稻-鴨-蝦模式對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)碳排放及碳固定的影響研究

關(guān)鍵詞稻-鴨-蝦模式；稻田種養(yǎng)；碳排放；碳固定； CH₄ 排放； N₂O 排放中圖分類號(hào) S181;S511：S966.12：S834 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2421（2025）03-0038-07

水稻（OryzasatiuaL.）是全球主要糧食作物之一，更是我國第一大糧食作物。隨著全球變暖的影響日趨嚴(yán)重，極端氣候出現(xiàn)愈加頻繁，稻田作為溫室氣體排放的最重要來源之一，其排放量約占我國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量的 42%^[1] 。其中，直接碳排放約占碳總排放量的 50%～80% ，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入的能源和農(nóng)資所導(dǎo)致的間接碳排放約占碳總排放量的 38%～58%^[2] 。在直接碳排放中又以 CH₄ 和 N₂O 為主要排放形式，約占直接碳排放量的 70% 以上[2]。因此，稻田減排的新模式研究是實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)發(fā)展中研究的熱點(diǎn)。已有研究表明，稻田綜合種養(yǎng)模式在提高稻田經(jīng)濟(jì)效益、減少化肥和農(nóng)藥的使用、改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力等方面具有顯著優(yōu)勢[3-4]。在稻-鴨-蝦種養(yǎng)和稻-鴨種養(yǎng)模式中蝦和鴨的活動(dòng)會(huì)促進(jìn)土壤氣體交換，增加水體中的含氧量，從而影響甲烷細(xì)菌和硝化與反硝化細(xì)菌的活性，降低溫室氣體的排放量[5-7]。稻-鴨-蝦綜合種養(yǎng)模式有機(jī)地整合了稻-鴨共作與稻-蝦輪作模式，該模式的應(yīng)用進(jìn)一步提高了稻田綜合經(jīng)濟(jì)效益，然而，關(guān)于該模式對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排特征尚缺乏系統(tǒng)評(píng)估。本研究以稻-鴨-蝦模式為主要研究對(duì)象，對(duì)比傳統(tǒng)稻作和稻-蝦模式，探究不同稻-鴨-蝦模式的碳排放及碳固定特征變化，旨在為稻-鴨-蝦模式種養(yǎng)的生態(tài)效益評(píng)估提供參考，為促進(jìn)稻-鴨-蝦模式的推廣應(yīng)用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及材料

試驗(yàn)于2022年3月至2022年11月在湖北省荊州市監(jiān)利市橫臺(tái)村華中農(nóng)業(yè)大學(xué)雙水雙綠研究基地

開展。供試水稻品種為華墨香5號(hào)，供試蝦為克氏原螯蝦（Procambarusclarkii），供試鴨品種為武禽10號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，水稻單作和稻-蝦模式為對(duì)照組，稻-鴨-蝦模式有單元格模式、游牧鴨模式和大田塊模式3種處理，每種模式設(shè)置3次重復(fù)。試驗(yàn)具體設(shè)置如下：水稻單作模式（monoculture，CKl）：傳統(tǒng)農(nóng)戶種植模式，種植密度 16cm×30cm ，每穴4株。水稻施氮量 150kg/hm² ，基肥追肥質(zhì)量比7：3。灌溉方式為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌溉模式，除了曬田和收獲期田間自然曬干且不灌水外，其余時(shí)期田面水均保持10cm。稻-蝦模式（rice-crayfish coculture，CK2）：小區(qū)周圍開挖圍溝，種植密度 14cm×30cm ，每穴4株。水稻移栽前不施用基肥，移栽后于6月30日和7月16日分別施用尿素45和 22.5kg/hm² ，整個(gè)生育期內(nèi)不施用農(nóng)藥，其余田間管理措施同水稻單作一致。稻-鴨-蝦單元投放模式（rice-duck-crayfish unit releasemodel，CRXD）：采用單元模式，每單元開挖圍溝，稻田四周用尼龍網(wǎng)搭建圍欄，各田塊留有單獨(dú)鴨棚，供鴨休憩、喂食用。各單元設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)水口和出水口，保證試驗(yàn)田水環(huán)境一致且又相互獨(dú)立，在水稻移栽14d后將雛鴨以180只/ ?^′hm² 的密度放入稻田實(shí)行鴨稻共作。稻-鴨-蝦\"游牧鴨\"模式（rice-duck-cray-fish“nomadic duck”model，NRXD）：在相鄰2兩塊田間設(shè)置鴨棚且留有通道，在水稻插秧后10d左右將雛鴨以90只/ hm² 的密度放入稻田實(shí)行鴨稻共作，通過人工趕鴨的方式控制鴨活動(dòng)區(qū)域。稻-鴨-蝦大田塊模式（rice-duck-crayfish large field block model，BRXD）：在水稻移栽14d后將雛鴨以180只/ hm² 的密度放入稻田，田塊面積 1.6hm² ，鴨在田間自由活動(dòng)。其余田間管理與稻-蝦模式（CK2）一致。

