稻蝦共作模式下龍蝦品種和養(yǎng)殖密度對CH4和N2O排放的影響

羅加偉，錢開國，徐博，李虹穎，劉少君，熊啟中，李碩，孫瑞波，張朝春，葉新新*

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/安徽省綠色磷肥智能制造與高效利用工程研究中心/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室/江淮耕地資源保護與生態(tài)修復重點實驗室，合肥230036；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，合肥230001；3.全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務中心，北京100125）

甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中主要的溫室氣體，其全球增溫潛勢分別為二氧化碳（CO2）的28 倍和265 倍[1]。農(nóng)業(yè)是CH4和N2O 的主要排放源[2]。我國水稻種植面積占全球的23%，位居第二；總產(chǎn)量占全球30%，位居第一。稻田是CH4和N2O 的重要排放源[3]，降低稻田溫室氣體排放量對農(nóng)業(yè)減排具有重大意義。

稻田綜合種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式是稻田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量高效循環(huán)的種養(yǎng)模式[4]。在稻漁共作系統(tǒng)中，不同養(yǎng)殖品種覓食行為和生存空間的差異，引起稻漁系統(tǒng)中CH4和N2O 的排放差異顯著。有研究表明，在稻鴨共作系統(tǒng)中，養(yǎng)鴨數(shù)量越多，水體溶解氧（DO）含量越高，CH4排放減少[5]；崔榮陽等[6]在洱海流域進行不同稻鴨密度共作對溫室氣體排放的試驗表明，DO、硝態(tài)氮（NO-3-N）、銨態(tài)氮（NH+4-N）及土壤溫度是引起溫室氣體CH4和N2O 排放差異的主要因素，高密度養(yǎng)鴨降低CH4排放，而增加N2O 排放。已有研究表明，不同稻蝦共作體系下土壤碳庫[7]和氮利用效率[8]的變化會影響溫室氣體的排放[9-10]；目前，我國稻蝦共作體系中主要的養(yǎng)殖品種是小龍蝦（克氏原螯蝦Procambarus clarkii）和淡水澳龍（四脊滑螯蝦Cherax quadricarinatus）[11]。稻蝦共作體系中龍蝦品種和養(yǎng)殖密度的不同，可能會引起稻田中土壤有機質(zhì)、氧化還原電位（Eh），pH 和溫度等的變化，進而影響溫室氣體排放。

本研究通過設(shè)置龍蝦品種和養(yǎng)殖密度試驗，采取PVC 靜態(tài)箱-氣相色譜法，測定系統(tǒng)中CH4和N2O 的排放通量和累積排放量及土壤Eh、NO-3-N、NH+4-N 和水體DO 等理化因子，研究稻蝦共作對溫室氣體排放規(guī)律、排放量及綜合增溫潛勢（GWP）的影響，探明龍蝦品種及養(yǎng)殖密度對稻田溫室氣體排放的影響，為稻蝦共作模式溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在安徽省銅陵市普濟圩農(nóng)場（31°58′33″N，117°43′28″E）內(nèi)進行，該地區(qū)平均海拔8～9 m，地下水位較高，屬長江下游河湖沖積平原，屬北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年降水量為1 200～1 400 mm，降雨主要集中在春夏兩季，其降雨量占年降雨70%左右，年均日照時間為1 990 h，年平均氣溫為16.3 ℃。土壤類型為河湖沉積物發(fā)育而成的潴育型水稻土，試驗前土壤有機質(zhì)為20.7 g·kg-1，pH 為6.8，全氮為2.35 g·kg-1，有效磷為9.24 mg·kg-1。試驗水稻品種為綠億香糯，龍蝦品種為克氏原螯蝦和淡水澳龍。

1.2 試驗設(shè)計及田間管理

試驗設(shè)計：試驗共設(shè)4 個處理，分別為水稻單作（DZ）、水稻低密度克氏原螯蝦共作（DD）、水稻高密度克氏原螯蝦共作（DG）和水稻澳龍共作（DA），每個處理3 個重復，共12 個小區(qū)，每個小區(qū)1 330 m2。為防止處理間養(yǎng)分相互影響，各處理間修建寬0.6 m、高0.5 m 的田埂，并用農(nóng)用塑料薄膜包裹田埂，每個處理進出水口對角線布置。在DD、DG 和DA 處理四周開挖L 型蝦溝，蝦溝寬4 m、深1.2 m。在蝦溝岸邊鋪設(shè)尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)埋入地下0.6 m，露出地面0.4 m，用小木棍支撐，并用扎帶連接固定，防止龍蝦爬出田塊。

