不同稻田生態種養模式對雙季稻產量和CH4排放規律的影響

陳慧娜， 王 忍， 黃 璜， 陳 燦， 馬微微， 陳 璐， 呂廣動

(湖南農業大學農學院/湖南省稻田生態種養工程技術研究中心，湖南長沙 410128)

溫室效應是全球共同面臨的環境問題，CH4是作為重要的溫室氣體之一，其溫室效應是CO2的28倍[1]，對大氣溫室效應的貢獻占19%[2]。稻田是CH4排放的重要來源之一，排放量占比達6%[3]。圍繞我國提出的“碳達峰”和“碳中和”目標，如何采取措施減少稻田CH4排放，達到固碳減排，成為熱點研究課題。大量研究表明，稻田生態種養能減少稻田CH4排放高峰期的排放通量和稻季CH4排放總量[4-6]。稻田生態種養作為一種傳統農業文化與現代農業技術相結合的水稻綠色生產方式，因其模式多樣，適應性廣，效益可觀，在我國迅速推廣和發展，2020年全國稻漁綜合種養面積達到253萬hm2，平均水稻產量為7.5 t/hm2，湖南稻田生態種養面積超過33萬 hm2[7]。湖南作為雙季稻區和稻田生態種養活躍區，研究稻田生態種養模式下雙季稻的CH4排放規律意義重大。本研究選取稻鴨、稻魚、稻鰍這3種主流稻田生態種養模式，研究其對雙季稻稻田CH4排放的影響，為稻田生態種養在固碳減排方面的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2019年3—11月，在湖南省長沙縣路口鎮明月村進行雙季稻大田試驗。試驗前土壤的基礎理化性質：全氮含量為1.64 g/kg，全磷含量為 0.50 g/kg，全鉀含量為22.71 g/kg，速效磷含量為21.87 mg/kg，堿解氮含量為112.35 mg/kg，有機質含量為13.57 g/kg，pH值5.95。

1.2 供試材料

供試水稻品種：早稻為中早35；晚稻為中早39(翻秋栽培)。放養試驗品種：鴨子為綠頭野鴨，魚為鯽魚，泥鰍為本地泥鰍。

1.3 試驗設計與田間管理

設置單一種稻(CK)、稻田養魚(RF)、稻田養泥鰍(RL)、稻田養鴨(RD)進行大區試驗，每個大區面積設為667 m2，共4個大區。采取雙季稻種植制度，早稻季于2019年4月20日整田，4月22日插秧，移栽株距為20 cm，移栽行距為25 cm，每穴3～4株秧苗。開始整田時施入基肥，基肥施用量為氮肥總量的70%、鉀肥總量的90%和全量的磷肥，分蘗期追施氮肥總量的30%和剩余的10%的鉀肥，后期不再追肥。3種化肥的總量分別為：氮肥純N為 150 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O為1.0 ∶0.5 ∶1.0。早稻于7月20日收割，晚稻季于7月21日整田，7月23日移栽，插秧規格與施肥方式同早稻試驗。晚稻化肥的施用總量分別為：氮肥純N為150 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O 為1.0 ∶0.5 ∶0.8。晚稻灌漿后期收獲鴨子，10月12日收獲晚稻。

稻鴨共生試驗田在水稻移栽返青后(7～15 d)放養2周齡的雛鴨，放養密度為150羽/hm2，于水稻齊穗期收鴨，養鴨區域圍網，可用尼龍網，田周搭建鴨棚，養鴨前期于每日傍晚補給少量飼料，既保證每羽鴨每天所需食物又不使飼料殘余，后期不再投食。稻魚共生試驗田每小區放1 000尾左右本地小鯽魚，全長7～10 cm，平均體質量20 g/尾，放魚區除圍溝外還進行“十”字形挖溝，溝寬40 cm，溝深 50 cm。稻鰍共生試驗田四周開圍溝，溝寬 40 cm，溝深 30 cm，在田埂四周插入不易腐爛的厚塑料薄膜，插入泥土深度為30 cm，防止泥鰍鉆洞逃逸。投入5 cm 長的鰍苗 20萬尾/hm2，鰍苗放養前需用濃度為3%的食鹽水消毒處理，待消毒水中大部分泥鰍浮頭時，將泥鰍迅速撈起放入田中。養魚區和養鰍區均不投餌。水稻單作模式試驗田水肥以傳統水稻單作模式管理。

