冬閑稻田養雞結合生物炭施用對雙季稻田產量及土壤有機碳、活性碳氮的影響

周玲紅，張 浪，魏甲彬，成小琳，肖志祥，徐華勤，唐劍武，唐啟源

（湖南農業大學農學院，長沙 410128）

生物質炭（Biochar，也可簡稱為生物炭）一般是指各種生物質如木材、植物組織、動物骨骼或畜禽排泄物及農林廢棄物等在完全或部分缺氧和相對較低溫度（＜700℃）的條件下經熱裂解或炭化而產生的一類富碳物質[1]。因其具有高度的穩定性、巨大的比表面積、豐富的孔隙結構和較強的吸附能力[2]，在土壤理化性質改良、吸附固定土壤養分和土壤微生物活性、群落結構等方面受到科研工作者的極大關注[3-5]。前人研究表明生物炭的孔隙結構及其對水肥的吸附作用可為微生物提供良好的棲息環境[6]，其可利用組分可直接被微生物生長利用[7]，為微生物的生長提供更多的碳源，從而增加土壤微生物量。例如韓瑋等[8]試驗表明生物炭處理下土壤微生物量碳、氮、磷的含量明顯高于對照，Liang等[9]研究也得出生物炭的長期效應使土壤微生物量顯著提高。但也有研究報道農田施用生物炭對微生物量碳、氮影響并不顯著[10]，這可能與土壤類型、生物炭來源等因素有關。不過，生物炭在農業上的應用還存在一定的問題，因生物炭自身所含的礦質養分很少，故單施生物炭不能使土壤變得更為肥沃。農業應用上有將生物炭與牲畜糞便混合發酵等程序制成生物炭基有機肥，但該方法費時費力。

我國南方稻區是我國雙季稻主產區，冬閑田約有2000多萬公頃[11]，當前冬閑田的利用方式主要是種植綠肥或油菜等冬季作物[12]。但是這種利用模式經濟效益不高，影響農民應用的積極性。通過冬閑稻田養雞，養雞產生的雞糞在田間原位腐解，利用冬閑田作為有機肥發酵和堆放的地點，即可培肥稻田地力，又能減少后期水稻（Oryzɑ sɑtivɑ）種植期間的化肥用量，該模式在南方雙季稻種植區得到了一定的應用推廣[13]。在該區域的前期研究發現，冬閑田種植綠肥和田間原位養雞結合，可顯著提高稻田微生物量碳、氮和可溶性有機碳、氮含量[14]。原因可能是因為雞糞有機肥和綠肥翻壓能為微生物提供大量的碳源和氮源，增加了根系生物量及根系分泌物，促進土壤微生物生長[15]，從而使得土壤微生物量碳、氮含量增加。不過需要指出的是田間原位養雞排泄的雞糞肥直接排放于土壤表面，易被雨水沖刷淋失，且會增加溫室氣體的排放[16]。

生物炭有較大的孔隙度和較強吸附性能，可吸附肥料養分、延緩肥料養分的釋放[17]。因此生物炭可以減少隨水淋失氮、磷養分的含量，從而使其保持較長時間的供肥作用[18]，且較多研究得出生物炭施用還能減少溫室氣體的排放[19]，具有較好的固碳減排效果[20]。所以本研究嘗試冬閑田養雞配施生物炭的互補效應，雞糞可補充生物炭含量較少的礦質養分，生物炭的吸附作用減少雞糞肥原位還田養分的流失，并通過雞糞田間原位腐解培肥，減少雙季稻生長期間化肥用量，研究其對雙季稻生長期間土壤有機碳和活性碳、氮的動態變化，為南方雙季稻區稻田土壤肥力的生態培育及農民增收提供科學依據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及地點

試驗于2015—2016年在湖南農業大學耘園試驗基地進行，供試土壤為河流沖積物發育的潮土。供試生物炭為湖南省長沙市生物質能源利用研究中心提供的水稻谷殼生物炭，該生物炭在300～450℃下限氧炭化而成，總碳含量為575.30 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀含量分別為1.90、10.40 g·kg-1和12.90 g·kg-1。供試土壤有機質含量為23.42 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.68、0.88 g·kg-1和9.78 g·kg-1，銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀含量分別為29.81、15.13、32.43 mg·kg-1和126.49 mg·kg-1，pH為6.09。

1.2 試驗設計與栽培管理

試驗于2015年對冬閑稻田設4個處理，每個處理3個重復，共12個小區，每個小區面積為27 m2（3 m×9 m），采用隨機區組設計，各小區間起壟覆膜隔開，2016年均種植雙季稻。其中冬閑稻田4個處理如下：

