稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的調控與機制*

王強盛

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稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的調控與機制*

王強盛

(南京農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)作制度與生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)實驗室 南京 210095)

水稻在我國糧食作物種植中占據(jù)主導地位, 在保障糧食安全、關系國計民生方面有著重要的作用。稻田是溫室氣體甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的重要排放源。因此, 控制稻田溫室氣體排放對緩解全球溫室效應具有重要作用。近年來, 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)在我國發(fā)展迅速, 具有穩(wěn)產(chǎn)增效、綠色發(fā)展的重要功效, 同時顯著影響了稻田溫室氣體排放特征以及全球增溫潛勢(global warming potential, GWP)。稻鴨共作、稻田養(yǎng)小龍蝦、稻魚共作、稻田養(yǎng)蟹、稻田養(yǎng)鱉等稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)模式, 由于稻田養(yǎng)殖生物在稻田生態(tài)系統(tǒng)中添加生態(tài)位、延長食物鏈的增環(huán)作用, 通過其持續(xù)運動、覓食活動等, 不同程度地影響稻田溫室氣體的排放量和GWP, 總體呈現(xiàn)出減緩溫室效應的趨勢。本文概述了稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的CH4和N2O的排放特征及水分管理和施肥措施的影響效應, 探討了稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的減排途徑, 并分析了稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的研究前景, 以期為我國稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展和稻田生態(tài)系統(tǒng)減排增效提供參考。

稻田; 種養(yǎng)結合；循環(huán)農(nóng)業(yè); CH4排放; N2O排放; 水肥管理

稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)模式利用稻田的水環(huán)境養(yǎng)殖蝦蟹類、魚類(鯉魚、鯽魚、泥鰍、鯰魚、甲魚、黃鱔等)、鴨等水產(chǎn)或水禽, 是一種稻田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的高效養(yǎng)殖模式。該模式實現(xiàn)了“水稻+水產(chǎn)/水禽”互利共生, 提高了稻田綜合利用率; 并通過“水稻+水產(chǎn)/水禽”結合, 實現(xiàn)“一水兩用、一田雙收、穩(wěn)糧增效”, 增加農(nóng)民收益, 有利于糧食安全、食品安全和生態(tài)安全, 是實施稻作供給側改革的關鍵途徑, 推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和鄉(xiāng)村振興的主導模式。近年來, 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)是中央1號文件主推技術, 也是農(nóng)業(yè)部和多數(shù)省份農(nóng)業(yè)重點推廣的核心技術之一, 在全國得到十分快速的模式創(chuàng)新和發(fā)展應用, 具有顯著的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益, 不僅能夠大幅度減少化學肥料的投入, 還能通過稻田蓄水養(yǎng)殖, 調節(jié)稻田生態(tài)系統(tǒng)微環(huán)境, 控制部分有害生物的發(fā)生, 促進稻田物質和能量的多級利用[1]。2017年底全國稻田種養(yǎng)面積達到160多萬hm2, 并呈現(xiàn)快速增長趨勢。

第5次IPCC報告稱, 甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體濃度已上升到歷史以來最高水平, 農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量約占全球人為活動產(chǎn)生的溫室氣體排放總量的12%, 農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的CH4和N2O分別約占全球溫室氣體總排放量的50%和60%[2], 其中稻田是大氣CH4和N2O重要排放源之一, 我國水稻播種面積位列全球第二, 約占全世界水稻面積的20%, 對稻田采取適宜的減排措施, 減少溫室氣體排放量和增溫潛勢, 是降低極端氣候災害發(fā)生、緩解氣候變化需要解決的重要問題[3], 顯得尤為緊迫。稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè), 與常規(guī)稻作相比, 由于稻田生態(tài)系統(tǒng)的生境有較大變化, 具有很好的減排增效潛力。

