稻鸭种养生态系统的碳氮效应及其循环特征

许国春　刘欣　王强盛　甄若宏　郑建初

摘要：稻田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，其碳氮吸收转化对全球碳氮循环具有不可忽视的作用。稻鸭种养生态系统由于鸭在稻田营养和时空生态位的添加，使稻田生态系统的碳氮循环更趋于复杂化、稳定性和可控性。在概述稻鸭种养生态系统碳氮循环特征的基础上，阐明稻鸭种养生态系统的固碳效益和氮素利用效率，对稻鸭共作生态系统的碳氮代谢及高效利用前景进行展望。

关键词：稻鸭共作；碳氮循环特征；氮素利用；生态系统；固碳效益

中图分类号： S181 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0393-04

工业革命以来，由于化工、石油等燃料大量使用、森林与草地过度开垦等原因，造成温室气体特别是CO2浓度剧增，地球温室效应增加，导致长期的全球气候变化[1-2]。目前，农业生产已成为温室气体的重要排放源，再加上人口快速增长带来的粮食需求大量增加，使未来20年农田温室气体的排放量将有所增加[3]。中国是全球水稻播种面积第二大国和世界最大的稻米生产国，面临稻田温室气体增排而导致全球温度升高的严峻形势。

水稻土是有机碳含量水平较高、当前固碳趋势明显且固碳潜力较大的特色耕作土壤[4]。稻田农业固碳与碳循环研究和整个农业系统的可持续发展息息相关。氮肥是农田生态系统人为投入量最大的农用化学品，稻田氮素污染主要包括径流污染、气态污染、渗漏污染等。由于氮污染具有发生时间的随机性、发生方式的间歇性、机理过程的复杂性、排放途径及排放量的不确定性、污染负荷时空变异性和监测与控制的困难性等特点[5]，进入环境的氮影响了社会经济的可持续发展和人类健康[6]，生态系统功能被削弱，流域水环境和水资源严重恶化，造成水体的富营养化。稻鸭共作生态系统作为一项种养结合、降本增效的生态农业技术，具有刺激水稻生长、促进养分物质循环和能量转化的作用[7]，本研究在概述稻鸭种养生态系统碳氮循环特征的基础上，阐明稻鸭种养生态系统的固碳效益和氮素利用效率，以更好地提高稻鸭共作生态技术在稻田固氮减排及养分循环利用上的应用效果。

1 稻鸭种养生态系统碳氮循环特征

1.1 碳循环特征

碳是地球上生命有机体的关键成分，以二氧化碳、碳酸盐及有机化合物等多种形式在环境中存在，碳循环是生物圈健康发展的重要标志[8]。在农田生态系统中，农作物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳并固定在作物体内，作物生长期间的凋落物、收获后的秸秆、根茬及根系释放的有机物质可以向土壤输入有机碳，有机肥和化肥中的碳量也是土壤碳的重要来源。作物和土壤通过呼吸作用向大气转移碳量，碳素还可沿着食物链流向家禽、家畜和人类，并通过人畜粪便及残留物重新进入系统[9]。

稻鸭种养生态系统的碳素循环发生在水稻-鸭-土壤（含水体层） 界面下（图1），受施肥制度、饲料、灌溉水等田间管理因素影响，并受到人为的补给和控制[10]。鸭的介入及其田间活动如喂食饲料、吃食杂草及害虫、排泄粪便、鸭的呼吸等，影响整个稻田系统的碳循环。有研究表明，稻鸭共作对杂草的防除效应达到96.1%，对稻飞虱的综合防效达到65.49%[11]。

1.2 氮循环特征

氮是作物生长发育最重要的元素之一，其循环路径和利用效率对提高生态系统生产力有着十分重要的作用。在农田生态系统中，氮素的输入主要有大气氮沉降、肥料氮素、生物固氮、秸秆还田等[12]，而氮素损失途径主要有NH3挥发、细菌反硝化作用、淋溶、土壤侵蚀、动物取走及NO2-的化学反应等（图1）。在长期稳定的自然稻田土壤中，氮素的输入和输出通常处于平衡状态[13]。