1.3 CH₄，N₂O 排放通量的測定

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[8]測定 CH₄，N₂O 濃度，每批樣品在14d內(nèi)測定。檢測條件：在 180^°C 的溫度下，使用氫火焰離子化檢測器（FID）分析 CH₄ 濃度，通過電子捕獲檢測器（ECD）檢測 N₂O 濃度。載氣為流速 300mL/min 的高純氮?dú)?，燃?xì)鉃榱魉?0mL/min 的氫氣，助燃?xì)鉃榱魉?300mL/min 的空氣。CH₄ 和 N₂O 的排放通量根據(jù)公式（1）計(jì)算[9]：

式（1）中， .F 為氣體通量， mg/（m²?h）;ρ 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度， kg/m³;h 為采樣箱頂部距離水面的高

度， m;dC/dt 是采樣箱內(nèi)氣體濃度變化率，t為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度， °C 。

水稻生育期 N₂O 和 CH₄ 的累積排放量，采用2個(gè)相鄰的采樣時(shí)期的均值與采樣時(shí)間間隔的乘積累加得到[10]：

式（2）中 ，_Fc 為 ?N₂O 和 |CH₄ 的累積排放量， kg/hm² （F_i+F_i+1） 是兩次相鄰采樣氣體通量， mg/（m²?h） 5（t_i+1-t_i） 是兩次相鄰采樣時(shí)間間隔， h;n 表示采樣次數(shù)。

1.4全球增溫潛勢和溫室氣體排放強(qiáng)度的測定

全球增溫潛勢（global warmingpotential，GWP）按照Bayer等[11]方法進(jìn)行計(jì)算;溫室氣體排放強(qiáng)度（greenhouse gas emission intensity，GHGI）按照Mohanty等[12]方法計(jì)算，公式如下：

P_GWP=30×E_CH4+268×E_N2O

式（3）中， P_GWP 是GWP的測算量， kgCO₂eq/hm² 表示 CH₄ 與 N₂O 排放量折算為等溫室效應(yīng)的 CO₂ 排放量的增溫潛勢； E_CH4 是 CH₄ 的增溫潛勢， E_N2O 是N₂O 的增溫潛勢。溫室氣體排放強(qiáng)度由式（4）得到：

式（4）中 ，I_GHGI 是GHGI的測算量， kgCO₂eq/kg 表示單位產(chǎn)量的 CO₂ 當(dāng)量； Q 是水稻產(chǎn)量， kg/hm² 。

1.5碳固定和碳中和效應(yīng)測定

碳中和效應(yīng)參考陳松文等[13]方法計(jì)算。

G_C=G_s-G_e

式（5）中， G_C，G_s，G_e 分別代表碳中和量、碳固定量、碳排放量， kg/hm² 。其中：

G_s=B_st×C_st+B_r×C_r+Δ₀×ρ×d×0.37

式（6）中， B_st 是秸稈生物量， kg/hm² C_st 是秸稈含碳量， %：B_r 是根系生物量， kg/hm² C_r 是根系含碳量， %;Δ_O 是土壤有機(jī)質(zhì)變化量， kg/hm²;ρ 是土攘容重， 1.15g/cm³ d 是耕作層厚度， 20cm ;矯正系數(shù)取值為0.37。

G_e=G_D+G_I

式（7）＼～（9）中， G_D 為直接排放量 為間接排放量 ?C_CH4 為 CH₄ 排放量 ?C_N2O 為 N₂O 排放量 ?q_? 是農(nóng)資投入量，kg/hm2;εj是溫室氣體排放系數(shù)[14]。