1 稻田種養(yǎng)的CH4排放途徑及影響因素

1.1 CH4排放途徑

稻田CH4排放分為CH4產(chǎn)生、再氧化和傳輸3個步驟。稻田CH4是在嚴格厭氧的環(huán)境條件下, 由土壤中的產(chǎn)甲烷菌分解有機物質而生成的。稻田淹水后, 土壤中的O2、Fe3+等依次被還原消耗, CO2迅速累積, pH接近中性, 土壤的氧化還原電位急劇下降, 為產(chǎn)甲烷菌提供一個還原性的厭氧土壤。當土壤Eh<-150 mV時, 產(chǎn)甲烷細菌的活性提高, 不斷分解有機碳生成CH4[4]。土壤中有機物質包括各種有機肥料、動植物殘體、土壤腐殖質以及水稻根系的脫落物和分泌物等, 在細菌作用下, 將其主要分解為CO2或者乙酸, 產(chǎn)甲烷菌參與以下兩個反應生成CH4: CO2+4H2→CH4+2H2O和CH3COOH→CH4+CO2。稻田產(chǎn)生的CH4在排放到大氣之前有80%~94%被氧化[5], CH4的氧化一般在有氧環(huán)境中進行, 也可以在厭氧條件下進行, 其中有氧氧化發(fā)生在水層土壤交界面以及在深層土壤中的水稻根際[6], 受O2濃度的限制。CH4主要通過植株通氣組織、氣泡以及分子擴散實現(xiàn)傳輸。CH4以土壤→根表面水膜→根皮層細胞壁溶液→根皮層→胞間隙和通氣組織→莖部→低葉位的葉鞘表皮微孔進行釋放[7], 而CH4從土壤向上層乃至大氣傳輸?shù)囊合鄶U散比通氣組織的氣相擴散要慢得多[8]。

稻鴨共作稻田的CH4排放途徑與常規(guī)稻田相似, 且CH4排放高峰出現(xiàn)的時間、生育期內CH4排放規(guī)律差異不明顯, 而相較于常規(guī)稻作, 稻鴨共作稻田的CH4排放速率顯著降低[9]。

1.2 稻田種養(yǎng)結合的CH4排放影響因素

1.2.1 水分管理

水分管理是影響種養(yǎng)結合的稻田CH4排放的重要因素之一, 水分通過影響土壤Eh、O2供給、土壤微生物(最主要的是產(chǎn)甲烷菌)活性及CH4擴散速率來實現(xiàn)對稻田CH4排放的調控[10]。常規(guī)稻田長期淹灌致使稻田排放大量CH4[11-12], 冬閑期稻田持續(xù)淹水, 會導致非水稻種植季CH4的大量排放, 也會顯著促進隨后水稻季的CH4排放[13-15]。而稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)中, 由于養(yǎng)殖生物和水稻生長發(fā)育對水分的要求不同, 通常采用不同的“深-淺”水分動態(tài)管理模式, 能破壞由長期淹灌形成的厭氧環(huán)境, 顯著降低CH4的排放量[16-17]。因此, 水分管理對于控制種養(yǎng)結合稻田CH4的釋放至關重要。

稻鴨共作是至今稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)最為典型模式之一, 近20多年來在我國已有豐富的生態(tài)理論研究與實踐應用。該模式放鴨前田間水深保持在1~3 cm, 便于秧苗返青; 水稻活棵后的分蘗期放鴨入田, 水層在5~8 cm, 并逐步加大水層深度至10 cm左右, 抽穗后鴨子趕出稻田, 稻田實行干干濕濕[18]?，F(xiàn)有研究表明, 稻鴨共作能夠減少稻田CH4排放, 通常減排在20%~30%左右[19]。黃璜等[20]試驗認為, 養(yǎng)鴨對稻田CH4排放高峰期排放量的控制效果最為明顯, 可降低60.7%。展茗等[21]結果表明, 與不養(yǎng)鴨稻田相比, 稻田養(yǎng)鴨CH4排放量顯著降低19.3%。Cai等[22]研究指出, 稻田養(yǎng)鴨CH4排放降低21%~30%。袁偉玲等[23]兩年試驗表明, 寬窄行栽插水稻條件下, 養(yǎng)鴨稻田水稻整個生育期內的CH4年排放通量分別比水稻單作減少23%~26%。向平安等[24]研究表明, 免耕條件下養(yǎng)鴨稻田CH4排放量比不養(yǎng)鴨稻田降低10.5%。Xu等[19]認為, 機插水稻的稻鴨共作稻田CH4排放量比常規(guī)水稻降低了8.80%~ 16.68%。稻鴨共作降低CH4排放量的原因在于: 與田間水無較大波動、底層土壤長期處于厭氧狀態(tài)的常規(guī)稻作水分管理相比, 放鴨期間, 鴨可在稻田間來回游動, 攪動土壤, 加速根系泌氧, 也增加了土壤與O2接觸的機會, 能夠降低稻田表層水體溫度與pH值, 提高氧化還原電位, 減少CH4的產(chǎn)生量[25-26]; 此外, 鴨子覓食田間雜草及浮游生物等, 控制了雜草等對溶氧的消耗[27], 促使甲烷氧化菌的活性提高, CH4在排放到大氣之前就被氧化掉, 從而降低了CH4的排放量。

