稻蝦種養(yǎng)模式下稻田溫室氣體排放規(guī)律研究

李清海，謝青蕓，葉 佩

（1.荊州農業(yè)氣象試驗站，湖北荊州 434025；2.長江大學農學院，湖北荊州 434025）

氣候變暖主要歸因于人類活動，氣候變化是人類21 世紀面臨的較為嚴峻的全球環(huán)境問題。來自聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的研究表明，CH4和N2O 的增溫潛勢分別是CO2的25 倍和298 倍［1］，對全球氣候變化有著重要的影響。中國作為水稻總產量最高的國家，其產量達到了全球總量的31%［2］，水稻的碳吸收量較高，占農田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量的44.01%［3］。因此，減少稻田CH4和N2O的排放量對中國環(huán)境保護有著重要的意義，更受到國際社會的普遍關注。中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”作為2021 年的重點任務之一，稻田固碳減排已作為中國減排目標的一部分被納入實施范圍，稻田CH4和N2O 減排技術對發(fā)展低碳農業(yè)和應對氣候變化具有重要意義。

稻蝦生態(tài)種養(yǎng)作為可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)循環(huán)農業(yè)模式近年來發(fā)展迅速，2019 年小龍蝦產量達177.25萬t，養(yǎng)殖面積達110.53 萬hm2［4］。稻蝦種養(yǎng)由于在稻田生態(tài)系統(tǒng)中有添加生態(tài)位、延長食物鏈的增環(huán)作用，產生出一系列諸如具有明顯的減肥減藥、減蟲減害和提高土壤肥力的生態(tài)效應，并通過“一地兩用、一水兩收”的方式提高了單位面積經濟效益。稻蝦種養(yǎng)模式下田間水肥管理與常規(guī)中稻有較大差異。一般稻蝦田稻作期田間水位較高，施肥量偏少，田間水分可影響土壤的硝化和反硝化作用，成為影響稻田CH4和N2O 排放的重要因子，使稻田溫室氣體排放特征以及全球增溫潛勢有一定變化［5］。另外，溫度也是溫室氣體排放的重要影響因素，其可通過影響土壤微生物和水稻根系的活性來影響CH4和N2O 的排放。

關于稻田溫室氣體的排放，現(xiàn)有研究主要從品種、水分管理、施肥方式和耕作制度等方面展開了探討［6-13］，針對稻蝦種養(yǎng)模式下稻田溫室氣體排放規(guī)律研究較少。因此，本研究采用增溫潛勢等評價指標研究稻蝦輪作模式下稻田溫室氣體CH4和N2O 的排放規(guī)律，探究田間水深和氣溫條件對稻蝦田溫室氣體排放的影響，評估稻蝦田的溫室效應強度，定量綜合評價稻蝦種養(yǎng)模式對稻田溫室氣體排放的貢獻，以期為稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排、提質增效提供參考，使其服務于中國的“雙碳”戰(zhàn)略。

1 試驗地概況與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于湖北省荊州市國家農業(yè)氣象試驗站（30°21′N，112°09′E），屬于北亞熱帶濕潤季風型氣候，水熱條件良好，年降雨量在1 000～1 200 mm，年均日照時數(shù)約為1 800 h，年均溫度為16.9 ℃，全年無霜期約為251 d。稻蝦輪作稻田連片，規(guī)模較大，稻田田埂外側有環(huán)形蝦溝，蝦溝具有儲水能力，蝦溝在夏季水稻種植期間由于水位較高部分區(qū)域可相通，稻蝦輪作稻田長期淹水，且常年種植水稻。試驗點土壤為潴育型水稻土，是由內陸河湖交替沉積形成的，土壤質地為粉質中壤土。

1.2 田間管理

水稻品種均采用黃華占，栽培方式為直播。常規(guī)中稻模式和稻蝦種養(yǎng)模式N 用量均為180 kg/hm2，P2O5用量為90 kg/hm2，K2O 用量為120 kg/hm2。磷肥和鉀肥全部作為基肥使用，氮肥按5∶2∶3 的比例分別在水稻直播前（基肥）、分蘗期和孕穗期施入。稻蝦種養(yǎng)模式田間水分管理長期處于淹水狀態(tài)，成熟期田間水分落干；中稻模式在分蘗期保持淹水灌溉，分蘗中末期排水曬田，幼穗分化期再次灌水，抽穗后保持干濕交替直至收獲前7～14 d 斷水。田間病、蟲、草害等管理與當?shù)馗弋a田措施保持一致。不同稻作模式下的水稻生育進程見表1。