1.6水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素測定

在水稻成熟期取樣，每個(gè)小區(qū)取 5m² 用于實(shí)際產(chǎn)量測定。人工收割和脫粒后，用尼龍網(wǎng)袋裝袋晾曬后風(fēng)選稱質(zhì)量，測定稻谷質(zhì)量和含水量。待稻谷含水量約為 14% 時(shí)，計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。同時(shí)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取樣5點(diǎn)，每點(diǎn)區(qū)域面積為 1m² ，用于計(jì)算單位面積水稻有效穗，水稻樣品去根后，帶回室內(nèi)使用考種機(jī)器[YTS-5D（S）考系列]進(jìn)行考種分析。

1.7數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBMSPSSStatistics26、Excel2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)同一年每個(gè)處理的平均值用LSD分析法進(jìn)行多重比較，試驗(yàn)結(jié)果用3個(gè)重復(fù)的平均值表示。采用Origin2024b軟件繪圖，平均值的標(biāo)準(zhǔn)差在圖中用誤差線表示。

2 結(jié)果與分析

2.1產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表1可見，CK1的實(shí)際產(chǎn)量最高，為4980kg/hm² ，BRXD和CK2分別比CK1低 6.51% 、6.40% ，各處理的實(shí)際產(chǎn)量僅CK1與CRXD、NRXD、BRXD之間存在顯著差異，CK2、CRXD、NRXD、BRXD之間均未達(dá)到顯著差異。除NRXD外，各模式穗粒數(shù)均顯著高于CK2，CRXD、NRXD與CK1穗粒數(shù)均無顯著差異。各處理千粒重?zé)o顯著差異，CRXD、NRXD、BRXD的結(jié)實(shí)率均顯著高于CK1、CK2（ （Plt;0.05 ），分別相較CK1高出 12.98% 10.60% / 13.13% ，相較CK2高出 8.92% / 6.62% 、9.06% ;CRXD、NRXD、BRXD的有效穗數(shù)均顯著低于CK1、CK2。

2.2 CH₄ 和 N₂O 的排放量

由表2可見，整個(gè)生育階段CK1的 CH₄ 排放量最高，BRXD的 CH₄ 排放量最低，BRXD、NRXD、CRXD 相較CK1、CK2顯著降低，CRXD、NRXD、BRXD的 CH₄ 排放量相較CK1、CK2分別降低 28% 和 19%.30% 和 21%.32% 和 23% ；整個(gè)生育階段BRXD的 N₂O 排放量最高，CK1的 N₂O 排放量最低，BRXD、NRXD、CRXD 相較CK1、CK2顯著增加，CRXD、NRXD、BRXD的 N₂O 排放量相較CK1、CK2分別增加 29% 和 14% 、 34% 和 18%.50% 和 33% 6月21日至7月2日鴨未放養(yǎng)入田，僅BRXD的 N₂O 排放高于其他處理模式，其余各處理之間 CH₄ 和N₂O 之間無顯著差異；7月2日至9月1日，將鴨投放入田后CRXD、NRXD、BRXD的 CH₄ 排放量和 N₂O 排放量與CK1、CK2之間均有顯著差異，CRXD、NRXD、BRXD處理 CH₄ 排放量相較CK1、CK2顯著降低，CRXD、NRXD、BRXD處理 N₂O 排放量相較CK1、CK2則顯著增加；9月1日至10月14日，鴨收獲后僅CK1的 CH₄ 排放量與其余處理有顯著差異，CRXD、NRXD、BRXD處理 CH₄ 排放量相較CK1顯著降低，各處理 N₂O 排放量之間無顯著差異。

2.3全球增溫潛勢GWP和溫室氣體排放強(qiáng)度GHGI

由圖1可見，稻-鴨-蝦模式（CRXD、NRXD、BRXD）全球增溫潛勢顯著低于CK1和CK2，CK1的全球增溫潛勢最高，BRXD的全球增溫潛勢最低。不同處理全球增溫潛勢表現(xiàn)為 CK1gt;CK2gt; CRXD gt; NRXD gt; BRXD，CRXD、NRXD、BRXD相較CK1分別降低 27.3%.29.3%.31.0% ，相較CK2分別降低 18.0%.20.2%.22.2% CH₄ 的增溫潛勢也有著類似的規(guī)律，CRXD、NRXD、BRXD相較CK1、CK2分別降低 28.1% 和 18.6% 、 30.2% 和 20.1% /32.1% 和 23.1% ；各處理 N₂O 的增溫潛勢的規(guī)律則與 CH₄ 相反，CK1、CK2與CRXD、NRXD、BRXD之間存在顯著差異，3種種養(yǎng)模式之間沒有顯著差異，表現(xiàn)為BRXDgt;NRXD gt; CRXD gt; CK2gt;CK1。

