5]等冬季作物，形成传统的稻-稻-绿肥种植模式。以上冬闲田利用模式能提高土壤肥力、提高作物产量和品质、抑制早稻病虫杂草危害和节能降耗，改善环境[6]。但由于其直接经济效益不明显，影响了农民应用的积极性。本研究尝试将轮牧养鸡引入种草后的冬季稻田，使得冬季草本作为鸡的补充饲料，在春节前获得生态土鸡出栏上市，将提升该模式的经济效益；种草及养鸡均为轻简工作，农村闲散劳动力即可操作。适度的放牧强度下，在鸡出栏后到早稻播种前，冬季草本的生物量还能满足作为绿肥翻压还田的要求，鸡粪原位还田可作为后期稻田肥料，减少化肥的施用，以期获得推广的高值化稻田生态保育模式[7]。

土壤活性碳氮包含土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon，SMBC)、土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen，SMBN)、土壤可溶性碳(dissolved organic carbon，DOC)和土壤可溶性氮(dissolved organic nitrogen， DON)。这4种活性碳氮占土壤总碳氮的比例非常小，但其是土壤碳氮库中最重要的组分之一，对土壤碳氮循环影响很大[8-9]；且与土壤养分供给和养分的生物有效性等密切相关[10]，常用作土壤肥力及质量的评价指标[11]。鸡粪有机肥的施用能够增加土壤有机质及相关土壤养分含量[12]，但新鲜鸡粪原位还田后的土壤养分动态尚鲜见报道。

农田土壤是温室气体的重要排放源。大气中每年有5%～20%的CO2、15%～30%的CH4、80%～90%的N2O来源于土壤[13]。另一方面，利用农业种植也是一项国际公认的固碳措施[14-15]。CO2净交换量可反映土壤呼吸释放与植株生长吸收的CO2差值。本研究采用适度的强度进行轮牧养鸡，其间CO2净交换量可反映CO2释放(鸡粪消解、土壤呼吸和草本植物呼吸)和吸收(草本生长期间光合作用)这一此消彼长的过程。目前有关鸡粪深施对土壤呼吸速率的研究已有少量报道[16]，但有关鸡粪直接原位还田分解的CO2消化过程研究还比较少，种草后对冬闲田系统CO2和CH4的净排放影响评估也鲜见报道。

因此，本研究以冬种紫云英、冬种黑麦草、冬种紫云英养鸡、冬种黑麦草养鸡和冬闲稻田为对象，定量描述不同利用模式下冬季稻田不同土层土壤活性碳氮动态变化特征及其稻田生态系统CO2净交换量的消长过程，深入探讨不同利用模式对冬季稻田土壤生物学质量和碳排放的影响，旨在为优化冬闲稻田的利用方式提供技术支撑，为推动高值化的稻田生态保育模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年10月-2015年3月在湖南省长沙市湖南农业大学耘园试验基地开展。长沙气候温和，降水充沛，雨热同期，四季分明，年平均气温17.2 ℃，年均降水量1361.6 mm。从11月下旬至第二年3月中旬，长沙平均气温低于0 ℃的严寒期很短暂，全年以1月最冷，月平均为4.4～5.1 ℃，越冬作物可以安全越冬，缓慢生长。试验地往年种植制度为稻-稻-冬闲，其土壤质地为潮泥土，表层0～20 cm土壤有机质含量为20.02 g/kg，全氮为6.67 g/kg，全磷为0.45 g/kg，全钾为4.89 g/kg，碱解氮为160.01 mg/kg，速效钾为77.61 mg/kg，速效磷为53.71 mg/kg，pH为6.15(水土比2.5∶1)。

1.2 试验材料

冬季稻田种植草本植物为紫云英和一年生黑麦草，种子来源于北京正道生态科技有限公司。饲养肉鸡品种为闽南黄鸡。

1.3 试验设计与田间管理

试验设5个处理：1)对照，冬季休闲(fallow，F)；2)冬季种植黑麦草(ryegrass，R)；3)冬季种植紫云英(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)，各处理试验小区按照随机区组排列，每个处理重复3次。小区面积为14 m×10 m。

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，播种后均不施肥。2014年11月25日将苗龄30 d的闽南黄鸡入田，用面积为9 m2的鸡笼在小区内轮牧放养，每日补充玉米(Zeamays)粉等饲料，每个鸡笼容纳鸡30只，12月3日鸡随鸡笼移开至养鸡小区其他位置放牧并且没有回到原来的位置。经测定统计，养鸡区9 m2面积内7 d共排放约21 kg鸡粪，相当于7 d内原位还田新鲜鸡粪2.3 kg/m2，相当于小区内施用的鸡粪量为23 t/hm2。