我國稻魚共作可追溯到公元前400年, 不僅適量滿足了民眾對魚類的需求, 也適度增加了效益。稻魚共作期間一般水稻田面以上維持20~40 cm左右[28], 然而稻魚共作對稻田CH4排放量的影響結果不一。袁偉玲等[23]研究發(fā)現(xiàn), 養(yǎng)鯽魚稻田水稻整個生育期內的CH4年排放通量比水稻單作減少12%~16%。劉小燕等[29]也認為, 稻田養(yǎng)金魚顯著降低了CH4排放通量高峰值, 其CH4排放通量平均值比常規(guī)稻田減排15%。周江偉等[30]試驗表明, 水稻全生育期內, 免耕稻鱉魚的CH4排放比免耕水稻單作、免耕稻魚、免耕稻鱉分別減少39.9%、21.6%和29.2%。以上這些稻魚共作模式能夠減少CH4排放的原因可能是: 與常規(guī)稻作相比, 稻魚共作的深水灌溉削弱了CH4以氣泡和液相擴散兩種通道向外釋放的傳輸效率, 且深水可能導致水稻根系活力下降, 對CH4的吸收減弱, 以植株作為主通道釋放的CH4也減少; 與稻鴨共作相比, 稻田養(yǎng)魚的水層較深, 土壤難以與大氣進行氣體交換, 而魚覓食浮游生物, 可減少水中的O2消耗, 溶解氧增加, 改善了土壤的氧化還原情況[31], 促進了CH4的氧化, 從而CH4排放量下降。但Frei等[32-33]研究表明, 稻魚共作會增加CH4排放; Bhattacharyya等[34]也同樣發(fā)現(xiàn), 與水稻單作相比, 稻鯪魚共作增加26%的CH4排放。而這些稻魚共作增加CH4排放的原因, 可能是魚的活動強度、呼吸消耗大, 使產(chǎn)生的CH4更容易向外擴散, 水體的溶解氧減少, 降低了土壤Eh, 從而增加CH4排放。因此, 稻魚共作的稻田CH4排放變化需根據(jù)品種類型、水層深度、氣溫狀況等條件深入研究。

稻蝦/蟹種養(yǎng)結合是繼稻魚、稻鴨共作后由于小龍蝦在全國迅速掀起的“紅色風暴”而創(chuàng)新發(fā)展的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。目前全國大約有70%小龍蝦來自稻田種養(yǎng)的, 也是稻田種養(yǎng)面積最大的模式。這一種養(yǎng)模式在水稻移栽后淺水分蘗并逐漸加深水層, 拔節(jié)后一般維持在20~40 cm。目前, 對于稻蝦種養(yǎng)的稻田溫室氣體排放研究極為有限。有研究表明, 與水稻-油菜種植模式比較, 稻田養(yǎng)小龍蝦模式下CH4排放量降低39.5%~64.7%[35]; 徐祥玉等[36]兩年試驗表明, 養(yǎng)小龍蝦稻田的CH4累積排放量比不養(yǎng)小龍蝦稻田顯著降低, CH4的降幅在29.02%~41.19%, 尤其是降低了插秧前CH4排放。Hu等[37]研究表明, 稻田養(yǎng)蟹較水稻單作可顯著減少CH4排放量, 在水生植物存在條件下CH4排放量減少38.7%, 無水生植物存在條件下減少72.9%。出現(xiàn)這些結果的原因可能是插秧前深度淹水, 氧氣不足, 使得土壤中的產(chǎn)甲烷菌活性提高, 產(chǎn)生大量CH4, 然而很難通過氣泡和液相擴散釋放出去, 但是稻田里的小龍蝦、螃蟹鉆洞使土壤的含氧量有所增加, 雖然土壤Eh不會發(fā)生較大變化, 但可降低產(chǎn)甲烷菌豐度、增加甲烷氧化菌豐度[38], 由此降低CH4排放量。