田間管理：水稻于2021 年7 月播種，8 月移栽，11月收割。各處理之間施用相同量的化肥，施用N、P2O5、K2O 分別為220、70、95 kg·hm-2，磷、鉀肥一次性全部施用，翻耕混入土壤中作為基肥，氮肥60%作為基肥，40%在后期進行追肥施用，9 月1 日施用分蘗肥，10 月5 日施用穗肥；8 月8 日DD、DG 和DA 3 個稻蝦處理稻田淹水15～20 cm，DZ 處理稻田淹水8～10 cm，9 月15 日排水曬田，9 月20 日田面復水，DD、DG和DA 3 個稻蝦處理水深15～20 cm，DZ 處理水深8～10 cm，11月3日排水曬田，11月13日水稻收獲。

稻蝦共作模式中蝦苗于2021 年8 月10 日投放，DD投放密度為按照質(zhì)量約為25 g 的幼蝦210 kg·hm-2；DG 投放密度為420 kg·hm-2；DA 投放密度為每尾6～8 cm的澳洲淡水龍蝦13 000尾·hm-2。飼料的投放按照龍蝦質(zhì)量的2%～6%進行投喂，其主要原料為豆粕、魚粉、礦物質(zhì)、花生粕、麥麩和微量元素；飼料碳氮比為8，整個稻蝦共作季飼料碳、氮累積投入量為1 953.0 kg·hm-2（以C 計）和244.1 kg·hm-2（以N 計）。根據(jù)實際情況調(diào)整投食量和投食頻率，水稻收割后進行龍蝦捕撈。

1.3 氣體樣品采集與測定

CH4和N2O 氣體用靜態(tài)箱在田間進行采集，采用Bruker450-GC 氣相色譜儀對CH4和N2O 氣體進行測定。靜態(tài)箱由聚氯乙烯（PVC）材料制成，分為箱底、加高箱和箱蓋3 部分。箱底底面積為0.36 m2，箱底、加高箱和箱蓋分別高25、60 cm 和60 cm。箱底在水稻移栽前放于稻田中，采集氣體時蓋上箱蓋，水稻過高時，加上加高箱。箱體外部用鋁箔紙包裹進行隔熱。移栽后保持箱內(nèi)箱外水稻種植密度一致。溫室氣體在2020年8月13日至11月10日進行采集，每7～10 d 收集一次氣體，采樣時間為每日上午8：00—11：30。采氣前，蓋上加高箱和箱蓋后，在底座和加高箱的水槽中加水進行密封，在0、16、32、48 min 時用100 mL 注射器從靜態(tài)箱中抽取氣體注射到500 mL 鋁箔袋中保存，盡快帶回實驗室進行分析測定。氣體排放通量計算公式如下[12]：

式中：F是CH4或N2O排放通量，mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1；ρ是CH4或N2O在標準狀態(tài)下的氣體密度，kg·m-3；V是靜態(tài)箱有效體積，m3；S為箱底面積，m2；dC/dt表示在密閉靜態(tài)箱內(nèi)CH4或N2O 氣體排放量隨時間的變化值；T為靜態(tài)箱體在采樣過程中的平均溫度。

氣體累積排放量用平均法進行計算，即以連續(xù)兩次采樣氣體排放通量的平均值與連續(xù)兩次采樣日間隔天數(shù)相乘作為該段時間累計排放量，以此類推，最后將每個時間段的累積排放量進行求和，作為整個氣體采集過程的氣體累積排放量。CH4、N2O 氣體累積排放量計算公式如下[6]：

式中：fi、fi-1分別為第i次、第i-1次采樣時的氣體排放通量，mg·m-2·h-1；t為第i次和第i-1次采樣間隔時間，d；t為氣體采樣次數(shù)；F為整個采樣時間段內(nèi)氣體累積排放量，kg·hm-2。

整個采樣時間段內(nèi)CH4和N2O 累積排放量GWP（kg CO2e·hm-2）的計算：以100 年影響尺度計，CH4的GWP是CO2的28 倍，N2O 是CO2的265 倍[13]。GWP 計算公式如下：

式中：FCH4、FN2O分別為CH4、N2O累積排放量，kg CO2e·hm-2。

溫室氣體排放強度（GHGI，kg CO2e·kg-1）為GWP與產(chǎn)量的比值，可以綜合體現(xiàn)系統(tǒng)中糧食產(chǎn)量與GWP的關(guān)系[14]。

1.4 土壤和田面水樣品采集與測定

為減少采樣對土壤和水體擾動引起的溫室氣體排放，減少采土頻率，采集兩次氣體樣時采集一次土壤樣品，用不銹鋼土鉆在每個小區(qū)中采集3個點的0～20 cm 土層土壤作為一個混合樣，土壤帶回實驗室風干，經(jīng)挑選、磨碎、過篩后，測定可溶性有機碳（DOC）、等指標。在采樣的同時，在每個小區(qū)離靜態(tài)箱箱底10 cm 處插入土壤氧化還原電位計，記錄土壤Eh。

