稻蟹共生系統(tǒng)溫室氣體排放特征及其影響因素

張怡彬，徐洋，王洪媛，王紹蓬，翟麗梅，劉宏斌

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

由溫室氣體排放引起的全球變暖已成為當(dāng)今全球性的環(huán)境問(wèn)題。氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）是兩類(lèi)主要的溫室氣體，其增溫潛勢(shì)分別是CO2的265 倍和28 倍[1-2]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的N2O 和CH4分別約占人類(lèi)活動(dòng)排放的50%和60%[3]。稻田生態(tài)系統(tǒng)不僅在保證我國(guó)糧食安全上發(fā)揮著重要作用，同時(shí)也是N2O和CH4的重要排放源[4-5]。稻田N2O 排放量占氮肥總輸入的2.3%[6]，且全球11%的人為CH4產(chǎn)生量來(lái)自稻田[7]。因此，降低稻田溫室氣體排放對(duì)減緩全球溫室效應(yīng)具有重要貢獻(xiàn)。

稻田綜合種養(yǎng)是一種稻田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的高效養(yǎng)殖模式，一般采用水稻+水產(chǎn)∕水禽互利共生[8]，實(shí)現(xiàn)“一水兩用、一田雙收、穩(wěn)糧增效”[9-10]。近年來(lái)在國(guó)家的大力支持和推廣下稻田綜合種類(lèi)模式得到迅速發(fā)展，2019年底全國(guó)稻田種養(yǎng)面積達(dá)到233萬(wàn)hm2[11]。目前，稻田綜合種養(yǎng)模式對(duì)溫室氣體排放的影響研究主要集中在稻鴨、稻魚(yú)以及稻蝦等共生系統(tǒng)[12-17]。與水稻單作相比，稻鴨共生表現(xiàn)出對(duì)N2O排放的促進(jìn)作用和對(duì)CH4排放的抑制作用[13，18]；稻魚(yú)共生系統(tǒng)表現(xiàn)出對(duì)N2O的抑制作用和對(duì)CH4排放的促進(jìn)作用[15，19]；而稻蝦輪作系統(tǒng)對(duì)溫室氣體排放的影響則存在較大爭(zhēng)議，有研究認(rèn)為，稻蝦輪作系統(tǒng)會(huì)增加N2O排放，降低CH4排放[14]，但也有研究表明，稻蝦輪作對(duì)N2O 和CH4均具有減排效果[16]。稻蟹共生是我國(guó)東北地區(qū)的典型綜合種養(yǎng)模式，占我國(guó)稻田綜合種養(yǎng)面積的5.94%[11]。然而，目前關(guān)于稻蟹共生系統(tǒng)對(duì)稻田溫室氣體排放的影響研究還較少。

因此，本研究選擇我國(guó)東北地區(qū)典型的稻蟹共生模式，以遼寧省鹽堿地利用研究所實(shí)驗(yàn)基地為依托，設(shè)置持續(xù)淹水水稻單作、曬田水稻單作和稻蟹共生3種模式，開(kāi)展不同稻田生態(tài)系統(tǒng)下N2O 和CH4排放特征研究，對(duì)比分析稻蟹共生與不同水分管理措施水稻單作系統(tǒng)之間的溫室氣體排放差異性特征及關(guān)鍵環(huán)境因子，以期為闡明稻蟹共生模式對(duì)稻田系統(tǒng)溫室氣體排放的影響特征提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究田間試驗(yàn)在遼寧省鹽堿地利用研究所實(shí)驗(yàn)基地開(kāi)展。該基地位于遼寧省盤(pán)錦市大洼區(qū)唐家鎮(zhèn)劉家村（122°10′ E，41°02′ N），屬北溫帶亞濕潤(rùn)區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，無(wú)霜期約175 d，年平均氣溫8.3 ℃，年平均降水量645 mm，降雨多集中在7—8 月。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為鹽堿土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量10.16 g·kg-1，全氮含量0.51 g·kg-1，全磷含量9.23 g·kg-1，全鉀含量25.61 g·kg-1，土壤容重1.34 g·cm-3，pH為7.93。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用微區(qū)試驗(yàn)的方法，共設(shè)置持續(xù)淹水水稻單作（RM-F）、曬田水稻單作（RM-D）和稻蟹共生（RC）3個(gè)處理。其中，RM-F 和RM-D 處理均設(shè)置3 個(gè)重復(fù)（2個(gè)處理共6個(gè)小區(qū)），RC處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)共10 個(gè)小區(qū)，完全隨機(jī)排列。所有小區(qū)試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行統(tǒng)一的常規(guī)田間操作，基礎(chǔ)土壤一致，小區(qū)面積為24 m（26 m×4 m）。