（1）冬季休閑，簡稱冬閑（F）：冬閑對照在上一年度晚稻機械收獲后將稻草移走，冬季休閑。2016年早稻施純氮、P2O5和 K2O分別為 150、75 kg·hm-2和K2O 135 kg·hm-2，晚稻分別為180、105 kg·hm-2和150 kg·hm-2；

（2）冬閑稻田添加生物炭（B）：于上一年度晚稻收獲后將生物炭均勻撒在田塊表面并通過翻耕與0～15 cm的土壤混合均勻，生物炭施用量為30 t·hm-2。2016年雙季稻種植期間化肥N、P、K用量與處理F相同；

（3）冬閑稻田養雞（C）：于2015年12月3日將飼養120 d的本地土雞放入稻田，用大小為3 m×3 m的籠子進行圈養，籠內飼喂30只雞，每8 d挪動一次雞籠，共挪動5次（首次放入籠子時不算入移動雞籠，8 d后首次移動，5次移動后各小區每3 m×3 m的籠子區域均有2次16 d的停留時間）。雞飼料為50%玉米+10%米糠+35%苜蓿草粉+5%預混料喂養，至2016年1月28日結束養雞。在相同的飼料投喂情況下于室內飼養與田間籠養同一批次土雞1只，用于估算雞糞排放量，得出約7.3 kg·m-2新鮮雞糞還田，肉雞和蛋雞的糞便含水量為52.31%，風干雞糞總含N、P2O5和K2O分別為10.3、9.4 kg·t-1和8.7 kg·t-1[21]，因此本研究中還田的雞糞肥約含N、P2O5和K2O分別為358.62、327.28 kg·hm-2和302.91 kg·hm-2。2016年雙季稻每季化肥N和K減少20%，P不變；即早稻純氮120 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 108 kg·hm-2；晚稻純氮144 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2。本研究磷肥未減量是因為有研究表明一定施肥量的基礎上，適當減少氮肥，增加磷肥，對產量有提高作用[22-23]。

（4）冬閑稻田養雞配施生物炭結合（BC）：生物炭施用同處理F，養雞同處理B。雞苗放入田中8 d后移動雞籠到另一區域，將前一區域的雞糞與生物炭翻耕混勻，同時將其他處理小區的相應面積也進行翻耕。2016年雙季稻種植期間化肥N、P、K用量與處理C相同。

2016年4月開始種植雙季稻，早稻供試品種中嘉早17，于2016年3月26日播種，4月27日移栽，移栽密度為16.7 cm×20 cm，每穴栽4根基本苗，7月15日收獲；晚稻供試品種為湘晚秈12號，播種期為2016年6月23日，7月19日移栽，移栽密度為20 cm×20 cm，每穴栽2根基本苗，10月27日收獲。各小區單灌單排，田間管理措施均一致。肥料施用方法為磷肥做基肥一次性施用，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4施用；鉀肥按照基肥∶穗肥=7∶3施用。

1.3 取樣及分析

取土樣測定微生物量碳、氮及可溶性有機碳、氮。取樣時間分別為：早稻種植前（2016年4月21日）、早稻苗期（2016年5月6日）、分蘗盛期（5月20日）、孕穗期（6月10日）、灌漿期（6月30日）、成熟期（7月15日）；晚稻苗期（7月31日）、晚稻分蘗盛期（8月17日）、晚稻孕穗期（9月7日）、晚稻齊穗期（9月18日）、晚稻灌漿期（10月9日）、晚稻成熟期（10月27日）。其中土壤有機碳采樣時間為早稻種植前（2016年4月21日），早、晚稻收獲后本研究指早、晚稻成熟期。

農村養老的供給主體一般包括家庭、社區、宗族、國家。受計劃經濟時期城鄉二元體制與“大政府，小社會”的雙重影響，農村在國家資源和利益分配中處于不利地位，導致我國農村養老資源匱乏，調整供給主體、集中力量保障農村養老成為迫切需求。現行調整的關鍵在于把以家庭為核心的供給主體轉變成為以國家為核心的供給主體。通俗來講，在農村養老保障中應保持“大政府”的職能，國家需要統籌農村養老保障事業，就需要在資源和制度方面加強供給，著力擺脫依附土地和家庭的養老模式。據此，國家應充分發揮職能進行系統性的農村養老保障制度建設。

