水生植物對(duì)蟹塘NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

劉永茂， 付衛(wèi)國(guó)， 沈明星， 朱衛(wèi)峰， 徐君， 施林林,*

(1.蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 江蘇 蘇州 215155； 2.江蘇大學(xué), 江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.國(guó)家土壤質(zhì)量相城觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 江蘇 蘇州 215155； 4.江蘇沙家浜漁業(yè)科技有限公司, 江蘇 常熟 215500)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于蘇州市相城區(qū)太平鎮(zhèn)河蟹養(yǎng)殖基地(31°26′37.84″N，120°42′43.92″E)，屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候，2019年河蟹養(yǎng)殖期間日均氣溫范圍為9.0～38.0 ℃。試驗(yàn)塘長(zhǎng)20 m，寬5 m，面積約為100 m2，試驗(yàn)塘之間用寬0.4 m，高1.5 m的水泥墻進(jìn)行隔斷，塘底為自然土，養(yǎng)殖用水為陽(yáng)澄湖自然水體。試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)塘已連續(xù)順利運(yùn)行8 a，每年冬季清理塘底淤泥約5 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選9個(gè)均勻一致養(yǎng)殖塘，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次。處理包括伊樂藻(Elodeanuttdlii)處理(EL)、蕹菜(Ipomoeaaquatica)處理(IP)、伊樂藻與蕹菜1∶1混合種養(yǎng)處理(E-L)。其中伊樂藻屬水鱉科，水蘊(yùn)藻屬，為多年生沉水草本植物；蕹菜，俗稱空心菜，屬旋花科，番署屬，為水陸兩棲性一年生草本植物，蔓生或漂浮于水面。

1.3 水生植物與河蟹放養(yǎng)

在水生植物種養(yǎng)前，先用次氯酸鈉對(duì)塘底進(jìn)行消毒1周，之后放入清水保持水面高度約10 cm，按45 kg·hm-2投入45%復(fù)合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)，并在3～5 d后進(jìn)行伊樂藻的移栽(3月初)。伊樂藻密度按0.5 m×0.5 m種植1穴(每穴約40芽)，伊樂藻處理中伊樂藻種植面積為試驗(yàn)塘面積的60%，伊樂藻和蕹菜混合種養(yǎng)處理伊樂藻種植面積為試驗(yàn)塘面積的30%，并用圍網(wǎng)進(jìn)行固定。伊樂藻活顆7～10 d后將水深加至50 cm，按每1 m2水面投入蕹菜嫩枝0.5 kg計(jì)，將蕹菜嫩枝直接拋入水面。其中，蕹菜處理中蕹菜覆蓋面積占試驗(yàn)塘面積的60%，伊樂藻和蕹菜混合種養(yǎng)處理中蕹菜和伊樂藻種植面積分別占試驗(yàn)塘面積的30%，并用圍網(wǎng)進(jìn)行面積固定。在5月10日左右，按50 kg·hm-2施用三元復(fù)合肥促進(jìn)植物生長(zhǎng)。養(yǎng)殖品種為中華絨螫蟹(Eriocheirsinensis，以下簡(jiǎn)稱河蟹)，蟹苗規(guī)格每只80～100 kg，投放量為15 000只·hm-2，養(yǎng)殖方法參考本地農(nóng)戶養(yǎng)殖。

1.4 氨揮發(fā)采集與分析

NH3采集試驗(yàn)于2019年3—11月進(jìn)行，其間NH3揮發(fā)量用通氣法測(cè)定,此法操作方便且測(cè)定結(jié)果精準(zhǔn)，回收率高達(dá)99.5%。通氣法裝置以PVC塑料管制作而成，內(nèi)徑15 cm，高10 cm，底座用20 cm×20 cm×5 cm的泡沫板制成，測(cè)定過程中將兩塊厚度均為2 cm、直徑為16 cm的海綿均勻浸以15 mL磷酸甘油溶液(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容1 000 mL)，將其置于PVC管中，下層海綿距水面約5 cm，而上層海綿則與管頂部相平。在各處理的蟹塘水面隨機(jī)放置3個(gè)捕獲裝置，次日早晨9:00取樣，將通氣法裝置中下層的海綿取出，裝入500 mL的振蕩瓶中，分別加入300 mL的1 mol·L-1的KCl溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩1 h后，浸提液中的NH3-N用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Skalar SAN++)測(cè)定。

1.5 N2O采集與分析

氣體采集試驗(yàn)開始于2019年3月，至當(dāng)年11月結(jié)束，每10 d對(duì)蟹塘N2O通量進(jìn)行觀測(cè)。方法為靜態(tài)密閉箱法，采氣時(shí)間為當(dāng)日8:30—11:30[6]。氣體采樣裝置為有機(jī)玻璃制成的無(wú)底正方體箱，箱體外層包裹錫箔，底座用泡沫板制成，箱底邊長(zhǎng)37 cm，箱高60 cm。采樣前先將底座放置于蟹塘水面中心位置處并固定，為了盡可能的減少采樣干擾，在蟹塘中心位置處搭建木橋以便采樣。采樣時(shí)，先在底座凹槽內(nèi)填加適量的水，再將頂箱扣在底座凹槽內(nèi)，同時(shí)接通電源打開風(fēng)扇混勻箱內(nèi)氣體。按0、5、10和15 min時(shí)間間隔，用50 mL注射器抽取約100 mL氣體打入真空狀態(tài)下的鋁箔采樣袋內(nèi)，并記錄箱內(nèi)溫度。每次采完氣后，將頂箱移走，保留底座不動(dòng)。