所有處理化肥用量相等，均為N 210 kg·hm-2、P2O596.4 kg·hm-2、K2O 77.1 kg·hm-2。肥料類(lèi)型為復(fù)合肥（28-15-12）和尿素（N 46%）。根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，水稻單作處理（RM-F和RM-D）復(fù)合肥（642.9 kg·hm-2）作為基肥一次性投入，尿素（65.2 kg·hm-2）作為蘗肥投入，基肥∶蘗肥為8∶2；稻蟹共生處理所有肥料作為基肥一次性投入；所有處理灌水深度一致，苗期田面水位為5～10 cm，分蘗期為10～15 cm。RM-D 處理曬田7～10 d，其余處理無(wú)曬田過(guò)程。水稻的插秧與收獲時(shí)間分別為2019 年5 月31 日和2019 年10 月14日。水稻品種為鹽豐47，河蟹品種為中華絨螯蟹，投入蟹苗為大眼幼體，每個(gè)小區(qū)的蟹苗投入量為1 800只，投入時(shí)間為2019 年6 月1 日，收獲時(shí)間為2019 年10月8日。整個(gè)生育期，每個(gè)小區(qū)的螃蟹飼料投入量為2.33 kg，飼料含氮量為3.7%。田面水的取樣頻率與氣體采集時(shí)間一致，土壤樣品的采集時(shí)間分別為試驗(yàn)前和試驗(yàn)結(jié)束后。

1.3 溫室氣體的采集與測(cè)定

溫室氣體（N2O、CH4）采用密閉靜態(tài)箱原位采集，用氣相色譜法測(cè)定排放通量[20]。取氣裝置是由PVC管制成的方箱，方箱尺寸為長(zhǎng)60 cm、寬40 cm、高120 cm。方箱外面用錫箔紙包裹一層海綿，以避免陽(yáng)光照射造成箱體內(nèi)溫度的變化。采樣前用方箱直接罩住4株水稻植株，底部插入土壤中固定，利用田面水密封作用形成密閉環(huán)境。在施肥后的1、2、3、4、5、7 d取樣，以后每隔7 d 采集1 次氣體。需要說(shuō)明的是，由于基地管理問(wèn)題，8 月24 日—9 月24 日期間未能按計(jì)劃進(jìn)行氣體樣品采集，可能會(huì)對(duì)CH4和N2O 排放總量有一定的影響，但不會(huì)影響各處理間的差異性。采樣口位于箱體頂部，每次取樣在上午9：00—11：00進(jìn)行，蓋上箱后分別在0、10、20、30 min 采集氣體100 mL 于錫箔采氣袋中，每次采氣均記錄溫度和大氣壓，采集的氣體用氣相色譜儀（Agilent 7890A）測(cè)定N2O和CH4的濃度，氣體濃度通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測(cè)氣體峰面積進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算公式[21]如下：

（1）氣體排放通量：

式中：F為氣體排放通量，N2O 的單位為μg·m-2·h-1，CH4的單位為mg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，kg·m-3；V為采樣箱體積，m3；A為采樣箱覆蓋面積，m2；Δc∕Δt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體濃度變化率；T為采樣過(guò)程中箱內(nèi)的平均溫度，℃。

（2）氣體累積排放量：

式中：M為氣體累積排放量，kg·hm-2；i為采樣次數(shù)；t為采樣時(shí)間，d；100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（3）全球溫室氣體增溫潛勢(shì)（GWP）：

式中：GWP為全球增溫潛勢(shì)，t·hm-（2以CO2當(dāng)量計(jì)）；為總N2O 排放量，kg·hm-2（以N2O 計(jì)）為總CH4排放量，kg·hm-（2以CH4計(jì)）；265 指N2O 的增溫潛勢(shì)是CO2的265 倍；28 指CH4的增溫潛勢(shì)是CO2的28倍。