由圖2可見，CK1的溫室氣體排放強(qiáng)度最高，BRXD的溫室氣體排放強(qiáng)度最低，CK1、CK2與CRXD、NRXD、BEXD之間存在顯著差異。CRXD、NRXD、BRXD的溫室氣體排放強(qiáng)度均低于CK1，分別降低 23.2% 、 25.3% 和 26.3% ; CRXD、NRXD、BRXD的溫室氣體排放強(qiáng)度相較CK2分別降低18.7%.20.9% 和 21.7% 。

2.4 碳固定潛力

生物量被用來評(píng)估水稻的固碳能力，如表3所示，BRXD生物量與其他處理有顯著差異，BRXD的生物量均大于其他處理，固碳能力更強(qiáng)；除BRXD外其余模式間地上部生物量與根系生物量間無顯著差異。不同模式的土壤固碳量存在顯著差異，表現(xiàn)為NRXDgt;CK2gt;BRXDgt;CK1gt;CRXD。

由表4可見，CK1的間接碳排放量最高，與其他模式間存在顯著差異。稻-鴨-蝦模式總碳排放量均顯著低于CK1、CK2，相較CK1平均降低 37.4% ，相較CK2降低 17.3% ;BRXD的固碳能力最強(qiáng)，相較CK1增加301kg/hm² ，其余模式與CK1、CK2相比差異均不顯著。碳中和效應(yīng)最高，BRXD相比CK1高2569kg/hm² ，表現(xiàn)為BRXD gt; NRXD gt; CRXDgt;CK2gt;CK1，碳中和效應(yīng)顯著增加（ Plt;0.05 ）。

3討論

已有研究表明，稻-鴨共育對(duì)水稻產(chǎn)量具有顯著影響。其機(jī)制主要源于鴨在田間的活動(dòng)：一方面通過物理擾動(dòng)有效抑制雜草生長，另一方面促進(jìn)稻田土壤-水界面的氣體交換，從而優(yōu)化水稻根系微環(huán)境，改變養(yǎng)分吸收效率，最終導(dǎo)致產(chǎn)量構(gòu)成要素的差異化表現(xiàn)[15-16]。本研究中，稻-鴨-蝦綜合種養(yǎng)模式的水稻產(chǎn)量相較水稻單作有所降低，這與前人研究[17中稻田種養(yǎng)模式中水稻產(chǎn)量下降的趨勢相符。然而也有一些研究[18]認(rèn)為稻-鴨和稻-蝦模式會(huì)增產(chǎn)，主要是種養(yǎng)模式能促進(jìn)水稻的養(yǎng)分吸收，減少病蟲草害的發(fā)生，進(jìn)而影響水稻的產(chǎn)量形成，促進(jìn)水稻增產(chǎn)。本研究結(jié)果表明，稻-鴨-蝦模式可顯著提高水稻生物量及結(jié)實(shí)率但有效穗降低，產(chǎn)量有所下降，可能的主要原因是本研究中稻-蝦模式和稻-鴨-蝦模式的施肥量低于常規(guī)模式進(jìn)而影響產(chǎn)量。

研究表明，稻田綜合種養(yǎng)、改變肥料施用類型及干濕交替的節(jié)水灌溉模式均有助于顯著降低稻田CH₄ 和 N₂O 的排放[19-23]。本研究中稻-鴨-蝦-模式下CH₄ 排放量較水稻單作平均下降 30% ，最高下降32% ，且在稻-鴨共育期間 CH₄ 降低最為明顯，這與前人研究[22-23]一致。稻田種養(yǎng)模式顯著提升了稻田的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，鴨的活動(dòng)抑制 CH₄ 排放[24-26]