表1 不同稻作模式下的水稻生育進程

1.3 溫室氣體排放與產量測定

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法進行測定。采樣箱箱壁用PVC 管制成（直徑為55 cm，高為120 cm），箱外包有反光錫箔紙和發(fā)泡隔熱材料，采氣管線使用可彎折的軟硅膠管，升入箱內15 cm 左右，采樣時用注射器抽取箱內氣體，基座由不銹鋼制成，有4 cm深水槽，底座入土15 cm，固定底座確定試驗地點。在水稻幼苗期后開始采樣，采樣時間為上午9：00—11：00，采樣頻率為抽穗前2～3 d 1 次，抽穗到成熟5～7 d 1 次。采氣時，先將采集箱搖晃2～3 次，保證箱內原來的氣體與空氣混合均勻，避免對后續(xù)采樣氣體濃度產生影響，再往基座水槽加水密封，分別在0、10、20、30 min 用30 mL 注射器從箱中抽取氣體，注射器帶有三通閥門，取樣之前，通過多次抽動注射器來混勻箱內氣體，氣體混勻后再旋轉三通閥將氣體轉移到12 mL 的真空瓶，備測，同時記錄0 min 和30 min 時箱內的溫度以及田間表層水深度。采樣后24 h 內采用氣相色譜儀（Agilent 7890A 型）和自動進樣器測定CH4和N2O 濃度。CH4和N2O 檢測器分別為氫火焰離子檢測器和微電子捕獲檢測器，進樣口溫度分別為200 ℃和330 ℃，分析柱為PQ 填充柱，柱溫為55 ℃。水稻成熟后收獲，并對整個水稻試驗田進行測產。

1.4 數(shù)據處理

稻田CH4和N2O 排放通量計算方法參考文獻［14］，計算式如式（1）所示。

式中，F(xiàn)為CH4或N2O 的排放通量；ρ為標準狀態(tài)下CH4或N2O 的密度（CH4為0.714 kg/m3，N2O 為1.964 kg/m3）；h為采樣箱的有效高度；dc/dt為CH4或N2O 濃度的變化速率；T為采樣過程中采樣箱內的平均溫度。

稻田CH4和N2O 累積排放量是基于排放通量，通過內插加權法累積得到水稻生長生育期的排放總量。CH4和N2O 的增溫潛勢分別為CO2的25 倍和298 倍［1］，求取總增溫潛勢（GWP）的計算式如式（2）所示。

式中，RCH4為稻田監(jiān)測期CH4排放通量總量；RN2O為稻田監(jiān)測期N2O 排放通量總量。

溫室氣體排放強度（GHGI）是一個綜合評估環(huán)境效益和作物經濟效益的指標，按式（3）計算。

式中，Y為水稻產量。

試驗數(shù)據以同一處理的平均值±標準差的形式表示，數(shù)據采用Excel 2010 和SPSS 軟件完成處理分析。

2 結果與分析

2.1 田間表層水深度和箱內溫度變化

稻蝦種養(yǎng)田的田間表層水深明顯高于常規(guī)中稻田，在二者的淹水時期稻蝦種養(yǎng)田的田間表層水深度明顯高于常規(guī)中稻田（圖1）。常規(guī)中稻田在曬田期間幾乎處于無水層狀態(tài)，在后期斷水后水位下降迅速至完全落干，無水層狀態(tài)時期長達37 d（圖1a），而稻蝦種養(yǎng)田完全落干時間只有13 d（圖1b）。盛夏箱內溫度波動變化但都處于較高水平，采樣箱內溫度在監(jiān)測期間均超過20 ℃，稻蝦種養(yǎng)田在8 月31 達到峰值，為36.9 ℃，8 月14 日箱內溫度最低，為24.4 ℃，常規(guī)中稻田在9 月26 日達到最高值42 ℃，在8 月26 日出現(xiàn)最低值21.6 ℃，常規(guī)中稻田相對于稻蝦種養(yǎng)田的溫度變化范圍更大。

圖1 試驗點田間表層水深與箱內溫度的變化

2.2 稻蝦種養(yǎng)模式下CH4排放通量分析

由圖2 可知，稻蝦種養(yǎng)田CH4排放通量變化范圍為-14.56～90.61 mg/（m2·h），其整個生育期排放通量出現(xiàn)多次峰值，但整個生育期仍呈下降趨勢，整個生育期幾乎所有時間都處于淹水狀態(tài)，下降趨勢與水稻生育過程密切相關；CH4排放集中在分蘗期、穗分化期以及抽穗開花期，排放最高峰值出現(xiàn)在播種后34 d，最低值出現(xiàn)在收獲前25 d，水稻分蘗期之后出現(xiàn)多次峰值且波動幅度較大，但其相對于分蘗期排放動態(tài)變化較平緩，與稻蝦種養(yǎng)田的水分管理和溫度有關；CH4排放通量在乳熟期后明顯降低，遠小于分蘗期，稻蝦種養(yǎng)田至成熟落干仍能觀測到少量CH4排放，但其值接近于零。常規(guī)中稻田CH4排放通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，其范圍在-0.33～49.89 mg/（m2·h）；在播種至烤田前的淹水階段CH4排放較高，并且在播種后42 d 出現(xiàn)CH4排放通量的最高峰值，分蘗末期烤田CH4的排放通量大幅降低，幼穗分化復水后CH4排放通量有所回升，抽穗后間歇灌溉CH4波動變化，出現(xiàn)2 次峰值，2 次峰值與最高峰值存在差異，斷水后CH4排放通量隨之降低，至落干期CH4排放幾乎為零，這種變化規(guī)律與田間水分有著密切的關系。

