稻鴨種養生態系統的碳氮效應及其循環特征

許國春　劉欣　王強盛　甄若宏　鄭建初

摘要：稻田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，其碳氮吸收轉化對全球碳氮循環具有不可忽視的作用。稻鴨種養生態系統由于鴨在稻田營養和時空生態位的添加，使稻田生態系統的碳氮循環更趨于復雜化、穩定性和可控性。在概述稻鴨種養生態系統碳氮循環特征的基礎上，闡明稻鴨種養生態系統的固碳效益和氮素利用效率，對稻鴨共作生態系統的碳氮代謝及高效利用前景進行展望。

關鍵詞：稻鴨共作；碳氮循環特征；氮素利用；生態系統；固碳效益

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

工業革命以來，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，地球溫室效應增加，導致長期的全球氣候變化[1-2]。目前，農業生產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國，面臨稻田溫室氣體增排而導致全球溫度升高的嚴峻形勢。

水稻土是有機碳含量水平較高、當前固碳趨勢明顯且固碳潛力較大的特色耕作土壤[4]。稻田農業固碳與碳循環研究和整個農業系統的可持續發展息息相關。氮肥是農田生態系統人為投入量最大的農用化學品，稻田氮素污染主要包括徑流污染、氣態污染、滲漏污染等。由于氮污染具有發生時間的隨機性、發生方式的間歇性、機理過程的復雜性、排放途徑及排放量的不確定性、污染負荷時空變異性和監測與控制的困難性等特點[5]，進入環境的氮影響了社會經濟的可持續發展和人類健康[6]，生態系統功能被削弱，流域水環境和水資源嚴重惡化，造成水體的富營養化。稻鴨共作生態系統作為一項種養結合、降本增效的生態農業技術，具有刺激水稻生長、促進養分物質循環和能量轉化的作用[7]，本研究在概述稻鴨種養生態系統碳氮循環特征的基礎上，闡明稻鴨種養生態系統的固碳效益和氮素利用效率，以更好地提高稻鴨共作生態技術在稻田固氮減排及養分循環利用上的應用效果。

1 稻鴨種養生態系統碳氮循環特征

1.1 碳循環特征

碳是地球上生命有機體的關鍵成分，以二氧化碳、碳酸鹽及有機化合物等多種形式在環境中存在，碳循環是生物圈健康發展的重要標志[8]。在農田生態系統中，農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，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物質可以向土壤輸入有機碳，有機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入系統[9]。

稻鴨種養生態系統的碳素循環發生在水稻-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，影響整個稻田系統的碳循環。有研究表明，稻鴨共作對雜草的防除效應達到96.1%，對稻飛虱的綜合防效達到65.49%[11]。

1.2 氮循環特征

氮是作物生長發育最重要的元素之一，其循環路徑和利用效率對提高生態系統生產力有著十分重要的作用。在農田生態系統中，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]，而氮素損失途徑主要有NH3揮發、細菌反硝化作用、淋溶、土壤侵蝕、動物取走及NO2-的化學反應等（圖1）。在長期穩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[13]。

稻鴨種養生態系統中，鴨在田間留下的糞便是一個不可忽視的氮素輸入源，整個水稻生長季節鴨糞的歸還量可達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前氮素基蘗肥和當季氮肥的利用率，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土壤養分活化有關[14-15]。

2 固碳效益

2.1 常規稻田

CO2、CH4和N2O是農田3種溫室氣體的重要排放源，其中，農業生產所產生的CH4和N2O分別占人為排放總量的50%和60%[16]。不合理的農田管理措施會強化農田溫室氣體排放源特征，弱化農田固碳作用。土壤碳庫作為地球生態系統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，對改善稻麥兩熟制農田土壤有機質的質量有重要作用[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。

稻田生態系統在采用一定的農業管理措施后，土壤有機碳將在一定時期內建立新的平衡[21]，達到新平衡需要的時間即為固碳持續時間[22]。朱利群等研究認為，有機無機配施和單施有機肥顯著增加表土的固碳持續時間[23]；袁紅朝等研究認為，長期施肥對土壤固碳細菌群落結構、多樣性及數量有顯著影響，施肥使固碳細菌cbbL基因數量增加，從而增強了卡爾文循環的第一步CO2固定反應[24]。在農田生態系統中，土壤有機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現，施肥條件下土壤固碳能有效促進單位質量氮素的農學效率，土壤固碳與氮素利用之間存在著明顯的碳-氮耦合效應[26]。endprint