1.4 田面水指標(biāo)的測(cè)定

每次測(cè)定溫室氣體排放通量的同時(shí)進(jìn)行田面水樣品采集，并進(jìn)行田面水水深（SD）、水溫（ST）、溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）、pH 等指標(biāo)的測(cè)定。含量：田面水首先用濾紙過(guò)濾，然后用流動(dòng)分析儀（AA3）測(cè)定；ST、DO、Eh 及pH：采用水質(zhì)多功能參數(shù)分析儀（Professional plus YSI）測(cè)定。

1.5 土壤樣品的測(cè)定

分別在水稻插秧前和收獲后，取樣測(cè)定土壤理化指標(biāo)[22]。其中，有機(jī)質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；全氮（TN）采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷（TP）采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀（TP）采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定采用0.01mol·L-1CaCl2浸提-流動(dòng)分析儀測(cè)定；微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，Vario-TOC自動(dòng)分析儀測(cè)定[23]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2016、Canoco 5和AI 軟件處理并制圖，并采用SPSS 19.0 軟件中單因素方差分析（One-way ANOVA）的Duncan 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)處理之間的差異，顯著水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)期自然條件

監(jiān)測(cè)期間，采樣時(shí)間段的最高溫度為30.3 ℃，最低溫度為10.8 ℃（圖1）。降雨主要集中在7 月底和8月初，最大降雨量達(dá)到79.5 mm；生育期累積降雨量為539.7 mm，占全年降水量的87.6%。其間，由于長(zhǎng)時(shí)間未下雨，田面水深下降，分別在6月1日（插秧期，灌水量0.5 m3）、6 月18 日（追肥期，灌水量0.8 m3）和7月24日（抽穗期，灌水量1.0 m3）進(jìn)行灌溉以補(bǔ)充水位。

圖1 監(jiān)測(cè)期的降雨與日平均氣溫Figure 1 Rainfall and daily mean temperature during monitoring period

2.2 N2O排放特征

水稻全生育期3 個(gè)不同處理稻田N2O 排放表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，RM-F 處理的排放通量在追肥期相對(duì)較高（圖2）?；势冢齻€(gè)處理都沒(méi)有出現(xiàn)明顯峰值，排放量均較低，N2O 排放通量基本處于15.2～35.0 μg·m-2·h-1。追肥后，水稻單作和稻蟹共生處理均出現(xiàn)了一個(gè)波峰，RM-F 處理和RC 處理的最大峰值均出現(xiàn)在追肥后的第2 天，分別為99.5 μg·m-2·h-1和55.1 μg·m-2·h-1，RM-D 處理的最大峰值則出現(xiàn)在追肥后的第3天，為50.8 μg·m-2·h-1。值得注意的是，從追肥到7月24日（灌水），稻田N2O 排放一直處于較高的波動(dòng)狀態(tài)，N2O 排放量占總排放量的57.6%～59.9%。較高排放水平的維持與田面水深的持續(xù)下降密切相關(guān)。之后N2O 排放基本穩(wěn)定在較低水平，這一方面可能是由于前期投入的氮肥和飼料已被大量消耗；另一方面主要是因?yàn)楹笃跒楸ＷC螃蟹的快速生長(zhǎng)，田面水維持了較深的狀態(tài)，抑制了N2O 排放。綜上，研究區(qū)域水稻生長(zhǎng)前期是稻田N2O 排放的主要排放時(shí)期。

圖2 稻田N2O排放通量特征Figure 2 Characteristics of N2O emission from paddy field

2.3 CH4排放特征

水稻全生育期3個(gè)不同處理稻田CH4排放亦表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，并在排放高峰期表現(xiàn)出顯著差異（圖3）。在水稻生長(zhǎng)前期（抽穗期之前），3 個(gè)處理的CH4排放量均較低，CH4排放通量基本處于0.26～24.5 mg·m-2·h-1。在水稻生長(zhǎng)進(jìn)入抽穗期后，CH4排放量占水稻整個(gè)生育期排放量的88.4%～94.3%，CH4排放出現(xiàn)了2 個(gè)高峰。RM-D 處理在第一個(gè)排放高峰期CH4排放通量最高，為87.1 mg·m-2·h-1；RM-F 處理的略低，為73.5 mg·m-2·h-1；RC 處理的最低，僅為15.7 mg·m-2·h-1。CH4排放通量第二個(gè)高峰期出現(xiàn)在8 月21 日（進(jìn)入雨季），此時(shí)RC 處理最高，為37.9 mg·m-2·h-1，而RM-D處理最低，僅為10.8 mg·m-2·h-1。

