草魚混養與單養的溫室氣體晝夜變化特征研究

陳 鑫,朱 林,車 軒,劉興國,劉 晃,田 億,李新豐,陳曉龍

(1 上海海洋大學水產與生命學院,上海 201306;2 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092)

隨著全球氣候變暖,農業溫室氣體排放成為研究的熱點。目前,主要的溫室氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O),其排放量占比分別為76%、16%和6%[1-2]。水產養殖在提供食物和低碳生產方面有著重要的作用[3],魚類蛋白作為低碳動物蛋白,有研究表明每生產100 g的魚類蛋白所產生的溫室氣體顯著低于牛、羊肉蛋白的溫室氣體產生量[4],對環境造成的影響相對較低[5]。然而,水產養殖在提供優質蛋白源的同時,也伴隨著環境成本的升高[6],是CO2、CH4和N2O主要的排放源[7]。池塘養殖作為主要的水產養殖模式,其中2020年淡水池塘養殖產量為2 279.76萬t,占全國水產養殖產量的43.64%[8]。

目前關于池塘養殖生態系統的溫室氣體排放晝夜變化特征的研究相對較少,且主要集中在日變化規律的觀測,楊平[9]研究了閩江河口濕地魚蝦混養塘秋冬季的溫室氣體排放晝夜變化,發現CO2表現為吸收匯,在晝夜均表現為CH4的排放源,夜晚表現為N2O的排放源。多品種混養是池塘養殖主要的生產方式之一,研究發現,通過飼料營養的多級利用降低了水體富營養物質和有機物的含量[10]。

因此,多品種混養與單養相比,能否降低池塘養殖溫室氣體的排放量是有待研究的科學問題。熊瑩槐[11]對草魚不同混養模式的“沉積物-水”界面CO2和CH4排放通量的研究表明,池塘中混養對底質擾動作用越強烈的養殖品種將顯著提高CO2和CH4排放通量,其中CO2排放通量主要受養殖品種的生活習性和底泥中微生物的活動影響,而影響CH4排放通量的主要因素有水溫、DO和擾動。對于混養與單養模式“水-氣”界面溫室氣體排放特征差異的研究未見報道。因此,本研究對混養與單養模式“水-氣”界面溫室氣體排放特征進行了闡述。

草魚(Ctenopharyngodonidella)是目前中國年產量最高的水產養殖品種,2020 年產量高達557.11萬t,占全國淡水池塘養殖魚類總產量的24.44%[8]。草魚的產量高、覆蓋面大,適合作為水產養殖溫室氣體研究的對象。

本研究以草魚作為研究對象,對單養和混養兩種模式的“水-氣”界面溫室氣體排放通量進行一個晝夜的觀測,以揭示不同養殖模式溫室氣體晝夜變化特征,分析導致溫室氣體排放差異的影響因素,為進一步深入探索池塘養殖溫室氣體碳減排技術提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗養殖池塘位于上海市崇明區(31°41′3″N,121°18′14″E),池塘尺寸100 m×50 m,平均水深1.5 m,池底淤泥15 cm左右,塘齡8年,養殖期間未清淤泥。魚種投放日期為2021年2月1日,具體放養情況見表1。

表1 兩種養殖模式的魚種放養情況Tab.1 Information on stocking of two farming models

試驗從2021年10月30日17:00開始到次日17:00結束,每隔4 h采一次樣,共計24 h。設置2個試驗池塘,1#池為草魚單養,2#池為草魚、鯽、鰱混養。在兩個池塘分別設置6個采樣點,試驗池塘采樣點分布如圖1所示。

圖1 試驗池塘采樣點位置圖Fig.1 Schematic diagram of sampling point in experimental pond

養殖期間投喂淡水魚人工配合飼料,蛋白含量≥29%,日投飼率3%,分3次投入,試驗期間不換水。

1.2 溫室氣樣采集與測定

CO2、CH4和N2O通量測定采用靜態暗箱-氣相色譜儀法。采樣箱的材質為不透光的亞克力板,減少光線對箱體內溫度的影響,箱體規格為長30 cm、寬30 cm、高30 cm;箱內頂部安裝1個微型風扇以便混合箱內氣體。氣溫、氣壓和風速采用WS30手持氣象儀測定;光照強度采用Testo549手持照度儀測定,測定高度為距水面1.5 m。

