稻魚共生養(yǎng)魚密度對稻田甲烷排放的影響

摘要：為探究不同密度稻魚共生模式對雙季稻田甲烷（CH4）排放及有機碳的影響，本研究于2022-2023年在湖南省長沙縣路口鎮(zhèn)進行大田試驗，設(shè)置雙季稻不養(yǎng)魚常規(guī)種植（CK）、雙季稻養(yǎng)魚3 000尾·hm-2（DY1）、6000尾·hm-2（DY2）3個處理，采用大區(qū)試驗設(shè)計，分析不同密度稻魚共生模式對雙季稻田CH4排放及土壤有機碳（SOC）、水溶性有機碳（WDOC）及微生物量碳（MBC）的影響。結(jié)果表明：與CK相比，兩年的稻魚共生模式增加了CH4季節(jié)累積排放通量和周年累積排放量；不同密度稻魚處理之間相比，DY1處理2022、2023年CH4周年累積排放顯著高于DY2處理17.67%、13.35%（P＜0.05）。稻魚處理在2022年早、晚稻成熟期較CK分別提高了土壤SOC含量8.18%-14.10%和47.26%-5 6.42%；在2023年分別提高了22.00%-22.77%和23.74%-24.91%。土壤WDOC含量達到峰值時，與CK相比，2022年稻魚處理的早、晚稻時期分別提高了133.39%-179.35% （P＜0.05）、27.72%-40.78%（P＜0.05），2023年稻魚處理的早、晚稻時期分別提高了6.98%-14.16% （P＜0.05）、68.51%-74.83% （P＜0.05）。稻魚處理土壤MBC含量在2022年早稻時期顯著提高了544.86%-719.41% （P＜0.05），晚稻高峰時顯著提高了15.89%-32.68%（P＜0.05），2023年早稻時期MBC含量變化較小，晚稻高峰時DY2較CK顯著提高了210.35% （P＜0.05）。綜上，稻魚共生模式增加了土壤sOc、WDOC、MBC含量且促進了CH4排放，但CH4排放隨養(yǎng)魚密度增加而降低。本研究發(fā)現(xiàn)，稻魚共生模式對雙季稻田CH4減排具有意義，且當養(yǎng)魚密度在6 000尾·hm-2時效果最佳。

關(guān)鍵詞：雙季稻；稻魚共生；養(yǎng)魚密度；甲烷排放；有機碳

中圖分類號：X144；S964.2 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2174-09 doi：10.11654/jaes.2024-0036

甲烷（CH4）作為溫室氣體的重要組成部分，對全球溫室效應(yīng)的貢獻率達20%。稻田是CH4的重要排放源，其排放量約占我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)CH4總排放量的17.83%。我國水稻（Oryza sativa L．）種植面積居世界第二。湖南省是雙季稻區(qū)和稻田生態(tài)種養(yǎng)的活躍區(qū)，生態(tài)種養(yǎng)面積超過33萬hm2，湖南省稻田養(yǎng)魚范圍廣、模式多，主要有再生稻+魚、雙季稻+魚、一季稻+魚等共生模式。土壤有機碳的動態(tài)變化直接影響CH4排放，相較于常規(guī)水稻模式，生態(tài)種養(yǎng)模式中土壤有機質(zhì)含量與有機碳的變化特征一直以來都是重點關(guān)注的問題。生態(tài)種養(yǎng)模式下投入的肥料、飼料未被利用而殘留在稻田中，動物取食田間的雜草、藻類、浮游動物等后形成糞便還田，增加了外源碳輸入，從而促進土壤有機碳積累，為產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)CH4提供底物，增加CH4排放，但稻魚共生模式下長期淹水也會削弱CH4以氣泡和液相擴散這兩種向外釋放的傳輸效率，減少CH4排放。

目前國內(nèi)外對稻魚模式下CH4排放進行了大量研究，但尚無統(tǒng)一定論。袁偉玲等研究發(fā)現(xiàn)，稻田養(yǎng)鯽魚的CH4排放通量比水稻單作減少12% -16%。展茗等研究也認為，稻魚共生的CH4排放總量比水稻單作低。劉小燕等表明，稻田養(yǎng)金魚的CH4平均排放通量較常規(guī)稻作減少15%。周江偉等發(fā)現(xiàn)，免耕稻魚鱉比水稻單作的CH4排放減少了39.9%。也有研究認為，稻魚共生會增加CH4排放。Bhattacha-ryya等發(fā)現(xiàn)，稻田養(yǎng)鯪魚的CH：排放較水稻單作相比增加了26%。