本研究結(jié)果顯示，在稻-鴨共育期間，稻-鴨-蝦模式顯著增加稻田 N₂O 排放量，這與李成芳等27在稻-鴨稻-魚模式中的研究結(jié)果一致。稻田中 N₂O 主要由微生物在田間的厭氧硝化作用與好氧反硝化作用下產(chǎn)生，其排放與土壤氮源、含氧量、團(tuán)聚體等因素有關(guān)。本試驗(yàn)中稻-鴨-蝦模式下 N₂O 排放量顯著增加，可能原因包括：（1）鴨和蝦的活動(dòng)改善稻田氧化還原條件，促進(jìn)微生物代謝；（2）鴨與蝦的排泄物以及飼料均能為微生物進(jìn)行硝化與反硝化提供充足的氮源[28]。

全球增溫潛勢和溫室氣體排放強(qiáng)度是用于衡量稻田碳排放和碳固定能力的重要指標(biāo)[29]，本研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)水稻單作相比，稻-鴨-蝦模式全球增溫潛勢、溫室氣體排放強(qiáng)度顯著降低，這與劉小燕等[30]在稻-鴨-魚中的研究結(jié)果一致。

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，稻-鴨-蝦模式在固碳減排潛力方面顯著優(yōu)于水稻單作和稻-蝦模式。稻-蝦模式和稻-鴨-蝦模式農(nóng)資投入的減少降低了間接碳排放量，稻-鴨-蝦模式直接碳排放量也顯著低于水稻單作和稻-蝦模式。此外，稻-鴨-蝦模式與傳統(tǒng)模式碳固定量無顯著差異，其中稻-鴨-蝦大田塊模式碳固定量要顯著高于傳統(tǒng)模式，這主要是因?yàn)榇筇飰K模式的水稻總生物量更高，植株固碳更多。這表明稻-鴨-蝦模式具有良好的固碳減排潛力。

綜上，稻-鴨-蝦模式顯著降低了稻田碳排放量，有效緩解 CH₄ 排放，尤其是大田塊模式在固碳減排潛力上表現(xiàn)優(yōu)異，具有良好的生態(tài)效益。

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Effects of farming models of rice-duck-crayfish on carbon emissions and carbon sequestration in rice paddy ecosystems

LIU Yintao ^-1 ，WANG Xiaodong1，CAO Cougui2，WANG Jinping12，GU Zemao ^2，3 ，LIU Juan1，JIANG Yang ?^1，2

1.College ofPlant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430O7O，China; 2.Shuangshui Shuanglii Institute，Huazhong Agricultural University，Wuhan 43oo7O，China; 3 .College of Fisheries，Huazhong Agricultural University，Wuhan 43O070，China

AbstractThe characteristics of carbon emission and carbon sequestration under different farming modelsof rice-duck-crayfish were compared with those under the traditional farming model of single rice cropping and rice-crayfish farming.The rice variety Huamoxiang 5，the crayfish（Procambarus clarkii），and duck variety Wuqin No.1O were used to conduct a field experiment at the Shuangshui Shuanglu Institute Base of Huazhong Agricultural University in Jingzhou，Hubei Province.The effects of diferent farming models on the methane （ CH₄ ）emission，nitrous oxide（ N₂O ）emission，global warming potential （GWP）， greenhouse gas emisson intensity （GHGI），and carbon sequestration potential in paddy fields were studied. The results showed that the CH₄ emissions，GWP，and GHGI under the farming model of rice-duck-crayfish reduced by 28.1% to 32.1% ， 27.0% to 30.7% ， 23.0% to 26.7% ，while the carbon sequestration increased by 2 089 to 2569kg/hm² compared to that under the traditional model of single rice cropping.The （204號(hào) CH₄ emissions，GWP，and GHGI under the farming model of rice-duck-crayfish reduced by 18.6% to （204號(hào) 23.1% ， 17.9% to 22.2% ，and 18.7% to 22.0% ，while the carbon sequestration increased by 616 to 1 096 （20號(hào) kg/hm² compared to that under the rice-crayfish farming model.It is indicated that the farming model of rice-duck-crayfish can reduce carbon emisions and increase the level of carbon neutrality in rice paddy fields，with the farming model of rice-duck-crayfish in large field blocks having the best effects on the reduction of emissions and the sequestration of carbon.

Keywordsecological farming of rice-duck-crayfish；integrated farming in paddy field；carbon emission；carbon sequestration; CH₄ emissions; N₂O emissions

（責(zé)任編輯：張志鈺）