試驗地耕層厚度為25 cm，每個取樣時期于各小區按S形采集5個樣點，用20 cm深的土鉆采集耕作層0～20 cm土壤樣品，混合均勻后用四分法分成兩個部分，一部分過2 mm篩后4℃保存，用于測定土壤微生物量碳、氮和可溶性有機碳、氮；另一部分風干過篩，用于測定土壤有機質。土壤微生物量碳、氮含量根據Brookes等[24]和Vance等[25]的方法，采用氯仿熏蒸浸提法測定，KEC轉換系數為0.38，KEN為0.45[25]。熏蒸開始的同時，另稱取等量土樣，加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，未熏蒸濾液中的碳和氮含量作為可溶性有機碳、氮。土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[26]。

早、晚稻收獲時每小區連續調查120穴的有效穗數，求出平均數，按平均數法各小區取8蔸水稻植株，風干后進行室內考種。考種項目包括有效穗數、每穗實粒數、空癟粒數與千粒重等。每個小區實割200穴植株脫粒后測算出實際產量。

1.4 統計分析

經Excel 2007整理數據后，采用SPSS 12.5軟件進行不同處理之間方差分析（ANOVA）、多重比較（采用Duncan新復極差法）、季節變異程度（變異系數Coefficient of variation，CV）進行描述，所有數據均進行正態分布和齊性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同冬閑稻田處理對水稻產量構成因素的影響

由表1可知，早、晚稻的理論產量和實際產量均表現為BC＞C＞B＞F，早稻BC顯著高于其他處理，晚稻BC顯著高于B和F，各處理均顯著高于F（P＜0.05）。與F相比，B、C和BC早稻實際產量增幅分別為12.09%、12.44%和19.25%；晚稻增幅分別為7.14%、8.39%和12.87%；BC與B和C相比，早稻實際產量增幅范圍分別為6.39%和6.06%，晚稻增幅分別為5.34%和4.13%。

處理間產量差異主要是有效穗數和每穗粒數不同所致。早、晚稻B、C和BC三個處理的有效穗數均顯著高于F，增幅分別為1.54%～7.67%和7.51%～12.52%；早稻每穗粒數C和BC顯著高于B和F（P＜0.05）。

2.2 不同冬閑稻田處理對土壤有機碳的影響

由表2可見，與F處理相比，B、C和BC三個處理均顯著提高了土壤有機碳含量（P＜0.05）。其中BC處理土壤有機碳含量顯著高于其他處理，在早稻種植前、早稻收獲后和晚稻收獲后分別比F處理增加了26.81%、31.09%和26.47%。B處理有機碳含量次之，均顯著高于C和F處理。從不同取樣時期來看，早稻種植前有機碳含量最高，早稻收獲后有所降低，晚稻收獲后，BC和B差異不顯著，但顯著高于C和F。說明冬閑稻田養雞配施生物炭保持和提升土壤有機碳的效果較二者單施更為突出，生物炭施用又優于冬閑稻田養雞。

2.3 不同冬閑稻田處理對土壤活性碳的影響

2.3.1 土壤微生物量碳

由圖1可見，不同冬閑稻田處理條件下土壤微生物量碳（SMBC）變幅很大，為316.34～685.80 mg·kg-1。早稻和晚稻BC處理SMBC含量均顯著高于F，最大分別較F提高了48.20%和44.42%；除晚稻成熟期外，C處理均顯著高于冬季休閑（P＜0.05）；除晚稻分蘗期、齊穗期和成熟期，BC處理顯著高于B，最大提高了28.75%。除早稻苗期和晚稻分蘗期外，BC處理顯著高于C處理，最大提高了27.12%，說明養雞配施生物炭的效果優于二者單獨施用。C處理SMBC在早稻種植前顯著高于B處理，但在早稻分蘗期和成熟期B顯著高于C，其他時期二者無顯著差異。

表2 不同冬閑稻田處理對土壤有機碳的影響（g·kg-1）Table 2 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil organic carbon（g·kg-1）

2.3.2 可溶性有機碳

由圖2可見，不同冬閑稻田處理條件下可溶性有機碳（DOC）變幅為43.63～165.99 mg·kg-1。BC處理的DOC含量均顯著高于F，較F提高了19.88%～87.03%。除早稻孕穗期和晚稻齊穗期，C處理均顯著高于F，其中最大提高了45.46%。除早稻苗期和孕穗期，B處理均顯著高于F，其中最大提高了59.80%。

除早稻成熟期外，BC處理顯著高于C處理，不同時期提高幅度為8.22%～29.51%；除早稻孕穗期和成熟期以及晚稻苗期、分蘗期和成熟期外，BC處理顯著高于B，不同時期提高幅度為6.18%～48.05%。