1.4 取样及气体采集方法

第一次取样时间为12月4日，取样方式为分层取0～10 cm和10～20 cm土壤样品，以后每隔20 d取土样一次，2015年2月6日后停止取样，直至50 d后，即2015年3月24日，早稻栽培前再取土壤样品一次，总共取样5次。土样采集方式为用直径5 cm、深20 cm的圆形土钻于各小区内S形取5点，分0～10 cm和10～20 cm两层取样。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，将土壤湿度调节至田间持水量的40%，在4 ℃冰箱中保存。微生物量碳氮测定前在25 ℃下预培养7～10 d，采用Brookes等[17]和Vance等[18]的氯仿熏蒸浸提法，KEC为转换系数0.38，KEN为0.45。另一部分土壤样品风干后，按照《土壤农化分析》[19]中的方法测定土壤基本理化性质。

紫云英和黑麦草产量：翻压前用面积为1 m2样框每小区随机取样3次，测定各小区草产量(鲜重)。

CO2和CH4净交换通量测定在鸡笼移开后，即2014年12月13日开始，每10 d一次，到2015年2月6日养鸡结束后共测定7次。测定采用超便携式温室气体(CH4、CO2、H2O)自动分析仪(Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer，美国Los Gatos Research公司产，仪器型号为915-0011-1000)与循环采气透明静态箱相结合。静态箱材质为透明有机玻璃，规格为30 cm×30 cm。每个小区布置一个相同尺寸的正方形底座，四边有凹槽，安装时底座边缘嵌入土中深3 cm。2015年3月24日(养鸡结束后第53天)紫云英和黑麦草翻入田中前再测定一次。测定时，静态箱置于底座上，凹槽内灌水以确保透明静态箱处于密闭状态，每个小区测定5 min，测定时间从上午9点开始。

1.5 气体通量计算及数据处理方法

CH4，CO2净交换通量计算公式为：

式中：F为CO2通量，单位为μmol/(m2·s)，或CH4通量，单位为nmol/(m2·s)；dc/dt为采样箱内CO2或CH4浓度(×10-6)随时间t(s)的变化率；P为标准状态下大气压力为101.2237×103Pa；V为箱体内有效体积(m3)，即透明箱体积减去底座内植株总体积和透明箱体内壁风扇和温度记录仪体积；R为气体常数8.3144J/(mol·K) ；A为透明箱覆盖面积(m2)；T为测定时透明箱内平均气温(K)；CO2和CH4累积排放量Ec(kg/hm2)计算式[20]为：

式中:n为冬季稻田观测次数；Fi和Fi+1为第i和i+1次测定时CO2和CH4通量；F1和Fn分别为第一次和最后一次测定的通量；ti+1和ti为第i+1和i次测定的时间间隔(d)；其中，CO2净交换总量为白天累计值，CH4为全天累计值。

1.6 数据统计与分析方法

经Excel2007整理数据后，采用SPSS18.0进行方差分析，采用Sigmaplot12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 冬季稻田系统净碳交换

各处理日间CO2净交换通量呈现较一致的变化趋势(图1A)。R、M和F3个处理整个试验期间日间为碳汇，RC和MC在鸡粪还田后51d内为碳源；后期紫云英与黑麦草植株生物量增大后，RC和MC又转为碳汇。鸡粪还田后第51天前，RC和MC处理土壤中土壤呼吸强烈，到鸡粪还田后第28天时CO2净交换量达到最大值，相应的CO2净交换通量分别为6.27和4.59μmol/(m2·s)。随后，可能剩余鸡粪逐渐分解释放出的CO2量减少，同时种植的黑麦草和紫云英生长后，白天固定的CO2量也已经有所增加，因此，净交换量上开始降低。R，M和F的CO2净交换通量动态变化趋势一致，并且在前期也没有量上的显著差异(P>0.05)。但是后期随着紫云英和黑麦草的快速生长，这3个处理间CO2净交换通量的差异变得显著(P<0.05)。鸡粪还田后第63天R，M和F这3个处理的CO2净交换通量分别为-9.81507，-13.36070和-8.94049μmol/(m2·s)，相互之间有显著差异(P<0.05)。如图1B所示，从排放的量上来说，各处理CH4净交换通量较低，为-0.512～0.312nmol/(m2·s)，对整个系统碳排放的贡献率较低。各处理CH4净交换通量基本为负值，表现为对CH4的吸收。

图2 种草养鸡对冬季稻田系统CH4净碳交换总量和 CO2白天净碳交换总量的影响Fig.2 Effect of forage planting and chicken rearing on the total net carbon exchange of CH4 and CO2 at daytime 不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。Different letters show significant difference (P<0.05). The same below.