圖2 稻蝦種養(yǎng)田和常規(guī)中稻田生長季CH4排放通量季節(jié)變化

2.3 稻蝦種養(yǎng)模式下N2O 排放通量分析

由圖3 可知，稻蝦種養(yǎng)田N2O 季節(jié)排放通量變化范圍為-4.13～146.77 μg/（m2·h），其整個生育期排放通量均較低；N2O 排放受水肥管理的影響較大，稻蝦種養(yǎng)田長期淹水且水深波動較大，生育期N2O 排放通量呈波動式變化，排放最高峰值出現(xiàn)在播種后31 d，最低值出現(xiàn)在收獲前的35 d，淹水時期出現(xiàn)多次峰值，但其相對于分蘗期出現(xiàn)的峰變化幅度更為平緩，N2O 排放通量在落干時出現(xiàn)1 次小峰值，稻蝦種養(yǎng)田落干完全后仍能觀測到少量N2O 排放。常規(guī)中稻田N2O 季節(jié)平均排放通量波動變化，其范圍在-4.31～145.75 mg/（m2·h）；在淹水階段N2O 季節(jié)平均排放通量較低，并且在播種后的30 d 出現(xiàn)N2O 排放通量最高峰值，之后排放通量又急劇下降，開始曬田時N2O 排放通量呈上升趨勢，分蘗末期烤田期的N2O 排放通量呈波動式變化，復水后N2O 排放通量隨之下降，干濕交替時期產生大量的N2O，呈波動變化，出現(xiàn)多次小峰值，峰值較前期出現(xiàn)的峰值明顯偏低，一部分受水稻生育期的影響，一部分受分蘗肥的影響，斷水之后N2O 排放通量隨水分慢慢落干而上升，此次出現(xiàn)的N2O 峰值較干濕交替期間出現(xiàn)的峰值更高。稻蝦種養(yǎng)田、常規(guī)中稻田的N2O 排放通量波動范圍幾乎一致，最高值與最低值相差較小，峰值均出現(xiàn)在分蘗期，2 種稻田在分蘗期和成熟期都出現(xiàn)了峰值且相對于其他峰值較高。二者最明顯的區(qū)別在于常規(guī)中稻田曬田期N2O 排放通量較高而淹水的蝦稻田排放通量幾乎為0 甚至出現(xiàn)負值，N2O 與CH4呈此消彼長的趨勢。

圖3 稻蝦種養(yǎng)田和常規(guī)中稻田生長季N2O 排放通量的季節(jié)變化

2.4 田間表層水深和采樣溫度與稻田CH4和N2O排放關系

相關性分析表明，稻蝦種養(yǎng)田CH4排放通量與田間表層水深度呈極顯著正相關（P＜0.01），與箱內溫度呈顯著正相關（P＜0.05），其N2O 排放通量與箱內溫度和田間表層水深無顯著相關性（表2，圖4a）；常規(guī)中稻田箱內溫度和田間表層水深均與CH4和N2O 排放通量無顯著相關性（表3，圖4b）。

圖4 稻蝦種養(yǎng)田（a）和常規(guī)中稻田（b）生長季CH4排放通量和田間表層水深的變化

表2 稻蝦種養(yǎng)田CH4、N2O 排放通量與箱內溫度和田間表層水深的相關性

表3 常規(guī)中稻田CH4、N2O 排放通量與箱內溫度和田間表層水深的相關性

摒棄田間水層深度對溫室氣體排放的影響，分析溫室氣體對箱內溫度的響應，因常規(guī)中稻田非淹水階段CH4排放幾乎為0，分析其烤田和落干期N2O排放與箱內溫度的相關性，結果顯示，常規(guī)中稻田的N2O 排放通量與箱內溫度呈顯著的正相關關系（r=0.67，P＜0.05）。