在采集土樣時，用便攜式溶解氧儀和pH 計測定水體中的DO和pH。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel進行分析和歸納并進行圖形繪制，數(shù)據(jù)中各指標的顯著性及相關(guān)性采用SPSS 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4排放通量

如圖1所示，各處理CH4排放規(guī)律基本一致，試驗期間出現(xiàn)兩個峰值。在水稻分蘗拔節(jié)期達到第一個峰值，DZ 處理排放峰值最高。排水曬田顯著降低CH4排放通量。隨著田面覆水和穗肥、飼料施入，CH4排放通量逐漸增加，在灌漿期達到第二個峰值。試驗期間，各處理CH4平均排放通量（mg·m-2·h-1）規(guī)律為DZ（10.20±2.05）＞DA（8.06±1.51）＞DD（6.57±1.87）＞DG（5.72±1.16）；與DZ 處理相比，DG、DD和DA 處理CH4平均排放通量分別降低了43.9%、35.6%和21.0%。

圖1 2021年8—11月各處理間CH4排放通量動態(tài)變化Figure 1 CH4 fluxes in the rice-shrimp co-cropping systems from August to October 2021

2.2 N2O排放通量

如圖2 所示，整個種養(yǎng)期間，各處理間N2O 排放通量基本一致，出現(xiàn)兩個峰值。在排水曬田期間，同時分蘗肥施入，N2O排放通量達到第一個峰值，DG處理排放峰值最高；在10月10日左右，穗肥施入，N2O排放通量達到第二個峰值。在整個水稻生育期期間，各處理N2O平均排放通量（μg·m-2·h-1）規(guī)律為DG（101.37±21.05）＞DD（88.45± 18.51）＞DA（78.09± 15.87）＞DZ（70.83±13.16）；與DZ處理相比，DG、DD和DA處理N2O平均排放通量分別增加了43.1%、24.8%和10.3%。

圖2 2021年8—11月各處理間N2O排放通量動態(tài)變化Figure 2 N2O fluxes in the rice-shrimp co-cropping systems from August to October 2021

2.3 溫室氣體累積排放量和GWP

如表1 所示，不同處理N2O 累計排放量規(guī)律為DG＞DD＞DA＞DZ，與DZ 處理相比，DG、DD和DA 處理N2O 累計排放量分別增加了40.7%、26.1%和11.7%。CH4氣體占GWP的84.2%～92.9%，不同處理間CH4累計排放量與GWP規(guī)律均為DZ＞DA＞DD＞DG。

表1 CH4和N2O累積排放量及GWPTable 1 Cumulative emissions and warming potential of each treatment

2.4 水稻產(chǎn)量和GHGI

如表2 所示，不同處理間水稻產(chǎn)量差異不顯著，不同處理間GHGI變化趨勢為DZ＞DA＞DD≈DG。與DZ 處理相比，DG、DD和DA 處理GHGI分別降低了40.1%、33.3%和21.1%，稻蝦共作可以在保證糧食安全的同時降低溫室氣體排放。

表2 各處理水稻產(chǎn)量及GHGITable 2 Rice yield and GHGI in each treatments

2.5 稻田環(huán)境因子

整個水體DO 測量期間，不同處理中平均水體DO 值順序為DG＞DD＞DA＞DZ（圖3）；與DZ 處理相比，DG、DD和DA 3 個稻蝦共作處理都顯著提高了水體中DO濃度，平均DO濃度分別提高了31.1%、22.5%和14.4%。

圖3 2021年8—10月各處理中水體DO動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of water DO in each treatments from August to October 2021

在整個測定時期內(nèi)，各處理間土壤Eh變化趨勢基本一致，即隨著淹水時間增加，土壤還原性增強，在9月中旬排水曬田時，土壤還原性減弱，復水后，土壤還原性繼續(xù)增加。不同處理土壤Eh均值順序為DG＞DD＞DA＞DZ（圖4A）；與DZ處理相比，DD和DG兩個處理顯著提高了土壤Eh。

圖4 2021年8—10月各處理中土壤Eh和土壤DOC動態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of soil Eh and soil DOC in each treatments from August to October 2021

各處理土壤DOC 稻季變化趨勢基本一致（圖4B），呈現(xiàn)先增加后降低再增加然后降低，10月3日達到最大值，其中DG 處理值最高，可能是因為龍蝦飼料和龍蝦排泄物施入到稻田中，增加了土壤DOC值。

圖5 2021年8—10月各處理中土壤NO-3-N和NH+4-N動態(tài)變化Figure 5 Dynamic changes of soil NO-3-N and NH+4-N in each treatments from August to October 2021