將采集的100 mL氣樣帶回實(shí)驗(yàn)室采用島津GC-2014C氣相色譜儀測(cè)定N2O含量。N2O通量是指單位時(shí)間內(nèi)單位面積上N2O變化量，正值表示氣體從水體向大氣排放，負(fù)值表示水體吸收消耗大氣中的該氣體，蟹塘N2O通量計(jì)算公式如下[7]:

(1)

蟹塘N2O累積排放量計(jì)算公式[8]:

(2)

式中：Y為氣體累積排放量(kg·hm-2)；F為氣體排放通量(mg·m-2·h-1)；i為第i次，(Ti+1-Ti)為兩次采樣間隔天數(shù)；n為采樣次數(shù)；100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

蟹塘NH3揮發(fā)速率計(jì)算公式[5]：

NH3揮發(fā)速率(N，kg·hm-2·d-1)=[M/(A×D)]×10-2。

(3)

式中：M為單個(gè)裝置平均每次測(cè)得的氨量(N，mg)；A為捕獲裝置橫截面積(m2)；D為每次連續(xù)測(cè)定的時(shí)間(d)。NH3累計(jì)排放量(N，kg·hm-2)=NH3揮發(fā)速率(N，kg·hm-2·d-1)×D。

1.6 水樣采集與測(cè)定

1.7 統(tǒng)計(jì)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水生植物處理下蟹塘NH3揮發(fā)速率及N2O通量

由圖1可知，蟹塘不同水生植物處理NH3揮發(fā)速率隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，各處理多數(shù)時(shí)間點(diǎn)差異顯著。試驗(yàn)開始初期，各處理NH3揮發(fā)速率急劇升高，5月19日達(dá)到峰值，其峰值大小順序依次為EL處理(1.17 kg·hm-2·d-1)>E-I處理(1.05 kg·hm-2·d-1)>IP處理(0.95 kg·hm-2·d-1)，此后逐漸降低，10月20日后各處理NH3揮發(fā)速率降低至無(wú)顯著差異。整個(gè)河蟹養(yǎng)殖期間，IP和E-I處理NH3平均揮發(fā)速率分別為0.26、0.32 kg·hm-2·d-1，較EL處理減少了0.10、0.05 kg·hm-2·d-1。

蟹塘不同水生植物處理N2O排放通量變化趨勢(shì)基本相同。各處理N2O排放通量隨時(shí)間和氣溫逐漸升高，試驗(yàn)期間，IP和E-I處理下N2O平均通量分別為0.51、0.46 mg·m-2·h-1，較EL處理減少了0.15、0.20 mg·m-2·h-1，差異顯著(P<0.05)。

圖1 養(yǎng)殖周期內(nèi)不同水生植物處理NH3和N2O排放特征

2.2 不同水生植物處理下蟹塘NH3揮發(fā)量及N2O排放量

由圖2可知，IP、E-I和EL處理蟹塘NH3累計(jì)揮發(fā)量分別為74.94、89.09和109.98 kg·hm-2，IP和E-I處理NH3累計(jì)揮發(fā)量較EL處理分別降低了32.49%、18.99%，差異顯著(P<0.05)。不同水生植物處理蟹塘N2O累計(jì)排放量及NH3累計(jì)揮發(fā)量存在差異。IP、E-I和EL處理蟹塘N2O累計(jì)排放量分別為26.62、23.52 和33.37 kg·hm-2，IP和E-I處理N2O累計(jì)排放量較EL處理分別降低了20.23%、29.51%，差異顯著(P<0.05)。

柱上無(wú)相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖3同圖2 養(yǎng)殖周期內(nèi)不同水生植物處理N2O和NH3累計(jì)排放特征

2.3 不同水生植物處理下蟹塘和含量動(dòng)態(tài)

圖3 養(yǎng)殖周期內(nèi)不同水生植物處理和含量動(dòng)態(tài)

圖4 養(yǎng)殖水體和含量與氨揮發(fā)和N2O排放速率的關(guān)系

3 討論

4 小結(jié)

相較于傳統(tǒng)蟹塘植物配置方案(伊樂藻處理)，采用蕹菜和蕹菜+伊樂藻混合種養(yǎng)處理蟹塘NH3揮發(fā)和N2O排放損失顯著降低，河蟹養(yǎng)殖過程中添加蕹菜可提高氮利用率，同時(shí)也降低溫室氣體排放，為養(yǎng)殖塘“碳中和”提供技術(shù)支撐。此外，蕹菜作為水生蔬菜，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此，河蟹養(yǎng)殖過程中建議添加一定比例蕹菜替代伊樂藻。