早、晚稻各取樣時期DOC的平均值同SMBC一致，均表現為BC顯著高于其他處理，C和B差異不顯著，但顯著高于F（P＜0.05），表明養雞配施生物炭能顯著提高土壤DOC含量。與F相比，BC、C和B早稻各生育時期平均值分別增加了35.44%、19.30%和15.77%，晚稻各生育時期平均值分別增加了42.08%、19.05%和28.78%。不同冬閑稻田處理早、晚稻DOC分別在苗期和孕穗期達最大值。

表1 不同處理對水稻產量構成因素的影響Table 1 Effects of different treatments on yield components of rice

圖1 不同冬閑稻田處理對土壤微生物量碳的影響Figure 1 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil microbial biomass carbon

圖2 不同冬閑稻田處理對土壤可溶性有機碳的影響Figure 2 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil dissolved organic carbon

2.4 不同冬閑稻田處理對土壤活性氮的影響

2.4.1 土壤微生物量氮

由圖3可見，不同處理下土壤微生物量氮（SMBN）變幅為16.31～106.29 mg·kg-1。除晚稻齊穗期外，BC處理SMBN含量均顯著高于F，較F提高了15.52%～175.78%。早稻種植前和早稻生育期間，C和B處理均顯著高于F，其中在早稻成熟期較F分別提高了127.11%和135.38%，晚稻苗期至孕穗期B和C處理也顯著高于F。除晚稻孕穗期至灌漿期外，BC處理顯著高于B，其中最大提高了29.82%；除早稻分蘗期和晚稻齊穗期外，BC處理顯著高于C處理，其中最大提高了46.44%。

圖3 不同冬閑稻田處理對土壤微生物量氮的影響Figure 3 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil microbial biomass nitrogen

早稻不同取樣時期SMBN的平均值來看，BC與C和B差異不顯著，BC和C顯著高于F，與F相比分別增加64.63%和37.83%，B與F差異不顯著；晚稻不同取樣時期SMBN的平均值來看BC顯著高于C和F，較C和F分別增加了42.29%和27.43%（P＜0.05）。說明冬閑田養雞配施生物炭對雙季稻田SMBN的提高作用更大。各處理SMBN在早稻種植前最高，早稻苗期和孕穗期較高，齊穗期和成熟期急劇下降；晚稻苗期和分蘗期較高，后期SMBN持續降低。

2.4.2 土壤可溶性有機氮

由圖4可見，不同處理條件下可溶性有機氮（DON）含量變幅為52.42～191.84 mg·kg-1。除早稻分蘗期和晚稻成熟期外，BC均顯著高于F，較F提高了3.57%～105.40%。除早稻苗期和分蘗期以及晚稻灌漿期外，B處理顯著高于F，其中最大提高了51.25%。早稻除分蘗期外C處理顯著高于F，其中最大提高了40.75%，晚稻僅孕穗期和齊穗期顯著高于F。

除早稻分蘗期和晚稻灌漿期外，BC處理顯著高于B，其中最大提高了45.50%。早稻種植前BC與C差異不顯著，早稻生育期間BC顯著高于C，晚稻除灌漿期和成熟期外BC也顯著高于C，其中最大提高了45.93%（P＜0.05）。

從不同取樣時期DON的平均值來看，早稻不同時期的平均值BC顯著高于C、B和F，分別高出27.84%、26.77%和50.23%；晚稻不同時期的平均值BC顯著高于C和F，較二者分別高出19.43%和29.95%。說明養雞配施生物炭能顯著提高DON含量。早稻C和F處理的DON含量在苗期達最高值，BC和B則在孕穗期達最高；晚稻苗期DON含量最高，分蘗期次之。

2.5 土壤有機碳及活性碳、氮的季節變異程度

變異系數可用來反映樣本的變異程度，本試驗對不同處理下的有機碳和活性碳、氮的季節變異進行分析，用變異系數來表示其季節變異程度，即其季節波動的劇烈程度。由表3可以看出SMBN的變異程度大于SMBC；施用生物炭及養雞配施生物炭降低了土壤有機碳季節變異系數，F處理變異系數最高，但差異均不顯著；SMBC中C處理變異系數顯著高于B和F處理，BC和B、F處理差異不顯著；DOC和SMBN均表現為B和BC處理變異系數較小，顯著低于C和F處理；DON變異系數BC顯著高于B和C處理。

2.6 早、晚稻產量與土壤有機碳及活性碳、氮之間的相關性

相關分析表明，各處理早、晚稻產量與土壤有機碳、SMBC、DOC、SMBN、DON含量均呈極顯著正相關關系，其中SMBC與早稻和晚稻的相關系數最大，分別為0.930和0.889（表4）。