提前30 min布設好靜態箱,采樣前箱口朝上等待5 min。一個采樣點采樣4次,分別在采樣開始的0、10、20、30 min采集氣體,1個采樣量為100 mL,氣體保存在200 mL 鋁箔氣袋中。24 h內用TRACEGC1300氣相色譜儀(賽默飛,美國)分析測定CO2、CH4和N2O氣體濃度。

1.3 理化指標采集與測定

在每個采樣箱的采樣點附近采集水-土界面(泥土上方20 cm高度)的水樣,水樣裝進100 mL不透光聚乙烯瓶中。使用采泥器采集采樣箱附近的底泥,并測量泥溫。使用多參數水質分析儀(YSI)測量水體溫度和溶氧(DO)質量濃度、pH和氧化還原電位(Eh)值;利用水深測量儀SM-5對養殖塘水深進行測量。水質指標測定參考《水和廢水檢測分析方法》[12]。采用熱乙醇萃取-可見分光光度計法測定水樣中的葉綠素a(Chl-a)含量[13]。水體總有機碳(TOC)用總有機碳分析儀進行測定[14]。

1.4 溫室氣體通量計算

水-氣界面CO2、CH4和N2O通量公式為:

(1)

式中:F為氣體交換通量mg/(m2·h),F值為正表示氣體從水體進入大氣,F值為負表示氣體從大氣進入水體中;ρ為標準狀態下的溫室氣體的密度(g/L);h為采樣箱內氣室高度(m);T為暗箱內的溫度;dc/dt為暗箱內氣體濃度變化率,即4個氣樣的目標氣體含量進行線性回歸分析,線性回歸系數R2>0.85視為有效數據。

1.5 數據分析

運用Excel 2018、Oringin 2021、Spass 17.0和Canoco 5軟件對數據進行處理、作圖、計算和相關分析。采用單因素方差分析法比較分析單養草魚和混養兩種養殖模式溫室氣體通量日變化的差異,顯著性水平設置為P<0.05;兩種養殖模式的溫室氣體通量與環境因子間相關關系釆用Sperman相關分析進行統計分析;利用RDA相關分析法探討分析影響養殖塘水氣界面溫室通量的主要環境因子。

2 結果與分析

2.1 溫室氣體排放通量的差異對比分析

兩種養殖模式的CO2、CH4和N2O日平均排放通量如圖2所示。

注:不同小寫字母表示差異顯著圖2 兩種養殖模式的CO2、CH4和N2O日平均排放通量對比Fig.2 Comparison of the daily average emission fluxes of CO2, CH4and N2O between the two farming models

草魚混養的CO2和CH4日排放通量平均值分別為21.17 mg/(m2·h)和4.53 mg/(m2·h),小于草魚單養模式的48.78 mg/(m2·h)和4.77 mg/(m2·h),但差異不顯著(P>0.05)。草魚混養的N2O日排放通量平均值為47.20 μg/(m2·h),明顯小于草魚單養模式的88.99 μg/(m2·h),單因素方差分析表明,兩種養殖模式的N2O排放通量具有極顯著差異(P<0.01)。混養模式CO2、CH4和N2O的排放量比單養模式分別降低56.60%、5.03%和46.96%。

2.2 CO2、CH4和N2O排放通量的晝夜變化特征

CO2、CH4和N2O排放通量的晝夜差異如圖3所示。

圖3 CO2、CH4和N2O排放通量的晝夜差異Fig.3 Diurnal differences in CO2,CH4and N2O fluxes

兩種養殖模式CO2通量的晝夜變化趨勢基本一致,變化幅度大,表現出“碳源-碳匯-碳源”的轉化,具有明顯的晝低夜高的特征(圖3a)。草魚混養的CO2通量從17:00開始增加,至5:00達到最大值,之后隨時間的推移而逐漸降低,在13:00降到最低值,隨后升高。CO2通量的晝夜變化范圍為(-119.03±76.25)～(59.79±52.19) mg/(m2·h),白天和夜晚CO2通量平均值分別為(-0.91±69.54)、(52.91±4.36)mg/(m2·h)。草魚單養的CO2通量從17:00開始增加,在1:00達到排放峰值,隨后開始降低,至9:00降到最低值,之后又隨時間推移呈上升的趨勢。CO2通量的晝夜變化范圍為(-199.88±163.25)～(186.64±48.06) mg/(m2·h),白天和夜晚CO2通量平均值分別為(-16.04±121.98)、(136.92±38.05)mg/(m2·h)(圖3a)。單因素方差分析表明,兩種模式的CO2通量晝夜差異均達到極顯著水平(P<0.01)。