圖3 稻田CH4排放通量特征Figure 3 Characteristics of CH4 emission flux from paddy field

2.4 溫室氣體累積排放量及增溫潛勢(shì)

不同稻田系統(tǒng)水稻全生育期的溫室氣體排放結(jié)果（表1）表明，RC 處理的N2O 累積排放量顯著低于RM-F 處理23.9%（P＜0.05），低于RM-D 處理16.7%（P＞0.05）。RC 處理的CH4累積排放量低于RM-F 處理13.5%（P＞0.05），卻顯著高于RM-D 處理34.0%（P＜0.05）。這表明稻蟹共生模式能夠降低稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放，與持續(xù)淹水水稻單作模式相比，其CH4累積排放量降低，但相比于曬田模式，CH4累積排放量增加。不同處理的增溫潛勢(shì)表現(xiàn)為RM-F＞RC＞RM-D，與持續(xù)淹水單作模式相比，稻蟹共生模式增溫潛勢(shì)降低13.6%；而與曬田單作模式相比，稻蟹共生模式增溫潛勢(shì)增加32.6%，但差異不顯著?？梢?jiàn)，相比于種養(yǎng)模式的改變，水分管理對(duì)增溫潛勢(shì)的調(diào)控作用更強(qiáng)。

表1 稻田系統(tǒng)溫室氣體累積排放量及增溫潛勢(shì)Table 1 Cumulative greenhouse gas emissions and warming potential of rice field system

2.5 環(huán)境因子與溫室氣體排放的相關(guān)性

Pearson 相關(guān)性分析（表2）表明，N2O 排放與田面水水深和水溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與pH呈顯著正相關(guān)；而CH4排放與田面水水深和水溫呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與NO-3-N 含量和pH 呈顯著負(fù)相關(guān)?？梢?jiàn)，田面水水深、水溫以及pH 等環(huán)境因子對(duì)N2O 和CH4排放的影響作用相反，這可能是水稻生長(zhǎng)期N2O 和CH4排放表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)關(guān)系的主要原因。

表2 溫室氣體排放與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 2 Correlation between greenhouse gases emission and environmental factors

稻田土壤理化指標(biāo)與溫室氣體排放之間的冗余分析（圖4）表明，土壤NH+4-N、NO-3-N、SOM、MBC、MBN、TN、TP、TK、pH 等土壤生物化學(xué)指標(biāo)對(duì)水稻生長(zhǎng)期溫室氣體排放影響的解釋率可達(dá)83.10%。第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)52.38%和30.72%。其中，pH（33.3%，F(xiàn)=4.0，P=0.01）和NO-3-N（20.0%，F(xiàn)=3.0，P=0.042）對(duì)溫室氣體排放的影響最大。

圖4 土壤生物化學(xué)特征與溫室氣體累積排放量的冗余分析Figure 4 Redundancy analysis of soil biochemical characteristics and cumulative greenhouse gas emissions

稻田田面水理化指標(biāo)與溫室氣體排放之間的冗余分析（圖5）表明，田面水NH4+-N、NO3--N、DO、SD、ST、Eh 和pH 等環(huán)境因子對(duì)水稻生長(zhǎng)期溫室氣體排放影響的解釋率可達(dá)87.25%，第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)54.88% 和32.37%。其中，DO（35.6%，F(xiàn)=4.4，P=0.012）和pH（26.7%，F(xiàn)=5.0，P=0.014）對(duì)溫室氣體排放的影響最大。

圖5 田面水理化性質(zhì)與溫室氣體排放通量的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of physical and chemical properties of field surface water and greenhouse gas emission flux