2.2 稻鴨種養生態系統

有研究表明，在晚稻整個生育期，稻-鴨生態種養對稻田CH4排放的控制效果明顯，分別比免耕不養鴨稻田、翻耕不養鴨稻田的CH4排放量減少3.373、5.590 g/m2[27]。展茗等的試驗結果表明，在整個生育期，稻田養鴨比不放鴨稻田的CH4排放量顯著降低19.3%，但養鴨稻田的CO2排放量提高11.4%[28]。蔡祖沖等研究指出，稻田養鴨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計算，稻田養鴨能有效降低土壤碳排放，養鴨處理溫室潛能為1 427 kg CO2/hm2，低于不養鴨處理的1 684 kg CO2/hm2；稻田養鴨促進了水稻的光合作用，水稻產量提高[29]。稻鴨種養生態系統提高了大氣碳固定，促進了水稻植株的固碳能力，表現為大氣碳“匯”，這與張帆等的研究結論[10]較為相似。

稻田養鴨生態系統中，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會，改善了土壤的氧化還原狀況。與常規稻作相比，稻鴨共作系統的水稻根系活力、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 常規稻田

氮素流失、氨揮發和氮素利用率一直是稻田氮素研究關注的重點和熱點。有關稻田氮素的流失研究，邱衛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，減輕環境污染。有關稻田氨揮發的研究，主要涉及溫度、濕度、光照、風速等氣候條件、土壤性質、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損失達37.8%，而單施有機肥和有機無機肥各半配合施用的稻田，氨揮發分別為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現，水稻的氮肥農學效率為10.4 kg/kg，氮肥利用率為28.3%[40]，低于Cassman等水稻氮肥農學利用率為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，近期一些新產品、新技術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 稻鴨種養生態系統

稻鴨共作由于鴨的引入，使稻田形成一個復合種養的生態系統，使整個系統具有更好的次級生產力，鴨的日常活動與排泄等行為使系統更加復雜化，系統氮的投入與產出也發生改變。在氮輸入方面，除靠化學肥料和灌溉水外，稻鴨共作系統因有次級生產鴨的引入，氮還可通過飼料和鴨糞歸還給土壤，在稻鴨共作系統中，化學氮的輸入占43.29%，飼料氮占38.74%；在氮輸出方面，稻鴨共作生態系統除籽粒與秸稈外，還通過鴨產品輸出氮，占據氮輸出的15.62%[43]。余翔等通過田間試驗分析稻鴨共作、常規栽培和淹灌單作3種稻作方式的稻田氮素滲漏和徑流特征，結果表明，在氮素輸入方面，稻鴨共作系統以鴨糞的形式增加了13.2 kg/hm2的氮素投入，田間施氮量比常規栽培減少12.8 kg/hm2；在氮素輸出方面，稻鴨共作生態系統比常規栽培減少了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，高于常規稻作17.8%[44]。稻鴨種養生態系統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；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

碳氮循環是農田生態系統最基本的生態過程，人為因素和自然變遷的強烈影響，對調節農田生態系統的生產力、穩定性、持續性及環境效應作用巨大，種植措施、土壤性質、氣候變化等對作物-土壤-大氣碳氮循環具有明顯的調控作用。稻鴨種養生態系統由于鴨在時間和空間上生態位的增加，使稻作系統碳氮循環更加優化、更具可控性。首先，在稻鴨種養生態系統中，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稻田；其次，稻鴨種養生態系統的氮素利用率較高，鴨糞氮的還田，減少了化學氮的使用量，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，稻鴨種養生態系統改善了常規稻田存在的不足，優化了農田生態系統的結構，增強了農田生態效率。endprint

面對當前越來越突出的農業環境問題，結合稻田碳氮循環途徑，稻鴨共作生態農業發展亟需開展多維的集成研究與應用。秸稈還田作為近年來重點關注和廣泛推廣的農業生產技術，不僅減少了直接燃燒造成的CO2增排，而且改變了稻田生態系統的土壤碳庫和碳氮循環。秸稈還田雖增加了稻田甲烷的排放，但與機械化耕種、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。增強土壤的碳“匯”特征，還需在土壤質地、還田方式及種植模式等方面深入研究。微生物是農田生態系統碳氮轉化途徑的主要驅動因子，是稻田有機碳氮和無機碳氮之間轉換的樞紐，微生物群體在稻鴨共作生態系統中如何影響稻田生態過程的群落結構、多樣性組成、時空分布特征及分子作用機制仍需進一步探索。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了水體富營養化，帶來一系列環境問題，稻鴨共作生態農業具有節氮增效的作用，但如何更好地與生物肥料、緩效肥料、改性肥料和有機肥料的高效耦合及運籌管理，減少稻田生態系統化學氮的過度依賴、維持稻作系統的生態健康需重點研究。