稻魚模式作為一種兩收的生態(tài)模式，備受關(guān)注，而目前稻魚共生模式的研究多應(yīng)用于一季稻、稻魚輪作或稻魚+其他動物的養(yǎng)殖模式，對于雙季稻下的稻魚共生模式的研究較少，且在稻魚模式下，關(guān)于CH4排放的研究主要集中在類型和品種上，對于放養(yǎng)密度研究相對缺乏。因此，本研究通過在雙季稻區(qū)連續(xù)2年開展不同密度養(yǎng)魚試驗，分析不同密度稻魚共生模式對雙季稻田CH4排放及有機碳的影響，為降低南方雙季稻生產(chǎn)過程中的CH4排放和雙季稻區(qū)發(fā)展生態(tài)種養(yǎng)模式的固碳減排提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年3月至2023年11月在湖南省長沙縣路口鎮(zhèn)明月村隆平稻作公園稻田綜合種養(yǎng)科研基地（28°40＇38＂N、113°29＇48＂E）進行。氣候為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均降水量1 200-1 500 mm，平均氣溫16-20℃，≥10℃的有效積溫5 000-5 500℃，無霜期260-300 d。試驗田土壤理化性質(zhì)：全氮1.43g·kg-1，堿解氮58.27 mg·kg-1，有效磷8.05 mg·kg-1，速效鉀65 mg·kg-1，有機質(zhì)19.21 g·kg-1，pH值為5.98。

1.2 試驗設(shè)計及田間管理

本試驗共設(shè)置3個處理，分別為大區(qū)單位面積投魚密度3 000尾·hm-2（DY1）、6 000尾·hm-2（DY2），以不養(yǎng)魚常規(guī)種植為對照（CK）；魚苗規(guī)格為（50±5）g。采用大區(qū)試驗設(shè)計，每個大區(qū)面積138 m2。稻魚共生區(qū)圍繞田埂四周開寬50 cm、深30 cm魚溝，各處理設(shè)置進水口1個，出水口1個，出水口附近設(shè)規(guī)格為1m×1 m×1 m的魚凼，魚凼上方采用遮陽網(wǎng)遮蓋。

供試早稻種植品種為中早39，晚稻種植品種2022年為湘早秈45號，2023年為H優(yōu)518。早、晚稻插秧規(guī)格為20 cm×23 cm，移栽密度為300 000株·hm-2；供試魚苗品種為禾花鯉魚（Procypris merus）。2022年早稻移栽時間為4月29日，收獲時間為7月10日，魚苗投放時間為5月15日，收獲時間為7月3日；2022年晚稻移栽時間為7月20日，收獲時間為10月5日，魚苗投放時間為8月5日，收獲時間為9月30日；2023年早稻移栽時間為4月26日，收獲時間為7月13日，魚苗投放時間為5月13日，收獲時間為7月6日；2023年晚稻移栽時間為7月18日，收獲時間為10月15日，魚苗投放時間為8月4日，收獲時間為10月10日。早稻均采用人工手割收獲，晚稻移栽前均為免耕。

肥料為復(fù)合肥及尿素，復(fù)合肥養(yǎng)分含量N：P205：K20=15：15：15，總養(yǎng)分含量≥45%;尿素的含氮量≥46.5%。整地后施復(fù)合肥500 kg·hm-2，插秧后7d追施尿素（含氮46.5%），用量為100 kg·hm-2，水稻插秧15 d左右投放魚苗，魚苗要求健康無病，投放前用20-30 g·L-1的鹽水浸泡3-5 min進行消毒，調(diào)節(jié)水溫，使之稻田水溫差低于3℃。每日按魚總重量的5%進行投喂粗蛋白含量為29%的膨化顆粒魚用飼料，即每1 kg魚喂50 g飼料，水稻收割前7d左右排水收魚。CK處理采用當?shù)剞r(nóng)民常規(guī)種植的水分管理（淺水分蘗，寸水返青，分蘗末期進行曬田，孕穗期到乳熟期進行淺濕交替，成熟期進行干濕交替，收獲前7d左右排水），其他處理均采用淹水處理，淹水深度25-30 cm，所有處理采用生態(tài)種植，在整個生育期均不使用化學(xué)藥劑防治病蟲害。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 CH4氣體采集與檢測