3 討論

3.1 共生系統(tǒng)對(duì)N2O排放的影響

稻田N2O 排放受外源碳氮供應(yīng)水平的影響[24]，N2O 排放峰值主要發(fā)生在施肥后[25]。本研究結(jié)果表明稻田系統(tǒng)N2O 排放主要發(fā)生在追肥前期，基肥期和追肥后期N2O 排放一直處于較低水平?；势贜2O排放處于較低水平的主要原因是稻田系統(tǒng)淹水狀態(tài)下87%的N2O 通過(guò)水稻植株排放[26]?；势谘砻缫圃郧?，N2O 排放只能通過(guò)土壤向水體擴(kuò)散，再向空氣排放；而移栽初期，秧苗還未深入扎根，根系和通氣組織尚未生長(zhǎng)成熟，對(duì)N2O 的輸出作用較小[3]。追肥期前期，水稻植株已生長(zhǎng)良好，開(kāi)始分蘗，通氣組織發(fā)達(dá)，為N2O 提供了良好的排放通道，導(dǎo)致N2O 排放量急劇增加，形成N2O 排放峰。追肥后期，特別是7 月底之后，N2O 排放量一直呈現(xiàn)較低水平，主要原因可能是此時(shí)試驗(yàn)基地進(jìn)入高溫多雨季節(jié)，大暴雨造成田面水位的急劇上升，形成嚴(yán)格厭氧環(huán)境，抑制了稻田N2O 的產(chǎn)生。并且，追肥前期稻田田面水及土壤中的含量較高，能夠?yàn)镹2O的產(chǎn)生提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，而追肥后期田面水及土壤中養(yǎng)分含量較低，減少了N2O 的產(chǎn)生。侯玉蘭[3]和黃樹(shù)輝等[27]的研究也得到了相似的結(jié)果。值得注意的是，稻蟹共生處理在整個(gè)水稻生長(zhǎng)周期出現(xiàn)了多個(gè)峰值，這些峰值主要發(fā)生在飼料投喂后。據(jù)此推測(cè)，N2O 排放峰值出現(xiàn)的原因可能是螃蟹飼料的投入增加了土壤中易利用碳氮養(yǎng)分的含量，增強(qiáng)了土壤微生物硝化反硝化過(guò)程N(yùn)2O的產(chǎn)生，從而促進(jìn)了N2O的排放[14]。

與水稻單作處理相比，稻蟹共生處理能夠有效降低稻田系統(tǒng)N2O 排放，減排量可達(dá)16.7%～23.9%。稻蟹共生模式下稻田N2O 排放降低的原因主要有兩方面：一是螃蟹捕食水中雜草和浮萍綠藻等生物，雜草減少限制了淹水稻田N2O 通過(guò)植株通氣組織向大氣排放，而浮萍綠藻的減少會(huì)抑制光合作用，降低水中DO 含量，強(qiáng)還原環(huán)境有利于N2的產(chǎn)生，從而降低N2O排放[13]；另一方面，隨著螃蟹個(gè)體的生長(zhǎng)，為保證螃蟹的生存空間，維持了較高的水位，同時(shí)，螃蟹通過(guò)呼吸作用大量消耗田面水中的氧氣，使土壤處于嚴(yán)格厭氧環(huán)境，促進(jìn)了N2O 向N2的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而抑制了N2O 的產(chǎn)生與排放[3，27]。

不同處理的水分管理方式和種養(yǎng)模式不同，其對(duì)稻田系統(tǒng)田面水∕土壤養(yǎng)分含量、pH、DO 等關(guān)鍵環(huán)境因子的作用強(qiáng)度也不同，導(dǎo)致各處理N2O 排放量具有差異。水分管理措施是影響農(nóng)田N2O 和CH4排放的重要因素之一[28]。本研究表明，水稻單作系統(tǒng)曬田過(guò)程能夠降低8.7%的N2O 排放量，而且水稻生長(zhǎng)過(guò)程中水位高度與N2O 排放通量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。這主要是由于土壤水分變化會(huì)直接影響農(nóng)田系統(tǒng)中硝化、反硝化和N2O 還原之間的平衡，從而影響N2O排放[29]。土壤pH 可通過(guò)影響反硝化和硝化微生物的活性及相應(yīng)的氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程間接影響N2O 的釋放[30-31]。本研究表明稻田N2O排放與pH呈正相關(guān)，黃耀等[32]和LI 等[33]的研究也得出類(lèi)似結(jié)論。LI 等[33]認(rèn)為，淹水期N2O 排放量與pH 呈顯著的相關(guān)性，排水后則無(wú)相關(guān)性；黃耀等[32]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH 在5.6～8.6 之間時(shí)，pH和N2O排放呈顯著正相關(guān)。