草魚混養的CH4通量從17:00開始增加,至5:00達到最大值,之后隨時間的推移而逐漸降低,在全天均表現為CH4排放源,CH4排放通量的晝夜變化范圍為(1.81±2.07)～(7.25±7.06) mg/(m2·h),白天和夜晚CH4排放通量平均值分別為(4.74±1.55)、(4.99±2.04)mg/(m2·h),晝夜變化小。草魚單養的CH4通量從17:00開始增加,于5:00達到排放峰值,迅速降低至9:00的最低值后開始上升,變化幅度顯著比混養模式大。CH4通量的晝夜變化范圍為(-11.75±14.38)～(17.77±14.84) mg/(m2·h),白天和夜晚CH4排放通量平均值分別為(2.68±10.45)、(10.11±5.72)mg/(m2·h),夜晚排放通量遠大于白天(圖3b)。單因素方差分析表明,草魚單養CH4排放的晝夜差異達到顯著性水平(P<0.05),而混養模式的差異不顯著(P>0.05)。

兩種養殖模式的N2O通量的晝夜變化范圍分別為(43.8±12.8)～(165.7±122.2)μg/(m2·h)和(24.4±16.4)～(77.4±34.7) μg/(m2·h)(圖3c),均表現為N2O的排放源。草魚混養的N2O排放通量自采樣開始先降低后增加,在5:00達到排放的峰值,隨后下降,在9:00降低到最低值后開始升高。草魚單養N2O排放通量自采樣開始呈現降低的趨勢,21:00后開始逐漸增加,于5:00達到最大排放值,然后隨時間的推移呈現逐漸降低的變化趨勢。單因素方差分析表明,兩種養殖模式N2O排放的晝夜差異均不顯著(P>0.05)。

2.3 環境因子變化特征

圖4 氣象參數日變化特征Fig.4 Diurnal variation characteristics of meteorological parameters

圖5 水環境因子日變化特征Fig.5 Diurnal variation characteristics of water environmental factors

2.4 溫室氣體通量與環境因子的相關性分析

通過對兩種模式溫室氣體通量與環境因子間進行Sperman相關性分析,結果顯示(表2),草魚混養CO2排放通量與DO和泥溫呈現顯著的負相關關系(P<0.05),與COD呈現顯著的正相關關系(P<0.05),與光照度、氣溫、風速、水溫、pH和Eh呈現極顯著的負相關關系(P<0.01),草魚單養CO2排放通量與TN呈現顯著正相關關系(P<0.05),與光照度、氣溫、氣壓、風速、TOC和Chl-a呈現極顯著的負相關關系(P<0.01);混養CH4排放通量與光照度、風速、水溫、泥溫和TOC呈現顯著的負相關關系(P<0.05),與pH和DO呈現極顯著的負相關關系(P<0.01),單養CH4排放通量與COD呈現顯著的正相關關系(P<0.05),與氣壓和水溫呈顯著的負相關關系(P<0.05),與光照度、氣溫、風速和TOC呈極顯著的負相關關系(P<0.01);混養N2O排放通量與氣壓呈顯著的負相關關系(P<0.05),單養N2O排放通量與水溫和泥溫均呈現極顯著的負相關關系(P<0.01),與DO和Chl-a呈顯著的負相關關系(P<0.05)。

表2 兩種模式的溫室氣體通量與環境因子Sperman相關性分析Tab.2 Sperman correlation analysis of greenhouse gas fluxes and environmental factors in two models

圖6 兩種養殖模式溫室氣體排放通量與環境因子的RDA分析二維圖 Fig.6 Two-dimensional map of RDA analysis of greenhouse gas emission fluxes and environmental factors in two farming models

經過Monte Carlo檢驗對環境因子的重要性進行排序(表3),結果顯示,Eh、COD和TOC對草魚混養氣體通量變化的影響呈極顯著水平(P<0.01),解釋量分別為27.1%、9.7%和9.5%,是造成差異性的主要環境因子,氣壓的影響也達到了顯著水平(P<0.05)。

表3 環境因子對綜合溫室氣體排放的貢獻率和顯著性檢驗Tab.3 Contribution rate and significance test of environmental factors to greenhouse gas emissions