白天净碳交换总量指生态系统中植株光合作用固定的CO2总量与植株自身呼吸和土壤呼吸释放的CO2总量的差值，可反映生态系统白天碳汇效应的强弱。如图2，从轮牧养鸡开始到紫云英和黑麦草翻压前共111 d，期间白天CO2和CH4净交换总量为正值，净交换总量范围CO2为472.9～1459.8 g/m2，CH4为3.06～22.88 mg/m2。不同处理间净碳交换总量存在显著性差异(P<0.05)，且CO2表现为M>R>F>RC>MC，CH4表现为M>R>MC>F>RC。本研究中的冬季稻田系统白天对CO2表现为强汇，CH4为弱汇。

2.2 冬季稻田不同土层活性碳氮转化

如图3，各处理0～10 cm土层(以下简称A层)以及10～20 cm土层(以下简称B层)SMBC含量都高于休闲对照F，差异显著(P<0.05)，说明在冬季稻田种草及种草养鸡能够显著提高土壤SMBC含量。3月最后一次取样由于温度升高等原因，土壤微生物活性增加，各处理SMBC含量均明显提高。A层中SMBC含量变化趋势为RC、MC和对照先略有下降，R和M则先上升，在鸡粪还田后第27天各处理均达到一个高峰，此时各处理SMBC含量分别比对照高出47.24，7.64，182.30和241.19 mg/kg，差异显著(P<0.05)，之后各处理SMBC均有下降。B土层SMBC含量变化趋势各处理均一致，都是先下降后逐渐上升。各处理SMBC含量与对照差异显著(P<0.05)，在最后一次取样时各处理SMBC含量为M>R>RC>MC>F，分别比对照高425.60%，266.30%，196.62%，179.79%。

各处理DOC含量变化趋势基本一致，呈升降起伏的趋势，A层DOC变化幅度在66.62～359.10 mg/kg；B层变化幅度为39.14～156.45 mg/kg。各处理各时期DOC在A、B层均高于对照，RC，MC，R和M的平均值分别高出对照123.07，143.04，00.79和108.29 mg/kg，达到显著性差异(P<0.05)。A层中DOC含量在2014年12月24日即达到最高值，各处理分别比对照高出141.14，177.90，136.95和127.16 mg/kg，存在显著差异(P<0.05)。之后各处理DOC含量快速下降。B层种草及种草养鸡处理中DOC在这一时期也是上升的态势，而对照是下降的趋势。

图3 种草养鸡对冬季稻田土壤0～10 cm和10～20 cm微生物量碳和可溶性碳的影响Fig.3 Effect of forage planting and chicken rearing on soil microbial biomass carbon and dissolved organic carbon of 0-10 cm and 10-20 cm soil

如图4，各处理各时期土壤SMBN均显著高于对照。A层MC、RC、R和M处理SMBN含量平均值高出对照157.78%，142.13%，117.03%，249.20%；B层MC、RC、R和M处理SMBN含量平均值高出对照363.03%，289.71%，356.81%，315.45%。A层SMBN含量整体呈增加的趋势，个别处理稍有下降，其中上升幅度最大为M处理；在养鸡结束后的2015年2月6日到3月24日，除对照外各处理均有大幅度上升。B层SMBN含量总体变化趋势随时有波动，但总体平稳，在2015年2月6日到3月24日，除对照外各处理大幅度上升。2月6日前, A层和B层DON含量变化趋势一致,各处理没有显著差异。到3月24日，随着气温的升高，各处理DON含量极大幅度的增加，且与对照差异显著。其中A层R、RC、M和MC 4个处理DON含量平均值比对照高81.13%、44.17%、22.64%和12.71%，B层RC、M、MC和R 4个处理DON含量平均值比对照高182.86%、158.59%、140.68%和111.02%。

图4 种草养鸡对冬季稻田土壤0～10 cm和10～20 cm微生物量氮和可溶性氮的影响Fig.4 Effect of forage planting and chicken rearing on SMBN and DON among 0-10 cm and 10-20 cm soil