1.2.2 施肥措施

常規(guī)稻作以施用無機肥為主, 而稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)為了保證稻田養(yǎng)殖生物的環(huán)境條件, 一般以施用有機肥料為主, 做到有機-無機復合肥配施, 外加投喂養(yǎng)殖生物時未被完全吸收的餌料, 以及生物的殘體、排泄物等生物肥料。施肥措施對種養(yǎng)結合稻田的CH4排放有明顯影響, 體現(xiàn)在有機肥的類型、用量及施用方式上。有機肥的類型很多, 主要包括農(nóng)作物秸稈、綠肥、沼肥等, 施用方式也有基肥、種肥、追肥等。常規(guī)稻作施肥通常分為基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ实? 而種養(yǎng)結合稻田施肥遵循的原則是“少量多次”, 基肥以有機肥為主, 追肥配施有機-無機復合肥, 有機肥種類與常規(guī)稻作基本相似。碳氮比是影響稻田CH4產(chǎn)生的重要因素, CH4產(chǎn)生和排放隨著有機物碳氮比的提高而增加。有研究表明, 稻鴨共作下的肥料利用率大于常規(guī)稻作[39]。稻田綜合種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)中, 綠肥或秸稈還田等有機肥料都為產(chǎn)甲烷菌提供了大量的碳源, 且碳氮比高, 會導致CH4排放量顯著增加, 并隨有機物用量的增加而增加[40-42]。焦燕等[43]研究表明, 施用小麥秸稈大大促進了CH4的排放, 其增幅在2.0~8.3倍。而經(jīng)過干燥處理的沼渣還田由于大部分活性有機碳已經(jīng)被分解利用并產(chǎn)生沼氣, 導致其碳氮比下降, 可降低CH4排放約60%[44]。

甄若宏等[45]研究表明, 稻-鴨-萍共作復合系統(tǒng)中, 綠萍能固氮富鉀, 為鴨子提供飼料, 再通過“過腹還田”培肥土壤, 在一定程度上滿足水稻植株對養(yǎng)分的需求。Xu等、Liu等[46-48]結果表明, 麥秸還田水稻-小麥、沼渣還田水稻-小麥、水稻-綠肥、冬季休耕-水稻4種輪作系統(tǒng)的稻鴨共作稻田CH4排放量分別比常規(guī)稻作下降16.02%、9.79%、14.26%、9.51%, 且稻鴨共作的稻季減排效果以秸稈還田、綠肥還田最為明顯。徐祥玉等[36]研究表明, 在水稻秸稈高茬還田條件下, 養(yǎng)殖小龍蝦稻田CH4排放量比不養(yǎng)殖小龍蝦的稻田減少35.1%, 比無稻草還田、不養(yǎng)殖小龍蝦的稻田減少6.6%, 小龍蝦通過取食秸稈減少碳源并使得利用有機酸的微生物豐度提高而降低乙酸累積[49], 從而降低CH4排放量。

2 稻田種養(yǎng)的N2O排放途徑及影響因素

2.1 N2O排放途徑

土壤中硝化、反硝化作用是稻田N2O的主要來源[50]。通氣良好的條件下, 土壤微生物(硝化細菌)將銨鹽轉化為硝酸鹽, 并在轉化過程中釋放部分N2O, 即為硝化過程; 通氣不良條件下, 土壤微生物(反硝化細菌)將硝酸鹽、硝態(tài)氮還原成氮氣(N2)或氧化氮(N2O, NO), 即為反硝化過程[51]。

稻田土壤環(huán)境是復雜的、不均衡的, 硝化作用和反硝化作用可以同時發(fā)生。稻田N2O的釋放量取決于這兩種作用的反應速率、N2O在反應產(chǎn)物中的比例及N2O逸散進入大氣前在土壤中的擴散程度。硝化作用中, 通常NH4+的氧化速率比其產(chǎn)生速率快, 若O2供應不足, NO2-不能被徹底氧化成NO3-, 就會導致N2O生成量增加; 反硝化作用中, NO3-、NO2-或O2濃度增加, N2O排放量增加。稻田N2O產(chǎn)生、傳輸和排放受到水分和肥料管理的制約而存在顯著的變化。

稻鴨共作稻田N2O排放途徑與常規(guī)稻田較為一致, 且N2O排放高峰出現(xiàn)的時間、各生育期N2O排放特征相似[21]。但相較于常規(guī)稻作, 養(yǎng)殖生物的稻田放養(yǎng)豐富了稻田生態(tài)系統(tǒng)的物種數(shù)量、延長了食物鏈、影響了微生物菌群與外界環(huán)境的反應, 因此種養(yǎng)結合稻田的N2O排放通量、排放速率等有所不同。

2.2 稻田種養(yǎng)結合的N2O排放影響因素

2.2.1 水分管理

水分管理影響稻田土壤的通氣狀況和氧化還原電位, 從而影響硝化和反硝化作用。稻田長期淹水形成厭氧環(huán)境, 過深的田面水阻礙土壤中產(chǎn)生的N2O向大氣擴散, 停留在土壤中以至于被進一步還原成N2, 基本監(jiān)測不到N2O排放[52]; 而稻田落干期間, 通氣良好, 氧氣含量增加, 硝化細菌活性增強, 尤其是擱田期稻田N2O排放占生育期排放總量的87.5%~98.7%[53]。