CH4氣體樣品通過靜態(tài)暗箱采集，氣相色譜法進行檢測。每個大區(qū)隨機設(shè)置3個觀測點，為了免于人為擾動土壤影響溫室氣體的排放及測定，水稻插秧后次日插入底座，底座規(guī)格為：長65 cm×寬65 cm×高25cm。采樣箱是由不銹鋼材料制作而成，外面包裹保溫材料，規(guī)格：長65 cm×寬65 cm×高100 cm。水稻移栽扎根立苗后，選擇晴朗天9：00-11：00進行采集，每7-10 d采集一次，直至水稻收獲。每個取樣點每次連續(xù)取樣4次，每次間隔10 min，采集的氣體立刻轉(zhuǎn)移至真空玻璃瓶，送至湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)院環(huán)境研究所使用Agilent7890A氣相色譜儀進行分析，標準氣體由國家標準物質(zhì)中心提供。排放通量由3個氣樣濃度值線性回歸分析計算得出。稻田甲烷氣體排放通量計算公式如下：

F=ρ×273／（273+T）s×H×dc/dt

式中：F為排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為標準大氣壓下的甲烷密度，為0.714 g·L-1：T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃；且是采樣箱的箱罩凈高度，m；dc/dt是采樣箱內(nèi)溫室氣體濃度的變化率。季節(jié)累積排放置計算公式如下：

式中：C表示溫室氣體排放總量，mg·m-2；n表示氣體檢測次數(shù)，i表示第幾次檢測，F(xiàn)為溫室氣體排放通量，mg·m-2·h-1；ti+1-ti為相鄰兩次取氣間隔時間d。周年累積排放量是早稻累積排放量與晚稻累積排放量之和。

1.3.2 土壤樣品采集與測定

水稻移栽后每隔半個月，進行一次土壤取樣。將試驗大區(qū)分為3個小區(qū)，每個小區(qū)按五點取樣法取耕作層0-20 cm土樣，每點取3份樣品充分混勻，挑去作物殘根和小石子后分成兩份，一份保存于-20℃冰箱，用于土壤水溶性有機碳（WDOC）、微生物量碳（MBC）的測定；另一份自然風(fēng)干后磨碎，過0.25 mm篩，用于土壤總有機碳（SOC）的測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理及繪圖，采用SPSS 23進行方差分析和顯著性檢驗，利用Dun-can法進行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度稻魚共生模式對稻田CH4排放的影響

2.1.1 不同密度稻魚共生模式對稻田CH4排放通量動態(tài)變化的影響

2022年早稻CH4排放通量動態(tài)變化如圖1所示，CH4排放通量隨著作物生長周期的變化出現(xiàn)兩個波峰，分別為分蘗后期及齊穗期，隨后，CH4排放通量開始緩慢下降。晚稻3個處理的CH4排放動態(tài)變化基本一致，排放最高峰出現(xiàn)在8月31日，隨后，CH4排放通量開始下降。其中，晚稻CK處理的CH4排放通量低于稻魚處理。

2023年試驗結(jié)果中，早稻3個處理在整個生育期的CH4排放通量呈先上升后下降，隨后上升的趨勢。在5月29日出現(xiàn)波峰，各處理CH4排放的極差達到了25.23 mg·m-2·h-1，從5月19日起直至水稻收獲，CK處理CH4排放通量低于DY1、DY2處理。晚稻出現(xiàn)兩個排放波峰分別在分蘗期和齊穗期，整個生育期呈先上升再降低，隨后上升再降低的趨勢，并在成熟期逐漸降低。

2.1.2 不同密度稻魚共生模式對CH4累積排放量的影響

由表1可知，2022年早稻CH4累積排放通量，稻魚處理比CK處理高11.41%-30.70%；晚稻稻魚處理比CK處理高60.62%-103.98%（P＜0.05）；周年CH4累積排放量稻魚處理比CK處理高28.24%-55.76%（P＜0.05）。不同密度稻魚處理之間相比，早稻累積排放通量DY2比DY1低14.76% （P＞0.05），晚稻DY2比DY1低21.26% （P＜0.05），周年累積排放DY2比DY1低17.67%（P＜0.05），DY1處理在早、晚稻及周年累積排放量顯著高于DY2處理。

2023年早稻CH4累積排放通量，稻魚處理比CK處理高27.87%-53.18%；晚稻稻魚處理比CK處理高23.03%-30.79% （P＜0.05）；周年CH4累積排放量稻魚處理比CK處理高25.51%-42.27%（P＜0.05）。不同密度稻魚處理之間相比，早稻累積排放DY2比DY1低16.53%（P＞0.05），晚稻累積排放DY2比DY1低5.93%（P＞0．05），周年累積排放DY2比DY1低13.35% （P＜0.05），不同密度稻魚處理在早、晚稻及周年累積排放量上均存在顯著差異。DY2處理在早、晚稻及周年累積排放量上顯著低于DY1處理。