1.5 觀測指標與方法

1.5.1 CH4氣體測定 使用靜態暗箱法采取稻田氣體樣品，取樣箱規格50 cm×50 cm×120 cm，水稻返青后開始取樣，在無雨天09：00—11：00取樣，每隔7 d取1次氣樣，直至水稻成熟。每個取樣點每次連續取樣4次，每隔10 min取1次，取樣后立即將氣體轉移至18 mL真空的玻璃管中，在湖南省農業科學院環境研究所采用 Agilent 7890A 氣相色譜儀檢測分析氣體樣品。根據樣品甲烷濃度與時間的關系曲線計算取樣時稻田的甲烷的排放通量，計算公式參考陳璐等的研究[8]。

1.5.2 生物量的測定 于水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期、灌漿期、成熟期，根據各時期的平均莖蘗數每個小區隨機采取水稻植株樣品5蔸，用水洗凈泥土，分根、莖、葉、穗包裝。105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質量，稱質量。試驗中水稻“生物量”指的是單株生物量。

1.5.3 水稻產量的測定 于水稻收獲前1 d，每個小區采取有代表性的水稻植株5蔸，進行考種，計算理論產量。于水稻收獲當天，每個小區隨機割取3個1 m2的樣方，脫粒后曬干，風選稱質量并計算實際產量。

1.5.4 土壤有機質含量的測定 采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量。

1.7 統計分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0軟件進行圖表制作與數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同稻田生態種養模式稻田甲烷排放通量

由圖1和圖2可以看出，各處理在投放養殖動物前(5月3日，8月3日)的甲烷排放通量無明顯差異，投放養殖動物后，各生態種養處理不同程度降低田間的甲烷排放通量。早晚稻稻田甲烷排放通量各有2個峰，早稻最高峰出現在灌漿期，第二峰出現在分蘗盛期，晚稻相反，最高峰在分蘗盛期產生，第二峰產生在灌漿期至成熟期。早稻各生態種養處理延遲并降低甲烷排放最高峰，晚稻RF、RL處理的甲烷排放曲線在高峰過后趨于平緩。相較于CK，早稻RF、RL、RD甲烷排放最高峰分別較CK降低9.81、6.38、7.12 mg/(m2·h)，晚稻RF、 RL、RD甲烷排放最高峰分別較CK降低6.28、9.72、8.85 mg/(m2·h)。

2.2 不同稻田生態種養模式甲烷周年排放量及其增溫潛勢

由表1可知，CK早稻和晚稻的甲烷排放總量最高，增溫潛勢最大，各生態種養處理早、晚稻甲烷排放總量和增溫潛勢均顯著低于CK。CK全年甲烷排放總量為478.28 kg/hm2，RF、RL、RD全年甲烷排放量分別較CK降低213.43、187.73、141.58 kg/hm2，降低率達44.62%、39.25%、29.60%，均達到顯著差異。各生態種養處理中RF、RL全年甲烷排放量顯著低于RD，降低率分別為21.34%和16.68%。CK處理的周年增溫潛勢為11 957.12 kg/hm2(CO2當量)，RF、RL、RD周年增溫潛勢分別較CK降低了44.62%、41.34%、29.60%。各處理中，RF全年甲烷排放量和周年增溫潛勢最低，顯著低于CK和RD。

表1 不同稻田生態種養模式甲烷周年排放量及其增溫潛勢

從表2可知，各處理的早、晚稻產量均表現為CK

表2 不同稻田生態種養模式的甲烷排放強度

2.3 不同稻田生態種養模式的水稻生物量

由圖3、圖4可知，各生態種養處理早、晚稻的水稻生物量在齊穗期至成熟期均高于CK，且早稻季的灌漿期、晚稻季齊穗期和灌漿期達到顯著性差異，成熟期均以RD處理的水稻生物量最高，且在晚稻季與對照達到顯著性差異。早稻灌漿期各處理的水稻生物量表現為RF>RD >RL>CK，其中RF、RD、RL的生物量均顯著高于CK的48.31 g，分別高出 26.95%、20.12%、22.83%。晚稻齊穗期、灌漿期、成熟期各處理的生物量均表現為RD>RL>RF>CK，RD、RL、RF處理的水稻生物量分別較CK高出27.82%～28.92%、20.48%～23.94%、9.27%～12.89%，且均存在顯著差異。