風速對草魚單養氣體通量變化貢獻率最大,其次為氣壓和泥溫,解釋量分別為47.0%、19.7%和10.1%,風速、氣壓和泥溫對草魚單養氣體通量變化的影響呈極顯著水平(P<0.01)。

3 討論

3.1 溫室氣體排放通量與晝夜變化規律

在溫室氣體的晝夜變化規律方面,草魚兩種養殖模式的CO2、CH4和N2O夜晚的排放通量均大于白天,表現為晝低夜高,與富營養化池塘溫室氣體的晝夜變化規律相同[17-18]。CO2排放主要由微藻的光合作用、養殖生物和微生物的呼吸共同作用產生,受到天氣的影響,CO2排放通量呈不同的變化趨勢,陰雨天氣時,白天養殖塘呈CO2的排放源,與晴天白天相反[18],表明養殖池塘與自然池塘的CO2排放量均受浮游植物的影響,魚類與底質產生的CO2在上升過程中能被微藻利用,在光合作用強烈的條件下能轉變為CO2的碳匯。在CH4排放通量日變化的研究上,主要集中河流[19-20]、河口濕地養殖塘[21-22]和富營養化養殖塘[17-18],在晝夜均表現CH4的排放源。謝文霞等[23]對膠州灣河口蘆葦、雜草濕地進行不同時間段的晝夜N2O通量觀測,整體上均為N2O的排放源,韓洋等[19]對南京春季的金川河、團結河、外秦淮河、外秦淮河和丁解水庫等研究也得到相同結論。楊平等[22]對鱔魚灘濕地養蝦池塘研究得出,排水活動對N2O排放通量影響較大,未排干和排干養殖塘N2O排放通量表現為晝低夜高和晝高夜低的特征。

3.2 溫室氣體排放變化的驅動因素

溫室氣體通量與環境因子的相關性分析結果顯示,影響草魚池塘養殖CO2通量變化的主要因子為溫度、COD和風速,與大多數研究結果一致[22,24-25]。在本研究中,CO2通量的晝夜變化與水溫、氣溫呈極顯著的負相關,與池塘養殖CO2排放的月際變化規律相反[26-27],表明時間尺度是塑造水產養殖生態系統CO2排放特征的重要因素。溫度影響CO2在養殖水體中的溶解度進而改變氣體的排放通量,并通過調節微生物活性來影響CO2排放通量[28]。CO2通量與COD濃度成正比,表明養殖水體有機污染程度的提高能增加CO2排放,而COD濃度與殘飼、糞便和底泥有關,因此,CO2的減排應重點關注池塘的碳負荷。CO2通量與風速呈極顯著的負相關,風速增大使水面面積增加,風力擾動作用使底泥中的碳酸鹽釋放在水中,引起水體堿度增加,促進水中CO2向空氣中釋放[29]。

CH4通量變化特征可以用溫度、光照度、TOC和Eh解釋。在本研究中,CH4通量與光照度、水溫和TOC呈顯著的負相關。光照度的差異影響藻類的活動,白天藻類光合作用,增加溶氧含量,抑制CH4的產生,夜晚藻類的呼吸和死亡將消耗溶氧并產生有機質,為甲烷產生菌提供底物。溫度是影響甲烷產生菌和甲烷氧化菌的主要因子[11],能調控兩種細菌的數量比例與功能活性,從而影響CH4通量變化。TOC對CH4通量的影響與相關觀測結果不一致,原因有待進一步研究。Eh在很大程度上決定了CH4的排放通量[30],Eh可以反映水體的溶氧情況,表征分解有機污染物的能力[31],當Eh值較低時,厭氧微生物起主導作用,消耗水體中大量DO,將有機物轉化為亞硝酸鹽和CH4,Eh升高促使池塘底層的CH4被氧化,導致CH4排放通量減小。

4 結論

草魚單養和混養兩種養殖模式日平均排放量均表現為溫室氣體的排放源;草魚混養的CO2、CH4和N2O日平均排放量均低于單養模式,通過多品種混養能降低草魚池塘養殖的溫室氣體排放,具有顯著的碳減排效益;兩種養殖模式的溫室氣體排放呈現出不同的晝夜變化特征;驅動混養模式溫室氣體排放的主要環境因子為Eh、COD、TOC和氣壓,單養模式的主要驅動因素為風速、氣壓和泥溫。