2.3 冬季稻田土壤有机碳、全氮和草产量

图5 早稻播种前土壤有机碳、全氮和植株生物量比较Fig.5 Comparison of soil organic carbon, total nitrogen and yield of vegetation before early rice

如图5，各处理间草产量差异显著(P<0.05)，从大到小为M(15.61 t/hm2)>RC(14.88 t/hm2)>R(13.22 t/hm2)>MC(8.55 t/hm2)>F(1.01 t/hm2)；MC在4个处理中草产量最小，而RC处理仅次于M处理。造成MC草产量低的原因可能是紫云英不耐践踏和啄食。

与对照相比，种草及种草养鸡各处理均能提高冬季稻田土壤有机碳含量。其中，M和MC处理显著高于对照，而R和RC处理有机碳含量与对照比无显著差异。

鸡粪原位还田没有增加土壤全氮，各处理土壤全氮含量大小为M>R>F>RC>MC。除M与MC间差异显著(P<0.05)外，M与其他处理间土壤全氮含量无显著性差异。

3 讨论

研究表明，有机肥中的碳氮等元素是被土壤中的微生物固定还是释放到土壤中供植物来吸收利用，与有机肥的碳氮比率有很大的关联[21]。本研究中鸡粪原位还田后，增加了土壤有机质，提高了土壤微生物活性[22]，促进了鸡粪中有机碳氮的矿化；相应地，土壤中的SMBC、SMBN和DOC含量快速增加，而土壤中DON含量的变化幅度较低，主要是由于新鲜鸡粪的碳氮比在10～15之间[23-24]，这样的比率下土壤氮素具有较高的生物有效性[21]，一方面被植物吸收利用，另一方面也大量被土壤微生物固持。研究表明，旺盛的作物生长会增加土壤DON的含量[25]，且在作物开花期根系脱落物的碳可达根系碳含量的两倍[26]；高等植物光合作用固定的碳20%～60%被转移到植物地下部分，其中释放到土壤中的碳多年生植物最高可达其转移量的70%，一年生植物最高可达其转移量的40%[27]。因此，根系分泌物和脱落物就成为土壤碳氮库重要的“源”，本研究中种植紫云英和黑麦草及种草养鸡处理土壤有机碳在翻压前显著高于对照与此一致；但翻压前养鸡处理土壤全氮并没有显著增加，反而比对照低，可能是由于养鸡处理中有一部分紫云英和黑麦草由于鸡的啄食而有一部分氮素被移出土壤系统，且后期紫云英与黑麦草的生长又从土壤中吸收了大量的氮元素。虽然养鸡处理土壤全氮含量降低了，但由于鸡粪还田促进了紫云英和黑麦草的生长，其在早稻种植前翻压进入土壤后对土壤氮库的增加是可观的，周玲红等[7]报道，与单一紫云英和黑麦草种植模式相比，种草养鸡模式下紫云英和黑麦草翻压后对土壤微生物量和可溶性氮的贡献更大。在本研究中，种草和种草养鸡各处理最后一次取样时期土壤4种活性碳氮均显著高于其他时期，可能由于该时期气温回升，且黑麦草和紫云英生长旺盛，产生了大量可被微生物利用的根系分泌物及根系脱落物，向土壤中释放大量活性有机物，微生物生长活跃，土壤微生物量及土壤可溶性碳氮也相应增加[28]。

一般而言，有机肥的施用会增加产生CO2的外源物质，其矿化分解会增加CO2的产生量[29]，提高土壤-作物系统呼吸速率[22,30-32]。根系生长活力和呼吸也随之增强，总体表现出CO2的排放量增加[33]。本研究结果表明，鸡粪还田28 d后种紫云英养鸡和种黑麦草养鸡处理CO2白天净排放通量即达最高值，而在第40天则已经下降；与此相对应的，DOC和SMBC在28 d时上升，说明鸡粪原位还田在短时期内促进了土壤-植株系统的CO2排放量；而在第40天时，DOC下降，SMBC达到最高值，说明土壤微生物活性在增强时，土壤-植株系统净CO2排放并未增加。可见尽管鸡粪还田在前期矿化分解时会增加土壤-植株系统净CO2排放，但随着紫云英和黑麦草的生物量越来越大，其通过光合作用固定的CO2量也越来越高，最终白天的土壤-植株系统总净交换量表现为CO2的吸收。前人研究有机肥旱地施用对CH4排放的影响存在正反两方观点[32]。在本研究中，种草养鸡系统总体来看是CH4的弱吸收汇，可能归因于鸡粪中氨态氮含量较高，促进土壤中甲烷氧化菌的活性，从而减少甲烷排放[34]。