2.2 不同密度稻魚共生模式對SOC及其組分的影響

2.2.1 不同密度稻魚共生模式對稻田SOC含量的影響

由表2可知，不同密度稻田養(yǎng)魚在不同程度上影響了SOC含量變化。與CK相比，2022年稻魚處理早稻SOC含量提高了8.18%- 14.10%，晚稻提高了40.75%-47.26%（P＜0.05）；不同密度處理間相比，DY1較DY2早稻土壤SOC含量提高了5.47%，晚稻提高了4.62%。與CK相比，2023年稻魚處理早稻SOC含量提高了22.00%-22.77%（P＜0.05），晚稻提高了34.07%-36.73%（P＜0.05）；不同密度處理間相比，DY1較DY2早稻SOC含量提高了0.63%，晚稻提高了1.98%。

2.2.2 不同密度稻魚共生模式對稻田土壤WDOC含量的影響

由圖2可知，2022年早、晚稻的WDOC含量均呈先上升后下降趨勢。早稻在6月29日出現(xiàn)極差，DY1和DY2處理顯著高于CK處理179.35%和133.39%（P＜0.05）；晚稻8月31日WDOC的含量最高，DY1和DY2顯著高于CK處理40.78%和27.74%（P＜0.05）。2023年早、晚稻的WDOC含量呈先上升后下降再上升的趨勢。早稻在5月29日出現(xiàn)高峰，DY1和DY2處理顯著高于CK處理14.16%和6.98% （P＜0.05）；晚稻9月12日的WDOC含量最高，DY1和DY2處理顯著高于CK處理68.51%和74.83%（P＜0.05）。由于2022年采用早稻翻秋，故而晚稻采樣次數(shù)比2023年晚稻要少一次。

2.2.3 不同密度稻魚共生模式對稻田土壤MBC含量的影響

由圖3可知，2022年早稻MBC含量在5月31日和7月13日較高，5月31日DYI和DY2處理顯著高于CK處理544.86%和719.41%（P＜0.05），在7月13日達到峰值；晚稻MBC含量8月31日達到最高，其中DYI處理顯著高于CK處理32.68% （P＜0.05），DY2處理高于CK處理15.89%（P＜0.05）。2023年早稻土壤MBC含量變化較小，晚稻在分蘗期含量最高。在9月12日，DY2處理的土壤MBC含量達到最高值，顯著高于CK處理210.35%（P＜0.05）。

2.3 相關(guān)性分析

由圖4可知，2022-2023年各處理的CH4排放與土壤MBC、WDOC及SOC均具有相關(guān)性。2022年（圖4A）各處理的CH4排放與土壤MBC含量均呈正相關(guān)關(guān)系，2023年（圖4B）CH4排放與土壤MBC含量呈負相關(guān)關(guān)系；由圖4C、圖4D可以看出，2022-2023年各處理CH4排放與土壤WDOC含量均呈正相關(guān)，其中2023年DY1和DY2處理呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；由圖4E、圖4F可以看出，2022-2023年CK處理的CH4累積排放量與SOC含量呈正相關(guān)，DY1和DY2處理的CH4累積排放量與SOC含量呈負相關(guān)。

3 討論

3.1 不同密度稻魚共生模式對CH4排放的影響

稻田CH4是在嚴格厭氧環(huán)境條件下，由土壤中的產(chǎn)甲烷菌分解有機質(zhì)而生成，產(chǎn)甲烷菌屬于厭氧型菌，只有在稻田淹水時形成一個厭氧環(huán)境條件才會產(chǎn)生甲烷。稻田養(yǎng)魚一般水深維持在水稻田面上20-40 cm，屬于深水灌溉。有研究表明，稻田水分管理是影響CH4排放的重要因素之一，水分通過影響土壤Eh和O2供給、土壤微生物活性及CH4擴散速率來實現(xiàn)對稻田CH4排放的調(diào)控。在稻魚模式中，由于魚的種類及活動強度不同，產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的CH4通過多種途徑擴散至大氣的釋放效率也不同，因此對CH4排放量影響的研究結(jié)果不一。劉小燕等、周江偉等認為，稻田養(yǎng)魚顯著降低了CH4排放通量高峰值，這與本研究結(jié)果相反。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2022-2023年兩年的試驗中，稻田CH4季節(jié)累積排放量及周年累積排放量均表現(xiàn)為DY1、DY2處理高于CK處理，這與Datta等、Frei等、Bhattacharyya等研究結(jié)果一致。稻田養(yǎng)殖動物的種類不同，其適宜的密度范圍也不同。若密度過大，超過環(huán)境最大承載量，養(yǎng)殖動物的排泄物、殘體、投入的飼料會作為額外的碳源，且呼吸作用會消耗更多的氧，使土壤含氧量降低，土壤產(chǎn)甲烷菌活性提高，從而增加CH4排放；若投放密度過小，則不能獲得種養(yǎng)結(jié)合的綜合效益。有研究表明，CH4的排放量會隨著動物的投放密度增加而降低，這與本試驗結(jié)果一致，本試驗結(jié)果表明DY1的CH4排放通量大于DY2。這可能是由于魚的活動強度、呼吸消耗大，使產(chǎn)生的CH4更容易向外擴散，水中溶解氧的含量降低，降低了土壤Eh，從而增加CH4排放。因此，稻魚模式下的稻田CH4排放變化還需根據(jù)魚的品種和放養(yǎng)密度、水的深度、氣溫條件等深入研究。