圖4 不同冬閑稻田處理對土壤可溶性有機氮的影響Figure 4 Effects of different winter fallow paddy field treatments on soil dissolved organic nitrogen

表3 不同冬閑稻田處理下土壤有機碳和活性碳、氮的季節變異系數（%）Table 3 Coefficients of seasonal variation of the soil organic carbon and soil active carbon and nitrogen under different treatments（%）

表4 產量與土壤有機碳和活性碳、氮間的相關性Table 4 Correlation between yield and soil organic carbon and soil active carbon and nitrogen

3 討論

本研究結果中雙季稻生育時期土壤有機碳和活性碳、氮含量基本表現為冬閑田養雞配施生物炭提高效果較二者單施更優，冬閑田對照最低。稻田冬閑期養雞處理中因為雞糞自身含有豐富的碳和氮且結構較簡單，施入土壤中被微生物迅速分解，產生大量活性碳、氮[27]。本研究中施用生物炭處理有機碳含量高于養雞和冬閑，活性碳含量也基本顯著高于冬季休閑處理。可能是因為雞糞施用后會逐漸降解，致使有機碳含量降低；而生物炭包含較多的惰性碳，在土壤的中難降解，直接提高了土壤有機碳含量。另一方面生物炭能吸附土壤中的有機分子，通過表面催化活性促進有機分子的聚合形成土壤有機質[9]；且生物炭對水肥的吸附作用為微生物提供良好的棲息環境和碳源[28]。把余玲[29]研究結果也得出小麥/玉米殘體與其生物炭單施或配施均顯著提高土壤微生物量和可溶性碳含量，原因可能是生物炭具有多孔結構及對可溶性有機質及無機養分（NH+4）等吸附性強，使其能保蓄更多的可溶性碳，提高微生物碳源和養分的有效性[30]。

本研究中冬閑田養雞配施生物炭提高效果較二者單施更優。這可能與生物炭和雞糞肥的互補或協同作用有關，因為養雞配施生物炭較單獨養雞能提供更多的有機碳源，增加微生物對養分的固定；且生物炭能延長肥料的釋放期[31]，減少養分的淋失[32-33]，增加氮素的固持，促進了有機氮的礦化[34]，從而提高土壤活性碳、氮含量[35-36]。

本研究中相對于養雞和對照處理，施用生物炭以及養雞配施生物炭處理可以減少有機碳、活性碳及SMBN的季節波動。這表明生物炭施用的重要影響可能是減少土壤有機碳、活性碳和SMBN的季節變化程度，從而增加土壤養分的穩定性。黃劍[37]也得出施用生物炭可以顯著減少土壤微生物量碳、氮的季節波動，原因可能是施用生物炭通過改變土壤孔隙大小，增加土壤溶液滯留時間，從而來減少土壤溶液的淋洗[38]。本研究中雞糞施用后會隨著降解和淋溶有機碳含量降低，養雞配施生物炭處理對養分具有一定的束縛和持留作用[39]，從而有效降低碳的損失。

有研究表明施用生物炭或有機肥能有效提高水稻產量[40]，例如劉曉霞等[41]研究發現外源添加生物炭顯著提高了水稻穗長和產量。戴企平等[42]研究得出“稻-雞”種養農作模式與單純種水稻模式相比，“稻-雞”種養能明顯提高水稻產量。本研究結果與上述結果相似，養雞配施生物炭以及二者單施均顯著提高了雙季稻產量，以配施提高最顯著。可能是因為養雞和施用生物炭增加土壤的有機碳含量，提高了土壤C/N比，增加土壤有效氮的可利用性，促進了作物吸收利用，提高作物產量[43]。養雞與生物炭結合處理較單獨養雞處理能提供較多的有機碳源，且生物炭能延長肥料的釋放期[31]，配施有機碳和活性碳等養分的季節變異較小，減少養分的淋失[32]，從而促進水稻產量的提高。李文軍等[44]研究得出土壤有機碳、氮活性組分與土壤生產力的關系密切，這與本試驗結果相似。本研究中水稻產量與土壤有機碳及活性碳、氮呈極顯著相關，說明土壤有機碳及活性碳、氮的大小可作為衡量水稻產量高低的依據之一。

4 結論

（1）冬閑稻田養雞、生物炭單施及二者結合施用均能提高雙季稻田有機碳和活性碳、氮含量，冬閑田養雞與生物炭結合施用提高效果更顯著，且養雞配施生物炭能顯著提高雙季稻產量；

（2）從時間尺度變化來看，添加生物炭下土壤有機碳、活性碳和SMBN的季節變異程度較養雞和對照處理更為平緩。