稻鸭种养生态系统中，鸭在田间留下的粪便是一个不可忽视的氮素输入源，整个水稻生长季节鸭粪的归还量可达140.10 kg/hm2[10]。此外，鸭的田间活动抑制了田间杂草的生长，减少了杂草和其他微生物对土壤和水体氮的吸收。有研究表明，稻鸭共作能提高拔节前氮素基蘖肥和当季氮肥的利用率，从而提高水稻的吸氮量，稻鸭共作使水稻有效分蘖临界叶龄期前、抽穗期至成熟期吸氮量和总吸氮量在无氮情况下分别增加0.98、2.85、9.10 kg/hm2，在常规施氮情况下分别增加4.21、5.00、5.40 kg/hm2，这可能与鸭的活动促进土壤养分活化有关[14-15]。

2 固碳效益

2.1 常规稻田

CO2、CH4和N2O是农田3种温室气体的重要排放源，其中，农业生产所产生的CH4和N2O分别占人为排放总量的50%和60%[16]。不合理的农田管理措施会强化农田温室气体排放源特征，弱化农田固碳作用。土壤碳库作为地球生态系统中最活跃的碳库之一，同时也是温室气体重要的排放源[17]，孙国锋等研究认为，采用猪粪、沼液替代化肥措施均不同程度地提高了土壤碳库管理指数，对改善稻麦两熟制农田土壤有机质的质量有重要作用[18]。李成芳等研究表明，秸秆还田显著提高CO2和N2O排放、降低CH4排放，显著提高了土壤的有机碳含量，从而有效提高了稻田土壤碳固定，对温室气体增排的温室效应有抵消作用[19]。逯非等试验表明，稻秸秆还田引起甲烷增排3.318 Tg/年，全球增温潜势达82.95 Tg CO2-eqv/年，为土壤固碳减排潜力的2.16倍[20]。秸秆还田提高了稻田土壤的固碳效率，但也可能引起甲烷增排。

稻田生态系统在采用一定的农业管理措施后，土壤有机碳将在一定时期内建立新的平衡[21]，达到新平衡需要的时间即为固碳持续时间[22]。朱利群等研究认为，有机无机配施和单施有机肥显著增加表土的固碳持续时间[23]；袁红朝等研究认为，长期施肥对土壤固碳细菌群落结构、多样性及数量有显著影响，施肥使固碳细菌cbbL基因数量增加，从而增强了卡尔文循环的第一步CO2固定反应[24]。在农田生态系统中，土壤有机碳的积累还往往伴随着氮素的积累[25]。周萍等通过长期试验发现，施肥条件下土壤固碳能有效促进单位质量氮素的农学效率，土壤固碳与氮素利用之间存在着明显的碳-氮耦合效应[26]。endprint

2.2 稻鸭种养生态系统

有研究表明，在晚稻整个生育期，稻-鸭生态种养对稻田CH4排放的控制效果明显，分别比免耕不养鸭稻田、翻耕不养鸭稻田的CH4排放量减少3.373、5.590 g/m2[27]。展茗等的试验结果表明，在整个生育期，稻田养鸭比不放鸭稻田的CH4排放量显著降低19.3%，但养鸭稻田的CO2排放量提高11.4%[28]。蔡祖冲等研究指出，稻田养鸭CH4排放降低21%～30%、CO2排放提高6.5%～10%，但基于两者释放量的温室效应计算，稻田养鸭能有效降低土壤碳排放，养鸭处理温室潜能为1 427 kg CO2/hm2，低于不养鸭处理的1 684 kg CO2/hm2；稻田养鸭促进了水稻的光合作用，水稻产量提高[29]。稻鸭种养生态系统提高了大气碳固定，促进了水稻植株的固碳能力，表现为大气碳“汇”，这与张帆等的研究结论[10]较为相似。