稻鴨共作的水分管理是鴨子在田間行走時鴨腳能夠觸碰到稻田表層土壤的水層深度, 從而發(fā)揮鴨子的防控效果?，F(xiàn)有研究表明, 稻鴨共作增加了稻田N2O排放。許國春等[48]認為, 稻鴨共作的全生育期稻田N2O排放量比常規(guī)稻作高5.88%~12.46%。李成芳等[54]研究表明, 在水稻全生育期間, 稻田養(yǎng)鴨較常規(guī)稻田N2O釋放量提高6.7%; 袁偉玲等[23]兩年試驗表明, 稻田養(yǎng)鴨整個生育期內N2O年排放通量較水稻單作提高8%~13%。展茗等[21]研究指出, 養(yǎng)鴨稻田N2O排放量比常規(guī)稻田顯著增加了10%。稻鴨共作導致N2O增排的可能原因是: 一方面是與常規(guī)稻作相比, 種養(yǎng)結合稻田的水分管理為了兼顧水稻和鴨子生長發(fā)育的共同需求, 在不同生長階段采用不同的水層深度, 為鴨子在稻田中的活動創(chuàng)造條件, 從而抑制了稻田雜草及其他需氧生物生長, 并且鴨子捕食浮游生物, 使水體中被消耗的溶解氧減少, 土壤Eh值升高, 故N2O釋放增加; 另一方面, 稻鴨共作的稻田由于鴨子的棲息、活動攪動水層, 加速土壤與大氣的交換, 增加了土壤與氧氣接觸的機會, 改善了土壤的氧化還原狀況, 導致N2O釋放的增加。

稻魚共作的稻田水層較稻鴨共作深, 使得稻田N2O排放量降低。李成芳等[54]研究表明, 在水稻全生育期間, 養(yǎng)殖鯽魚的稻田N2O排放量較常規(guī)稻田降低6.9%; 袁偉玲等[23]兩年試驗表明, 養(yǎng)鯽魚稻田整個生育期N2O年排放通量相比于水稻單作均減少了8%。Bhattacharyya等[34]研究表明, 與水稻單作相比, 稻-鯪魚共作可降低N2O排放量9%。稻魚共作稻田N2O排放量減少的可能原因是: 與常規(guī)稻作相比, 稻田養(yǎng)魚期間的水層較深以滿足魚的生存需要, 而魚的活動攪渾了田面水, 抑制了水體藻類的光合作用, 同時魚的呼吸作用消耗氧氣, 降低了溶氧量, 使得水層-土壤界面呈還原狀態(tài), 因此減少了N2O的排放。

稻蝦/蟹共作的水分管理與稻魚共作相似, 也同樣減少了稻田N2O排放。徐祥玉等[36]研究表明, 在稻草還田條件下, 養(yǎng)蝦稻田比不養(yǎng)蝦的N2O排放量降低7.5%。Liu等[55]試驗表明, 稻田養(yǎng)蟹較常規(guī)稻作可減少56%的N2O排放量, 并且有無水生植物對N2O排放影響不大。與常規(guī)稻作相比, 稻田養(yǎng)殖小龍蝦、螃蟹使N2O減排的可能原因是: 稻田養(yǎng)蝦、蟹除需深水灌溉導致的田間水體溶解氧含量不足之外, 還要種植水草, 如伊樂藻、輪葉黑藻等, 而藻類生長也消耗了水中的溶解氧, 反硝化作用加強, N2O生成量減少; 另外, 稻田種養(yǎng)施用生石灰消毒, 使水體pH升高, 而pH值與N2O排放顯著負相關[56], 這是降低N2O排放的重要原因。

稻田種養(yǎng)下的水分管理是基于水稻和養(yǎng)殖生物的共同生長發(fā)育而動態(tài)變化的, 不同養(yǎng)殖生物對水層深度的要求不同, 而不同水層深度下的種養(yǎng)模式的N2O排放各不相同, 這與稻田養(yǎng)殖生物種類有關。一般情況下, N2O主要產(chǎn)生在氧氣較多的條件下。稻田種養(yǎng)期間, 養(yǎng)鴨稻田的水層深度<養(yǎng)魚、小龍蝦稻田的水層深度, 鴨子屬于鳧水性動物, 可加強土壤、田間水與大氣間的氧氣交流, 提高溶氧, 而魚類和小龍蝦一般生活在水面以下, 它們的活動能夠攪渾田間水, 抑制藻類的光合作用, 但增加水中溶氧量有限, 所以稻田養(yǎng)鴨N2O排放量是增加的, 而養(yǎng)魚、小龍蝦是可以抑制N2O排放的。