已有研究表明，N2O的排放會(huì)受到田面水中和含量的顯著影響[21]，然而在本研究中卻未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。這可能是由于本研究所處的東北稻區(qū)在施入基肥后會(huì)泡田7～10 d，然后再開(kāi)始插秧，此時(shí)田面水中含量在經(jīng)歷過(guò)施肥后的高峰后，回歸到相對(duì)較低的平穩(wěn)期；而水田87%的N2O 通過(guò)水稻植株排放[26]。因此，雖然田面水和含量較高，但是由于缺少水稻植株通氣組織的傳輸，基肥期的N2O 排放量較低，最終導(dǎo)致田面水中與N2O 排放之間無(wú)顯著的線(xiàn)性相關(guān)。

3.2 共生系統(tǒng)對(duì)CH4排放的影響

稻田CH4排放是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生CH4和甲烷氧化菌最終氧化為CO2的凈效應(yīng)[34]。本研究結(jié)果表明稻田系統(tǒng)CH4排放主要發(fā)生在水稻追肥后期，基肥期和追肥前期CH4排放一直處于較低水平。已有研究表明稻田系統(tǒng)CH4從產(chǎn)生到排放，主要通過(guò)水稻植株的運(yùn)輸、擴(kuò)散和蒸騰作用這3 個(gè)途徑[35-36]。因此，稻田CH4排放的整個(gè)過(guò)程均受到水稻生長(zhǎng)狀況、溫度、土壤特性等生物和非生物因素的影響。在基肥期和追肥前期，稻田未進(jìn)行水稻移栽或處于移栽初期，秧苗尚未深入扎根，根系和通氣組織尚不發(fā)達(dá)，且這段時(shí)期溫度較低，植株生長(zhǎng)緩慢，土壤微生物活性較低，這些都可能抑制稻田CH4的排放。另外，在追肥前期，田面水位較低，未形成嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，也不利于CH4的產(chǎn)生。水分對(duì)稻田CH4排放起到?jīng)Q定性的作用[37]。水分通過(guò)影響土壤氧化還原電位、氧氣供給、土壤微生物（最主要的是產(chǎn)甲烷菌）活性及CH4擴(kuò)散速率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)稻田CH4排放的調(diào)控[38]。追肥后期，試驗(yàn)地進(jìn)入雨季，稻田系統(tǒng)CH4排放的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在7 月和8 月，上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是試驗(yàn)區(qū)CH4排放受降雨影響較大，兩次峰值均出現(xiàn)在強(qiáng)降雨之后，田間水深隨著降雨量的增大而升高，從而促進(jìn)了CH4的排放。這也與Pearson 相關(guān)性分析得到的田面水深與CH4排放極顯著相關(guān)的結(jié)果一致。同時(shí)，試驗(yàn)地的雨季伴隨著高溫天氣，溫度的升高有利于CH4的排放。已有研究表明，CH4排放與大氣溫度呈正相關(guān)[39]。水稻進(jìn)入抽穗期后，植株生命力最旺盛，CH4主要通過(guò)植株通氣組織向大氣排放，故此時(shí)CH4排放量較高[40]。綜上，在本研究區(qū)域，水稻生長(zhǎng)中期是稻田CH4排放的主要排放時(shí)期，同時(shí)降雨引起的水位上升和DO 降低可能是造成CH4排放通量劇增的重要原因。