稻田养鸭生态系统中，鸭大量觅食田间杂草和浮游生物，可避免因杂草和浮游生物呼吸作用对水体溶氧的消耗，水体溶解氧增加，甲烷氧化菌的活性提高，甲烷菌的生长活性受到抑制，促使土壤产生的甲烷更多在田间水中被氧化，从而降低了甲烷的排放量。同时，鸭的游动和觅食搅动了表层土壤，使土壤与大气的交换频率加快，增加了田泥和氧气的接触机会，改善了土壤的氧化还原状况。与常规稻作相比，稻鸭共作系统的水稻根系活力、根系总吸收面积和活跃吸收面积分别增加4.76%～72.54%、9.16%～32. 07%和0.93%～55.31%[30]；王强盛等研究表明，稻鸭共作提高了水稻深层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]，增加根区氧浓度，刺激甲烷氧化菌生长[33]，加速甲烷氧化，使甲烷排放减少。

3 氮素利用

3.1 常规稻田

氮素流失、氨挥发和氮素利用率一直是稻田氮素研究关注的重点和热点。有关稻田氮素的流失研究，邱卫国等通过测坑定位试验研究表明，稻田氮素渗漏流失以NO3--N为主，使用有机肥替代化肥可减少稻田氮素渗漏流失量，在化肥用量减少20%～30%的情况下，氮素渗漏流失量可以减少19.43%～25.91%[34]；郭智等试验表明，秸秆还田能降低侵蚀泥沙全氮和速效氮的平均浓度[35]；李妍等通过秸秆掩埋深度和埋草量试验显示，埋草深度35 cm、埋草量5 kg/m2可以显著降低稻田渗漏液的流失[36]。因此，适宜的秸秆还田量和还田深度能够减少氮素的淋失，减轻环境污染。有关稻田氨挥发的研究，主要涉及温度、湿度、光照、风速等气候条件、土壤性质、种植方式及化肥类型、用量等。彭世彰等试验表明，控制灌溉与淹水灌溉稻田氨的挥发量以纯氮计分别为125.27、145.64 kg/hm2，分别占稻季施氮量的31.06%、36.11%[37]；李菊梅等试验表明，单施尿素的稻田氨挥发损失达37.8%，而单施有机肥和有机无机肥各半配合施用的稻田，氨挥发分别为0.7%～1.0%、7.2%～18.2%[38]。对于稻田氮素利用率，朱兆良指出，中国稻田碳铵氮素吸收利用率低于30%，尿素为30%～40%[39]；张福锁等通过稻田大量试验发现，水稻的氮肥农学效率为10.4 kg/kg，氮肥利用率为28.3%[40]，低于Cassman等水稻氮肥农学利用率为15～18 kg/kg的报道[41]。刘立军等研究表明，土壤背景氮过高是水稻氮肥利用率下降的重要原因[42]。为提高稻田氮肥利用率，近期一些新产品、新技术和新方法不断在探索和实践，如控释肥、缓效肥和改性尿素的使用，定量施肥、配方施肥等。