總之，稻鴨種養生態農業在稻田碳氮循環的高效利用及生物控制方面與常規稻田相比具有無與倫比的生態效果，進一步加強該系統的碳氮代謝調節，構建高效的農田物質循環途徑，改善農田小生境，可充分發揮生態農業技術在現代農業發展過程的功能效應。

參考文獻：

[1]Herzog H，Eliasson B，Kaarstad O. Capturing greenhouse gases[J]. Scientific American，2000，282（2）： 72-79.

[2]Lal R. Carbon sequestration[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B，2008，363（1942）：815-830.

[3]Beach R H，Deangelo B J，Rose S，et al. Mitigation potential and costs for global agricultural greenhouse gas emissions[J]. Agricultural Economics，2008，38（2）： 109-115.

[4]潘根興，趙其國，蔡祖聰.《京都議定書》生效后我國耕地土壤碳循環研究若干問題[J]. 中國基礎科學，2005（2）：12-18.

[5]柴世偉，裴曉梅，張亞雷，等. 農業面源污染及其控制技術研究[J]. 水土保持學報，2006，12（6）：192-195.

[6]李海波，韓曉增，王 風.長期施肥條件下土壤碳氮循環過程研究進展[J]. 土壤通報，2007（2）：384-388.

[7]甄若宏，王強盛，沈曉昆，等. 我國稻鴨共作生態農業的發展現狀與技術展望[J]. 農村生態環境，2004，20（4）：64-67.

[8]張 賽，王龍昌. 全球變化背景下農田生態系統碳循環研究[J]. 農機化研究，2013（1）：4-9.

[9]孫振鈞，周東興. 生態學研究方法[M]. 北京：科學出版社，2010：17.

[10]張 帆，高旺盛，隋 鵬，等. “雙季稻-鴨”共生生態系統C循環[J]. 生態學報，2012，32（10）：3198-3208.

[11]甄若宏，王強盛，張衛建，等. 稻鴨共作對稻田主要病、蟲、草的生態控制效應[J]. 南京農業大學學報，2007，30（2）：60-64.

[12]劉守龍. 亞熱帶稻田土壤有機碳氮循環[D]. 武漢：華中農業大學，2006.

[13]李成芳. 稻田生態種養模式氮素轉化規律的研究[D]. 武漢：華中農業大學，2008.

[14]余 翔，王強盛，王夏雯，等. 機插稻鴨共作系統氮素基蘗肥用量對水稻群體質量與氮素利用的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2009，15（3）：529-536.

[15]余 翔，王強盛，王紹華，等. 稻鴨共作系統的稻田氮素滲漏和徑流特征[J]. 應用生態學報，2009，20（1）：143-148.

[16]Pandey A，Mai V T，Vu D Q，et al. Organic matter and water management strategies to reduce methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in Vietnam[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2014，196（15）： 137-146.

[17]石岳峰，吳文良，孟凡喬，等. 農田固碳措施對溫室氣體減排影響的研究進展[J]. 中國人口·資源與環境，2012（1）：43-48.

[18]孫國峰，周 煒，陳留根，等. 豬糞沼液施用對麥稻輪作土壤碳庫特性的影響[J]. 水土保持學報，2012，26（4）：148-152.

[19]李成芳，寇志奎，張枝盛，等. 秸稈還田對免耕稻田溫室氣體排放及土壤有機碳固定的影響[J]. 農業環境科學學報，2011，30（11）：2362-2367.

[20]逯 非，王效科，韓 冰，等. 稻田秸稈還田：土壤固碳與甲烷增排[J]. 應用生態學報，2010，21（1）：99-108.

[21]Johnson M G，Levine E R，Kern J S. Soil organic matter： distribution，genesis，and management to reduce green house gas emissions[J]. Water，Air，& Soil Pollution，1995，82（3）： 593- 615.endprint

[22]West T O，Six J. Considering the influence of sequestration duration and carbon saturation on estimates of soil carbon capacity[J]. Climatic Change，2007，80（1/2）：25-41.