2.4 不同稻田生態種養模式對土壤有機質的影響

由圖5、圖6可知，除早稻齊穗期外，各生態種養處理的早、晚稻各時期土壤有機質均高于CK，RD、RL處理分蘗期和成熟期的土壤有機質含量均顯著高于CK，且分蘗期較CK分別高出20.88%～22.77%和20.88%～31.68%，成熟期較CK分別高出19.47%～58.11%和6.15%～56.21%。

3.6 甲烷排放的相關性分析

由相關性分析可知，早、晚稻高峰甲烷排放通量與pH值呈正相關，與水稻生物量、有機質呈負相關，其中早稻高峰甲烷排放通量與有機質的相關系數為-0.806(P<0.05)，晚稻高峰甲烷排放通量與有機質的相關系數為-0.995(P<0.05)。早、晚稻甲烷排放總量、周年甲烷排放總量與水稻生物量、產量均呈負相關，均未達到顯著差異水平(表3)。

表3 甲烷排放的相關性分析

4 討論與結論

稻田生態種養通過田間養殖動物的活動改變了土壤物理、化學和生物學特征，從而對土壤溫室氣體排放產生影響。多數研究認為，稻田生態種養模式能夠減少土壤CH4的排放[9-10]，稻鴨模式整個放鴨期間的甲烷排放通量明顯低于對照，稻鴨模式土壤CH4排放減少了12.8%～19.4%[11]。本研究結果顯示，RF、RL、RD在早、晚稻甲烷排放高峰期的CH4排放通量均明顯低于對照，且3種模式的全年甲烷排放量分別較CK降低44.62%、39.25%、29.60%(P<0.05)，周年增溫潛勢分別較CK降低了44.62%、41.34%、29.60%。原因可能是養殖動物在田間游動、踩踏和覓食等活動減少了雜草對氧氣的消耗，改善了田間通氣狀況，使水體和土壤溶解氧增加，改善了土壤的氧化還原狀況，抑制甲烷菌的生長活性，提高甲烷氧化菌的活性，減少了CH4的產生量，加快了 CH4的再氧化，從而減少 CH4的排放[12-13]。有研究顯示稻魚模式減排甲烷 6.4%～15%[14-15]，也有研究顯示同樣淹水的稻蟹模式增加了25.4%～36.8%的CH4排放[16]。本研究結果顯示RF全年甲烷排放量和周年增溫潛勢最低，顯著低于CK和RD，這與陳璐等的研究結果[8]相似。

王忍等研究發現稻田養鴨能提有效高水稻生物量和產量，產量增幅為11.8%～15.67%[17]。本研究亦有相似結果，RF、RL、RD的雙季稻總產量較CK增加了5.82%～11.94%(P<0.05)，水稻成熟期RD的水稻生物量顯著高于CK。多數研究顯示稻田生態種養能提高土壤有機質含量[17-19]，本研究表明，3種生態種養模式早、晚稻成熟期土壤有機質較CK分別高出19.47%～58.11%和6.15%～56.21%，且相關性分析顯示早、晚稻甲烷排放高峰的甲烷排放通量均與土壤有機質含量顯著負相關，相關系數分別為-0.806和-0.955。其原因可能是稻田生態種養模式下，田間引入養殖動物后，圍繞養殖動物排泄物、分泌物的微生物群落增加，與產甲烷菌競爭資源，加速掉落物分解的同時又抑制了產甲烷菌的數量和活性，從而增加了土壤有機質含量，又減少了甲烷的排放，說明稻田生態種養兼具固碳和減排的雙重作用，因此稻魚、稻鰍、稻鴨3種生態種養模式均可作為水稻綠色生產模式進行推廣。