2.2.2 施肥措施

種養(yǎng)結合的稻田施肥措施與常規(guī)稻田不同, 一般施用有機肥料以保障養(yǎng)殖生物的安全與產(chǎn)量, 除此之外, 養(yǎng)殖生物的排泄物、殘體等也可培肥土壤, 為水稻的生長發(fā)育提供養(yǎng)料。稻田種養(yǎng)的N2O排放受到不同類型肥料施用的明顯影響。馬義虎等[57]研究表明, 沼渣、秸稈、堆肥還田, 與不施用有機肥相比, N2O排放量分別提高22.1%、19.3%和8.4%, 而黑碳還田的N2O排放量與不施用有機肥相比下降了1.9%。Zhang等[58]研究表明, 施用化學肥料比施用有機肥的養(yǎng)鴨稻田的N2O排放速率高。另有研究表明, 麥秸還田小麥-水稻、沼渣還田小麥-水稻、水稻-綠肥和冬季休耕-水稻4種輪作系統(tǒng)的稻鴨共作稻田N2O排放量平均比常規(guī)稻作高5.88%~12.46%, 且稻鴨共作的稻季減排效果以綠肥還田、沼渣還田最為明顯[46-48]。不同有機物料還田對稻鴨共作N2O增排的可能原因在于: 綠肥和沼渣含氮量較高, 增加了土壤中的氮含量, 但碳氮比相對較低, 具備更高的分解效率, 為硝化、反硝化作用提供了氮源, 促進N2O的產(chǎn)生。而麥秸具有高C/N, 土壤微生物固定氮增多, 用于硝化、反硝化過程的氮源減少, 抑制N2O產(chǎn)生; 此外, 麥秸腐解是耗氧過程, 氧氣含量不足使反硝化徹底進行還原成N2, N2O相對較少。另外, 稻田養(yǎng)鴨模式下, 鴨子的糞便含高濃度NH4+, 且鴨子的活動增加了土壤與水體的溶解氧, NH4+被氧化為NO3-, 反硝化過程的底物增加, 因此N2O產(chǎn)生量增加; 同時, 鴨的糞便碳、氮元素含量豐富, 為土壤反硝化提供了物質和能源, 因此釋放了大量N2O。稻蝦共作種養(yǎng)模式中, 徐祥玉等[36]研究表明, 在稻草還田條件下, 養(yǎng)蝦稻田比不養(yǎng)蝦稻田N2O累積排放量降低7.5%, 這可能是因稻蝦共作能夠提高NO3-濃度, 促進了反硝化過程, 因而使得稻田N2O排放量減少。

3 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的溫室氣體排放機制分析

全球增溫潛勢(GWP)常用來估計不同溫室氣體對氣候系統(tǒng)的潛在效應。稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)下的不同種養(yǎng)模式都可使稻田GWP實現(xiàn)不同程度的減緩, 從而減少環(huán)境問題。種養(yǎng)結合稻田由于養(yǎng)殖生物的放養(yǎng), 并動態(tài)管理田間水層深淺, 影響了稻田水體溶解氧的含量、土壤Eh值; 此外, 養(yǎng)殖生物的殘體、排泄物以及未被生物利用的飼料等直接作為有機肥料還田, 減少了基肥氮肥的施用量, 對CH4和N2O的產(chǎn)生和排放過程有增強或減緩作用, 而GWP的變化主要是由CH4的排放量引起的[59-60]。Xu等[19]研究發(fā)現(xiàn), 相比常規(guī)稻作, 麥秸還田小麥-水稻、沼渣還田小麥-水稻、水稻-綠肥和冬季休耕-水稻4種輪作系統(tǒng)的稻鴨共作模式使GWP下降14.86%、8.65%、12.49%和8.22%。相比于CH4, 稻田N2O的排放量較少, 并且85.83%~96.22%的GWP由CH4排放產(chǎn)生[19], 展茗等[21]也得出了相同結果。可見降低CH4排放量對減緩稻田生態(tài)系統(tǒng)的增溫效應至關重要。稻田養(yǎng)鴨模式GWP比水稻單作降低了7.2%[21]。稻田養(yǎng)小龍蝦系統(tǒng)GWP較水稻單作系統(tǒng)減少了9.45%, 且主要是通過降低CH4排放來實現(xiàn)的[36]。稻田養(yǎng)魚模式中, 雖然CH4排放量的變化尚無定論, 但N2O排放下降, 從全球增溫潛勢來看, 該模式也能減緩溫室效應。