3.2 不同密度稻魚共生模式對SOC及其組分的影響

SOC是土壤肥力的核心，其含量由有機質(zhì)的輸入和礦化共同決定。土壤活性有機碳是土壤有機碳庫的重要組成部分，常通過水溶性有機碳（WDOC）、微生物量碳（MBC）等來進行表征。有研究表明，水產(chǎn)動物的掘食與擾動可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，減輕土壤板結(jié)，改善土壤結(jié)構(gòu)。同時，動物的排泄物可以增加土壤中有機質(zhì)含量，改善土壤肥力，穩(wěn)定水稻產(chǎn)量。馬薇薇等：3q、郭海松等、呂廣動等、Guo等研究發(fā)現(xiàn)稻田養(yǎng)魚可以有效提高土壤有機質(zhì)含量，這與本研究結(jié)果一致?？赡苁且驗榈咎镏械聂~通過游動、采食田間浮游生物等資源后排泄還田，長期積累促進土壤有機質(zhì)的增加。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)2023年早稻成熟期SOC含量較2022年晚稻成熟期有所下降，可能是因為本試驗中2022年晚稻采用的是早稻翻秋，生育期較短，在水稻收獲后，氣溫仍未下降，土壤微生物活躍，導(dǎo)致土壤中有機質(zhì)被分解利用，加快土壤有機碳的礦化。周榆淇等認為，稻田養(yǎng)魚能夠在一定程度上增加土壤MBC含量，這與本研究結(jié)果一致?？赡苁怯捎诘咎镏恤~的糞便、部分投入餌料殘留等外源有機碳源的輸入，為土壤微生物繁殖增加了來源，從而促進土壤微生物活性。土壤活性有機碳在一定程度上取決于SOC的含量，稻田養(yǎng)魚改善了土壤環(huán)境，養(yǎng)分歸還量增加導(dǎo)致SOC含量增加，活性變大。有研究表明，淹水條件下可提高土壤有機碳的溶出，導(dǎo)致土壤團聚體的分散進而增加可溶性碳含量，這與本研究結(jié)果類似。本研究結(jié)果表明，稻田養(yǎng)魚在一定程度上提高了土壤WDOC含量，可能是因為水稻的根系分泌物是土壤WDOC的主要來源，稻魚共生模式下魚活動取食及排泄為水稻根系提供了養(yǎng)分，改善根系生長環(huán)境，提高了根系活力從而增加了土壤WDOC的含量。湯宏等研究發(fā)現(xiàn)，土壤WDOC是土壤中微生物活動的重要能量來源，在長期淹水條件下，土壤中可溶性有機質(zhì)分解，導(dǎo)致土壤WDOC含量提高，從而使微生物數(shù)量增多，所需要的土壤WDOC增加，從而導(dǎo)致土壤WDOC含量減少，形成一個穩(wěn)定的體系。本研究中的CH4排放與土壤WDOC含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，也正說明了這一點。

4 結(jié)論

（1）兩年稻魚共生模式均提高了土壤總有機碳、水溶性有機碳及微生物量碳含量。甲烷排放與水溶性有機碳呈極顯著正相關(guān)，稻魚共生模式促進了甲烷排放。

（2）稻魚共生模式下甲烷排放隨著養(yǎng)魚密度的增加而降低。養(yǎng)魚密度6 000尾·hm-2較3 000尾·hm-2有降低甲烷排放的效果，并通過影響土壤有機碳提高了土壤肥力，在實際生產(chǎn)上進行示范應(yīng)用的最佳養(yǎng)魚密度為6 000尾·hm-2。

（責(zé)任編輯：葉飛）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD2300305）；湖南省自然科學(xué)基金項目（2021JJ30319）