[23]朱利群，楊敏芳，徐敏輪，等. 不同施肥措施對我國南方稻田表土有機碳含量及固碳持續時間的影響[J]. 應用生態學報，2012，23（1）：87-95.

[24]袁紅朝，秦紅靈，劉守龍，等. 長期施肥對稻田土壤固碳功能菌群落結構和數量的影響[J]. 生態學報，2012，32（1）：183-189.

[25]潘根興，趙其國. 我國農田土壤碳庫演變研究：全球變化和國家糧食安全[J]. 地球科學進展，2005，20（4）：384-393.

[26]周 萍，潘根興，李戀卿，等. 南方典型水稻土長期試驗下有機碳積累機制 Ⅴ. 碳輸入與土壤碳固定[J]. 中國農業科學，2009，42（12）：4260-4268.

[27]向平安，黃 璜，黃 梅，等. 稻-鴨生態種養技術減排甲烷的研究及經濟評價[J]. 中國農業科學，2006，39（5）：968-975.

[28]展 茗，曹湊貴，汪金平，等. 稻鴨復合系統的溫室氣體排放及其溫室效應[J]. 環境科學學報，2009（2）：420-426.

[29]Cai Z C，Xing G X，Yan X Y，et al. Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilisers and water management[J]. Plant and Soil，1997，196（1）： 7-14.

[30]全國明，章家恩，滕麗麗，等. 稻鴨共作對水稻根系生長的影響[J]. 華南農業大學學報，2008（3）：1-5.

[31]王強盛，甄若宏，丁艷鋒，等. 稻鴨共作下水稻植株的壯稈效應及生理特性[J]. 應用生態學報，2008，19（12）：2661-2665.

[32]劉依依，傅志強. 水稻根系泌氧特性及其影響因素[J]. 作物研究，2014（3）：312-315.

[33]Watanabe I，Hashimoto T，Shimoyama A. Methane-oxidizing activities and methanotrophic populations associated with wetland rice plants[J]. Biology and Fertility of Soils，1997，24（3）： 261-265.

[34]邱衛國，唐 浩，王 超. 上海郊區水稻田氮素滲漏流失特性及控制對策[J]. 中國環境科學，2005，25（5）：558-562.

[35]郭 智，肖 敏，陳留根，等. 稻田徑流侵蝕泥沙對氮素流失的影響[J]. 土壤通報，2011，42（5）：1219-1224.

[36]李 妍，劉 茜，扶明英，等. 模擬秸稈集中溝埋還田對氮素淋失的影響[J]. 江蘇農業學報，2013，29（4）：784-790.

[37]彭世彰，楊士紅，徐俊增. 節水灌溉稻田氨揮發損失及影響因素[J]. 農業工程學報，2009，25（8）：35-39.

[38]李菊梅，徐明崗，秦道珠，等. 有機肥無機肥配施對稻田氨揮發和水稻產量的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2005，11（1）：51-56.

[39]朱兆良. 農田中氮肥的損失與對策[J]. 土壤與環境，2000，9（1）：1-6.

[40]張福鎖，王激清，張衛峰，等. 中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報，2008，45（5）：915-924.

[41]Cassman K G，Gines G C，Dizon M A，et al. Nitrogen-use efficiency in tropical lowland rice systems： contributions from indigenous and applied nitrogen[J]. Field Crops Research，1996，47（1）： 1-12.

[42]劉立軍，徐 偉，唐 成，等. 土壤背景氮供應對水稻產量和氮肥利用率的影響[J]. 中國水稻科學，2005，19（4）：343-349.

[43]張 帆，隋 鵬，陳源泉，等. “稻鴨共生”生態系統稻季N、P循環[J]. 生態學報，2011，31（4）：1093-1100.

[44]李成芳，曹湊貴，展 茗，等. 稻鴨共作對稻田氮素變化及土壤微生物的影響[J]. 生態學報，2008，28（5）：2115-2122.

[45]全國明，章家恩，陳 瑞，等. 稻鴨共作對稻田水體環境的影響[J]. 應用生態學報，2008，19（9）：2023-2028.

[46]甄若宏，王強盛，周建濤，等. 稻鴨萍共作復合生態系統的物能特征分析[J]. 中國生態農業學報，2009，17（3）：574-579.

[47]甄若宏，王強盛，鄧建平，等. 稻鴨萍共作復合系統的主要生態效應[J]. 生態與農村環境學報，2006，22（3）：11-14.孫正國. 龍葵對鎘污染土壤的響應及其修復效應研究[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：397-401.endprint