總之, 稻田養(yǎng)鴨, 由于鴨的活動可加速土壤與大氣的氣體交換使水體溶解氧上升、土壤Eh提高, 增強了甲烷氧化菌的活性, 促進了硝化過程, 因此CH4排放量降低, N2O排放量升高[61]; 而稻田養(yǎng)殖水產(chǎn), 因其品種、生活的水層深度及其活動程度不同, 溶解氧的變化有所區(qū)別, 從而對CH4和N2O排放量的影響不同。小龍蝦在稻田鉆洞使土壤的含氧量有所增加[62], 增加甲烷氧化菌豐度, 由此降低CH4排放量; 由于深水灌溉且種植水草導致水體中溶解氧含量下降, 反硝化作用增強, N2O排放量減少。稻田養(yǎng)魚也是深水灌溉, 但由于魚的種類及其活動強度不同, 產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的CH4通過多種途徑擴散入大氣的釋放效率不等, 因此對CH4排放量影響的研究結果不一, 但田間水層較深, 反硝化作用增強, N2O排放量減少。

此外, 種養(yǎng)結合稻田的水分條件也會影響產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、硝化細菌和反硝化細菌的數(shù)量和活性。稻田水層較深、土壤濕度較大時, 產(chǎn)甲烷菌數(shù)量增加, 反硝化細菌數(shù)量減少, 從而引起CH4增排、N2O減排。當然, 還有很多因素, 例如土壤質地、pH、肥水管理、微生物, 以及引入水禽/水產(chǎn)的生活習性等, 都會影響CH4和N2O的產(chǎn)生過程, 而且在釋放到大氣的過程中也會受到很多條件的影響, 這些因素對CH4和N2O排放量的影響仍需深入探討。目前, 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的溫室氣體排放的基本機制如圖1所示。

圖1 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的溫室氣體排放機制分析

4 討論

稻田種養(yǎng)結合模式在稻田中放養(yǎng)水禽/水產(chǎn), 養(yǎng)殖生物的覓食等活動對稻田雜草和水稻病蟲起到一定的防控作用, 生物糞便可作為有機肥, 減少化學藥劑和無機肥的施用, 實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)的同時, 增加水禽/水產(chǎn)收益, 改善農(nóng)(水)產(chǎn)品品質[1,63], 也可改善稻田土壤性狀和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。

有關稻田種養(yǎng)對稻田溫室氣體的排放研究以稻鴨共作最多, 近年來稻田種養(yǎng)的類型越來越多樣化, 構成的生態(tài)系統(tǒng)較為復雜, 以下幾個方面需要繼續(xù)深入探討和研究:

1)肥水管理及其環(huán)境效應。稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的水分管理不僅要基本滿足水稻的生長需要, 也要滿足養(yǎng)殖生物的水層要求, 并且不同生長階段的水層深度不同[18], 因此, 要因種因地因水進行稻田溫室氣體在線監(jiān)測和連續(xù)分析, 以確定適宜的動態(tài)水分管理; 而施肥對種養(yǎng)結合稻田溫室氣體排放的影響較為復雜, 雖然種養(yǎng)結合稻田因深水灌溉可能減少了CH4和N2O排放, 但在保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的同時, 如何合理施肥(包括施肥量、運籌和方法等)才能盡可能地減少溫室氣體排放有待進一步完善, 特別是不引起溫室氣體增排的施肥措施需要深入探討; 另外, 稻田種養(yǎng)也要注意施肥、水分對CH4和N2O排放的交互作用, 進一步揭示肥水管理指標, 探索出適當?shù)姆仕畻l件, 以能促進水稻和水產(chǎn)/水禽的生長, 又能達到控制溫室氣體排放的效果。

2)溫度和溶氧條件。稻田種養(yǎng)的生長期主要在溫度較高的春末、夏季和秋初, 而且稻田生物量較大, 易造成水體氧含量不足, 不僅會促進CH4的產(chǎn)生, 也會使硝化過程中NO2-不能徹底氧化成NO3-[51], 導致N2O生成量增加, 最終GWP提高而影響環(huán)境。因此, 需要進一步明確稻田溫度、溶氧和養(yǎng)殖生物生長之間的耦合效應, 特別是利用稻田“微孔增氧”、“生物增氧”等途徑, 增加水體溶氧量, 提高甲烷氧化菌活性, 致使產(chǎn)生的CH4在傳輸至大氣之前就被氧化, CH4排放量減少, 且水體供氧提高, 硝化作用完全, N2O排放量減少, 從而減緩稻田產(chǎn)生的溫室效應; 其次, 也避免養(yǎng)殖生物受高溫缺氧的脅迫, 降低養(yǎng)殖風險。