3.2 稻鸭种养生态系统

稻鸭共作由于鸭的引入，使稻田形成一个复合种养的生态系统，使整个系统具有更好的次级生产力，鸭的日常活动与排泄等行为使系统更加复杂化，系统氮的投入与产出也发生改变。在氮输入方面，除靠化学肥料和灌溉水外，稻鸭共作系统因有次级生产鸭的引入，氮还可通过饲料和鸭粪归还给土壤，在稻鸭共作系统中，化学氮的输入占43.29%，饲料氮占38.74%；在氮输出方面，稻鸭共作生态系统除籽粒与秸秆外，还通过鸭产品输出氮，占据氮输出的15.62%[43]。余翔等通过田间试验分析稻鸭共作、常规栽培和淹灌单作3种稻作方式的稻田氮素渗漏和径流特征，结果表明，在氮素输入方面，稻鸭共作系统以鸭粪的形式增加了13.2 kg/hm2的氮素投入，田间施氮量比常规栽培减少12.8 kg/hm2；在氮素输出方面，稻鸭共作生态系统比常规栽培减少了19.3 kg/hm2的氮素径流损失和1.2 kg/hm2的氮素渗漏损失，增加约9.3 kg/hm2的水稻吸氮量[14]。李成芳等研究表明，与常规稻作相比，稻鸭共作稻田土壤、田面水全氮含量增加，土壤、田面水NH+4含量和水稻含氮量显著提高，而土壤、田面水NO3-含量无明显变化，水稻总吸氮量极显著提高，高于常规稻作17.8%[44]。稻鸭种养生态系统提高水稻群体氮素的吸收利用，一方面是由于鸭的存在抑制了稻田水生生物水藻的生长，减少了其对土壤和水体氮的吸收，从而提高了有效肥力供应；另一方面是鸭的田间活动和刺激作用提高了水稻的根系活力，减缓了水稻生育后期根系活跃吸收面积下降速度[30，45-47]。

4 展望

碳氮循环是农田生态系统最基本的生态过程，人为因素和自然变迁的强烈影响，对调节农田生态系统的生产力、稳定性、持续性及环境效应作用巨大，种植措施、土壤性质、气候变化等对作物-土壤-大气碳氮循环具有明显的调控作用。稻鸭种养生态系统由于鸭在时间和空间上生态位的增加，使稻作系统碳氮循环更加优化、更具可控性。首先，在稻鸭种养生态系统中，鸭的活动增加了田间水的溶氧量，加速根系泌氧，促使甲烷氧化菌活性提高，抑制甲烷的排放，其温室潜能低于常规稻田；其次，稻鸭种养生态系统的氮素利用率较高，鸭粪氮的还田，减少了化学氮的使用量，并在一定程度上减少了氮素的径流、渗漏损失，提高了水稻的吸氮能力。因此，稻鸭种养生态系统改善了常规稻田存在的不足，优化了农田生态系统的结构，增强了农田生态效率。endprint

面对当前越来越突出的农业环境问题，结合稻田碳氮循环途径，稻鸭共作生态农业发展亟需开展多维的集成研究与应用。秸秆还田作为近年来重点关注和广泛推广的农业生产技术，不仅减少了直接燃烧造成的CO2增排，而且改变了稻田生态系统的土壤碳库和碳氮循环。秸秆还田虽增加了稻田甲烷的排放，但与机械化耕种、稻鸭共作有效衔接，可加速秸秆腐解，适度控制了温室气体排放。增强土壤的碳“汇”特征，还需在土壤质地、还田方式及种植模式等方面深入研究。微生物是农田生态系统碳氮转化途径的主要驱动因子，是稻田有机碳氮和无机碳氮之间转换的枢纽，微生物群体在稻鸭共作生态系统中如何影响稻田生态过程的群落结构、多样性组成、时空分布特征及分子作用机制仍需进一步探索。目前，稻田氮素投入量大而利用效率低，氮素的径流损失与渗漏更引发了水体富营养化，带来一系列环境问题，稻鸭共作生态农业具有节氮增效的作用，但如何更好地与生物肥料、缓效肥料、改性肥料和有机肥料的高效耦合及运筹管理，减少稻田生态系统化学氮的过度依赖、维持稻作系统的生态健康需重点研究。

总之，稻鸭种养生态农业在稻田碳氮循环的高效利用及生物控制方面与常规稻田相比具有无与伦比的生态效果，进一步加强该系统的碳氮代谢调节，构建高效的农田物质循环途径，改善农田小生境，可充分发挥生态农业技术在现代农业发展过程的功能效应。

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