翻压绿肥等能够显著影响可溶性有机氮的积累[35]，提高SMBC和SMBN含量[36]。本试验的后续研究同样表明，早稻收获前将紫云英和黑麦草翻压还田后早稻土壤活性碳氮含量提高显著[7]，说明一定放牧强度的种草养鸡模式下，紫云英和黑麦草在一定程度补充鸡饲料之后，还能继续生长满足作为绿肥的需要。这样使得冬闲田既产出了高值化的生态土鸡，又能满足绿肥翻压还田改善土壤质量的需要，从而再同步收获了经济效益和生态效益。同时保证了早稻播种前有一定生物量的秸秆翻压入田，仍然可以发挥其补充有机质和土壤养分的作用。

4 结论

本研究采用超便携式温室气体分析仪器原位定量测定各处理冬季稻田系统净碳交换量，揭示了CO2和CH4动态变化和固碳特征，并测定土壤活性碳氮含量的动态变化。

1)与传统的冬闲相比，种草和种草养鸡均能提高冬季稻田系统白天CO2的植物固定和CH4的土壤氧化吸附，是较好的固碳减排措施。

2)种草和适宜的放牧强度可以显著影响到土壤微生物量碳氮含量和可溶性碳氮的含量，并提高土壤有机碳。种草养鸡，既能提高农田产值，又有足够的生物质作为绿肥翻压入田，以提高南方稻田土壤有机质水平。

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Effects of forage planting and chickens on net carbon exchange and transformation of soil active carbon and nitrogen at different layers in paddy fields in south China in winter

WEI Jia-Bin, ZHOU Ling-Hong, XU Hua-Qin*, TANG Qi-Yuan, FU Zhi-Qiang, CHENG Xiao-Lin, XIAO Zhi-Xiang, TANG Jian-Wu

CollegeofAgriculture,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China

In this study, we investigated the effects of different forages and chickens on the transformation of soil active organic carbon and nitrogen and net carbon exchange in paddy fields in south China in winter. The five treatments were as follows: fallow (F), planted with ryegrass (R), planted with Chinese milk vetch (M), planted with ryegrass and presence of chickens (RC), and planted with Chinese milk vetch and presence of chickens (MC). Net carbon emissions increased in the short term under RC and MC, but these systems were carbon sinks (817.38 g/m2under RC and 472.90 g/m2under MC) before the planting of early rice. All treatments were weak methane sinks (3.06-22.88 mg/m2). The amount of fixed carbon was significantly higher in R and M than in F, RC, and MC. Compared with F, the R, RC, M and MC treatments significantly increased the contents of soil active carbon and nitrogen. Although the average contents of soil microbial biomass carbon were lower under RC and MC than under R and M, the average contents of soil soluble carbon were higher. The R, RC, M, and MC treatments increased the contents of soil organic carbon and promoted soil carbon sequestration. The results of this study revealed that integrated forage planting combined with the presence of chickens can not only improve soil active carbon and nitrogen, but also increase carbon sequestration in paddy fields in south China in winter.

winter fallow paddy field; grass planting and chicken raising; soil microbial biomass carbon and nitrogen; dissolved organic carbon and nitrogen; net carbon exchange

10.11686/cyxb2017020

2017-01-18；改回日期：2017-03-14

国家自然科学基金(41571293,31100382)，湖南省科技厅区域合作项目(2016WK2009)和国家水稻产业岗位专家体系项目(CARS-01-30)资助。

魏甲彬(1987-)，男，湖南安化人，在读博士。E-mail: yeshangtianxia@163.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: xu7541@163.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

魏甲彬, 周玲红, 徐华勤, 唐启源, 傅志强, 成小琳, 肖志祥, 唐剑武. 南方种养结合模式对冬季稻田净碳交换和不同土层活性碳氮转化的影响. 草业学报, 2017, 26(7): 138-146.

WEI Jia-Bin, ZHOU Ling-Hong, XU Hua-Qin, TANG Qi-Yuan, FU Zhi-Qiang, CHENG Xiao-Lin, XIAO Zhi-Xiang, TANG Jian-Wu. Effects of forage planting and chickens on net carbon exchange and transformation of soil active carbon and nitrogen at different layers in paddy fields in south China in winter. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(7): 138-146.