3)微生物菌劑的施用。稻田綜合種養(yǎng)需要施用大劑量、高活性、多類型的復合微生物菌劑, 也帶入了一部分養(yǎng)料, 這些可能會增加土壤中有機物來源; 此外連續(xù)多年實施稻田種養(yǎng), 往往導致底泥物化性質惡化, 引發(fā)溫室氣體的增排。目前, 土壤微生物對溫室氣體排放的影響缺乏長期大田試驗, 需進一步研究分析。

4)稻田種養(yǎng)密度。稻田養(yǎng)殖生物的種類不同, 其適宜密度范圍也不同[64]。若養(yǎng)殖生物投放量過多, 種養(yǎng)結合向純粹的水產(chǎn)養(yǎng)殖偏移, 生物的排泄物、殘體等會作為額外的碳源, 且它們的呼吸作用會消耗掉更多的氧氣, 使土壤含氧量降低, 土壤產(chǎn)甲烷菌活性提高, 厭氧條件下生成的CH4增多[48]; 同時, 生物的排泄物、殘體等也提供了額外的氮源, 使N2O的排放量增加, 加劇了溫室效應, 也加重了稻田環(huán)境負擔。若養(yǎng)殖生物投放量較少, 則不能獲得種養(yǎng)的綜合效益。另外, 由于養(yǎng)殖生物在稻田的穿行運動, 水稻種植的適宜基本苗和株行距配置顯得十分重要, 如何確定不同養(yǎng)殖生物稻田的水稻密度及其環(huán)境效應也需要系統(tǒng)分析。

總之, 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè), 以“稻”為主, 以調“水”為關鍵, 實現(xiàn)以水促長、控排、固根、增氧、調質, 充分發(fā)揮稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)增效和綠色減排, 實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)供給側改革和鄉(xiāng)村振興中的美好篇章。

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Regulation and mechanism of greenhouse gas emissions of circular agriculture ecosystem of planting and breedingin paddy*

WANG Qiangsheng

(Laboratory of Modern Farming System and Ecological Circular Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Rice is an important food crop in China and contributes immensely to ensuring food security, the national economy and the people’s livelihood. Paddy fields make a significant fraction of greenhouse gases (GHG) emissions sources, including methane (CH4) and nitrous oxide (N2O). Therefore, controlling GHG emissions from rice fields is critical in mitigating global greenhouse effects. In recent years, the combination of planting and breeding in paddy has developed rapidly in China. The mode not only keeps a steady yield, increasing efficiency and promoting green development, but also changes the characteristics of GHG emissions and global warming potential (GWP) in paddy fields. Several combinations of planting and breeding in paddy (including rice-duck, rice-crayfish, rice-fish, rice-crab and rice-turtle) add niche and extend the food chain in rice paddy ecosystems. GHG emissions and GWP of the combination of planting and breeding in paddy are affected by the continuous movement and feeding activities of breeding organisms in the ecosystem with an appropriate mitigation of GHG emission. In order to provide theoretical and technical bases for GHG emissions mitigation, rice benefits increment and a healthy development of the combination of planting and breeding in paddy, this paper summarizes the characteristics of CH4and N2O emissions and the effects of fertilizer and irrigation management and also explores available methods and research prospects used to reduce GHG emissions.

Paddy field; Combination of planting and breeding; Circular agriculture; CH4emission; N2O emission; Fertilizer and irrigation management

, WANG Qiangsheng, E-mail: qswang@njau.edu.cn

Nov. 20, 2017;

Dec. 4, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171068

X511; S318

A

1671-3990(2018)05-0633-10

2017-11-20

2017-12-04

* This study was supported by the Central Finance for Major Agricultural Innovative Technology Extension of China (TG2016006), the Special Fund for the S&T Plans According to Policies Guidance of Jiangsu Province, China (SZHA2017022), the Agrotechnical Innovation Projects of Jiangsu Province, China (SXGC2016309, SXGC2016243), and the Key R&D Projects of Jurong City, Jiangsu Province, China (NY2017608371).

* 中央財政重大農(nóng)業(yè)技術推廣項目(TG2016006)、江蘇省政策引導類科技專項(SZHA2017022)、江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項目(SXGC2016309, SXGC2016243)和句容市科技支撐項目(NY2017608371)資助

王強盛, 主要研究方向為作物生理生態(tài)、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。E-mail: qswang@njau.edu.cn

王強盛. 稻田種養(yǎng)結合循環(huán)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的調控與機制[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2018, 26(5): 633-642

WANG Q S. Regulation and mechanism of greenhouse gas emissions of circular agriculture ecosystem of planting and breeding in paddy[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(5): 633-642