水分管理是影響種養(yǎng)結(jié)合稻田CH4排放的重要因素之一。與持續(xù)淹水水稻單作處理相比，稻蟹共生處理能夠有效降低稻田系統(tǒng)CH4排放，減排量可達(dá)13.5%。以往關(guān)于稻鴨共生和稻蝦輪作的研究也得出相似的結(jié)論[21]，稻鴨共生可以降低稻田系統(tǒng)18%～25%的CH4排放[21]；稻蝦輪作可降低18%～41%的CH4排放[14，16]。共生系統(tǒng)CH4排放量降低的原因，可能是動(dòng)物活動(dòng)促進(jìn)了田面水和稻田土壤的交換，提高了甲烷氧化菌的活性，增強(qiáng)了CH4氧化速率。而與曬田水稻單作處理相比，本研究的稻蟹共生系統(tǒng)增加了34.0%的CH4排放。主要原因是，相比曬田處理，稻蟹共生稻田一直處于持續(xù)淹水的嚴(yán)格厭氧環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌的活性更強(qiáng)，從而增加了CH4排放。BHATTACHARYYA 等[15]和DATTA 等[19]在稻魚(yú)共生模式的研究中也得到了相同的結(jié)論。本研究表明，田面水水深、水溫、pH 以及NO-3-N 含量是影響CH4排放的主要因素。這些因素主要受水分管理的影響，不同水分管理措施會(huì)改變土壤含氧量，影響產(chǎn)甲烷菌活性，調(diào)控稻田CH4排放。相比于持續(xù)淹水，干濕交替可顯著降低季節(jié)性CH4排放[7，41-42]。

目前，關(guān)于稻蟹共生模式對(duì)稻田系統(tǒng)溫室氣體排放的影響研究較少。WANG 等[43]的研究表明，與常規(guī)水稻單作相比，稻蟹共生可以降低19.7%～28.2%的N2O排放，增加29.2%～36.8%的CH4排放量，這與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，與曬田水稻單作處理相比，稻蟹共生模式能夠降低稻田系統(tǒng)16.7%的N2O排放，增加34.0%的CH4排放。而與持續(xù)淹水水稻單作處理相比，稻蟹共生模式能夠降低稻田系統(tǒng)23.9%的N2O 排放和13.5%的CH4排放?？梢?jiàn)，在同樣的水分管理方式下，稻蟹共生能夠有效降低稻田系統(tǒng)N2O和CH4排放。同時(shí)，整個(gè)水稻生長(zhǎng)期N2O 和CH4排放表現(xiàn)出互為消長(zhǎng)的關(guān)系。有研究認(rèn)為導(dǎo)致稻田N2O和CH4排放互為消長(zhǎng)的關(guān)鍵因素是土壤水分狀況[44-45]。追肥前期，田面水位較低，N2O 排放通量高，而CH4排放通量低；進(jìn)入高溫雨季，稻田水位明顯升高，此時(shí)N2O 排放通量降低，而CH4排放通量明顯增加。田面水水深、水溫和pH 以及土壤NO-3-N 含量和pH 是導(dǎo)致N2O 與CH4排放互為消長(zhǎng)的主要因素。Pearson 相關(guān)性分析表明田面水深和水溫的升高會(huì)抑制N2O排放，但會(huì)促進(jìn)CH4排放；土壤NO-3-N含量、pH是田間溫室氣體排放的主要影響因子。

4 結(jié)論

（1）在相同的水分管理方式下，稻蟹共生能夠降低稻田系統(tǒng)N2O 和CH4排放；而相比于曬田水稻單作處理，持續(xù)淹水的稻蟹共生模式會(huì)降低N2O 排放、促進(jìn)CH4排放。整體而言，與持續(xù)淹水處理相比，稻蟹共生模式可降低13.6%的增溫潛勢(shì)；與曬田水稻單作處理相比，稻蟹共生模式則會(huì)增加32.6%的增溫潛勢(shì)。這表明相比于種養(yǎng)模式的改變，水分管理方式對(duì)增溫潛勢(shì)的影響作用更大。

（2）稻田系統(tǒng)N2O 和CH4的排放呈互為消長(zhǎng)關(guān)系，主要受田面水水深、水溫和pH 以及土壤NO-3-N含量和pH的影響。田面水水深和水溫的增加會(huì)抑制N2O 排放，但會(huì)促進(jìn)CH4排放；土壤NO-3-N 含量和pH是田間溫室氣體排放的主要影響因素。