稻田溫室氣體排放通量與環(huán)境因子的相關(guān)性如表3所示，CH4的排放通量與水體DO、土壤Eh 、和呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），而N2O 的排放通量與水體DO、土壤Eh 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與和呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表3 稻田溫室氣體排放通量與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 3 Correlation between greenhouse gas emission flux and environmental factors in rice field

3 討論

3.1 稻蝦共作對稻田CH4排放的影響

與水稻單作處理相比較，稻蝦共作處理降低了稻田CH4累積排放量。與DZ處理相比較，DG、DD和DA處理下CH4累積排放量降低了42.9%、35.1% 和20.4%。主要原因：一是稻蝦共作處理稻田淹水比水稻單作處理深，較深的淹水降低了CH4從土壤到大氣的擴散速率[15-17]，傅志強等[18]的研究表明，與常規(guī)灌溉相比，灌水深20 cm 時CH4排放量減少6.1%；二是較深的淹水降低水稻根系活力，減弱水稻根區(qū)對CH4的再氧化能力和水稻植株對CH4的傳輸能力[19-21]；三是稻蝦共作中小龍蝦在稻田中生活，其嬉戲、覓食、掘穴等活動會破壞土壤，有中耕的作用，加速根系泌氧，提高土壤中氧氣含量[10，22]；四是小龍蝦和鴨覓食稻田中雜草、浮游生物和水藻等，降低這些生物對稻田系統(tǒng)中氧氣的消耗，提高稻田系統(tǒng)中DO 含量[4，6]，增加土壤Eh，最終降低CH4排放。

3個稻蝦處理中，DG 處理減少稻田CH4排放最顯著，可能是因為DG 處理小龍蝦密度大，小龍蝦打洞能力比澳龍強[23]，打洞加速了土壤界面與空氣交換的能力，提高土壤Eh，降低產(chǎn)甲烷菌活性，提高甲烷氧化菌活性，最終顯著降低CH4排放。

3.2 稻蝦共作對稻田N2O排放的影響

與DZ 處理相比，DA、DD和DG 處理N2O 累計排放量分別增加了11.7%、26.1%和40.7%。稻蝦共作模式增加稻田N2O 排放的原因可能是：首先，克氏原螯蝦為排氨型代謝動物，排泄物中含有大量NH+4-N，龍蝦排泄物的投入補充了氮源，為硝化與反硝化作用提供大量反應底物，促進硝化反硝化作用發(fā)生，從而促進中間產(chǎn)物N2O的排放[24-25]；其次，小龍蝦在田間的擾動，可能加速了溶解在水層中的N2O的擴散和排放[26]；再次，稻田中小龍蝦和鴨等刺激水稻生長，加速水稻根系泌氧[4]，同時小龍蝦覓食雜草和浮游生物等[6]，減少氧氣消耗，促進硝化作用進行，增加N2O排放。

DG 處理N2O 排放通量高于DD和DA 處理，主要是因為：（1）DG 處理小龍蝦密度高，在稻田中活動強度高于DD和DA 處理，加速了土壤與空氣的流通交換，提高土壤和水層含氧量，提高土壤Eh，促進土壤硝化作用發(fā)生，為反硝化提供底物，從而導致N2O 大量產(chǎn)生[22，27]；（2）DG 處理小龍蝦密度高，小龍蝦排泄物量增加，為硝化作用提供了充足底物，促進N2O 的產(chǎn)生與排放。

3.3 稻蝦共作對GWP的影響

GWP主要由CH4和N2O 兩種溫室氣體構(gòu)成，本研究中，與DZ 處理相比，稻蝦處理降低CH4排放，增加N2O 排放，最終降低GWP；CH4氣體占GWP的84.2%～92.9%，說明稻田CH4排放量是影響GWP變化的主要原因[28]，降低稻田CH4排放對緩解溫室氣體GWP至關(guān)重要[29]。

4 結(jié)論

（1）各處理間CH4排放通量、CH4累積排放量和GWP規(guī)律均為DZ＞DA＞DD＞DG；N2O 排放通量和N2O累積排放量規(guī)律為DG＞DD＞DA＞DZ。與DZ 相比，DG、DD和DA 處理GWP分別降低了36.9%、30.7%和18.1%。與水稻單作相比，稻蝦共作能降低CH4排放，增加N2O 排放，但考慮GWP，稻蝦共作能實現(xiàn)溫室氣體減排，其中DG處理最明顯。

（3）各處理間水稻產(chǎn)量無顯著差異，兼顧水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放，不同處理GHGI變化趨勢為DZ＞DA＞DD≈DG。在稻蝦共作體系中，為了更有效降低稻田系統(tǒng)中溫室氣體的排放，需要考慮龍蝦品種和養(yǎng)殖密度的選擇。