2.5 稻蝦種養(yǎng)田及常規(guī)中稻田綜合溫室效應及產量

由表4 可知，稻蝦種養(yǎng)田CH4累積排放量比常規(guī)中稻田高369.2%（P＜0.05），常規(guī)中稻田的N2O 累積排放量顯著高于稻蝦種養(yǎng)田（P＜0.05），對稻田綜合增溫潛勢貢獻主要來源于CH4，二者CH4的排放占比均超過99%，實現(xiàn)稻田溫室氣體減排的關鍵在于減少CH4排放。稻蝦種養(yǎng)模式的水稻產量為9 745.1 kg/hm2，相比于常規(guī)中稻，其產量增加了7.6%。稻蝦種養(yǎng)田的GWP為13 657.7 kg CO2-e/hm2，比常規(guī)中稻田顯著偏高347.2%（P＜0.05）。稻蝦種養(yǎng)田的溫室效應強度為1.40 kg CO2-e/hm2，常規(guī)中稻田為0.34 kg CO2-e/hm2，稻蝦種養(yǎng)田的溫室效應強度顯著大于常規(guī)中稻田（P＜0.05），主要是由于淹水條件產生的CH4排放占比高，即使單位數(shù)量的N2O 增溫潛勢遠大于CH4，稻蝦種養(yǎng)田的總增溫潛勢也是明顯大于常規(guī)中稻田的增溫潛勢。

3 小結與討論

3.1 小結

1）與常規(guī)中稻模式相比，稻蝦種養(yǎng)模式下的水稻產量增加7.6%，且顯著提高了稻田CH4排放量（P＜0.05），其累積排放量增加了369.2%，CH4的排放對溫室氣體強度的增加效應可抑制N2O 排放；此外，稻蝦種養(yǎng)田的N2O 累積排放量比常規(guī)中稻田顯著偏低33.3%（P＜0.05）；增溫潛勢主要貢獻來源于CH4排放，稻蝦種養(yǎng)田增溫潛勢比常規(guī)中稻田偏高347.2%，溫室氣體排放強度顯著增加1.06 kg CO2-e/hm2（P＜0.05）。

2）田間表層水深和箱內溫度都是稻田CH4和N2O 排放通量的重要影響因子，稻田田間表層水較深時，CH4排放通量增加、N2O 排放通量減少，當?shù)咎锾幱跓o水層狀態(tài)或者薄水層狀態(tài)時，CH4排放通量幾乎為0，常規(guī)中稻田非淹水期N2O 排放與箱內溫度呈顯著的正相關（P＜0.05）。

3）稻蝦種養(yǎng)田溫室氣體高排放主要由持續(xù)淹水厭氧狀態(tài)導致，探究該模式CH4減排舉措最為關鍵；中稻由于水旱輪作，稻田溫室氣體排放最低，可作為低碳減排的主要稻作類型。

3.2 討論

3.2.1 稻蝦種養(yǎng)模式對CH4排放的影響 稻蝦種養(yǎng)長期淹水形成厭氧環(huán)境，有利于土壤產甲烷菌生存繁殖，長期淹水對CH4排放具有強烈的激發(fā)作用，同時因生長后期直播水稻生長旺盛，光合作用強，大量根系分泌物被土壤發(fā)酵型細菌分解，產生了大量CH4。目前各類稻鴨［15，16］、稻漁［17，18］、稻蛙［19］、稻蟹［20］、稻蝦［21］等種養(yǎng)模式對稻田CH4排放的影響已有相關研究。Sun 等［15］進行的meta 分析發(fā)現(xiàn)，稻鴨共作模式與傳統(tǒng)水稻單作系統(tǒng)相比，CH4排放量降低24.9%。稻鴨模式下，鴨子活動降低了稻田CH4排放高峰期甲烷功能菌的數(shù)量［16］。戴然欣等［17］認為稻漁種養(yǎng)系統(tǒng)中CH4排放主要受動物類群、水稻品種和稻田環(huán)境等因素的影響。丁維新等［18］的試驗得出，稻漁共作在深水層（＞11.5 cm）促進CH4排放，在淺水層（＜11.5 cm）卻降低了稻田CH4的排放。Fang 等［19］的田間試驗得出，稻蛙系統(tǒng)在2018 年和2019 年水稻生長季期間，CH4排放量由于稻蛙模式降低的比例分別高達41.75%和51.21%，CH4排放量對稻蛙系統(tǒng)的響應十分顯著；Hu 等［20］的試驗也發(fā)現(xiàn)，稻田養(yǎng)蟹與水稻單作相比，CH4排放量明顯降低了38.7%。徐祥玉等［21］的研究表明，稻蝦種養(yǎng)模式下深度淹水使土壤氧化還原電位降低，但小龍蝦的覓食活動會使得稻田水土界面含氧量增加，降低CH4排放。本試驗結果顯示，稻蝦種養(yǎng)模式CH4排放明顯高于中稻單作模式，與以往研究不一致的原因可能是本試驗稻蝦種養(yǎng)模式采用秸稈還田，在土壤持續(xù)淹水條件下，大量外源碳投入對CH4排放有強烈的激發(fā)作用。由此表明，優(yōu)化稻蝦種養(yǎng)模式水肥管理、飼料投喂、秸稈還田等方面對CH4減排至關重要。

3.2.2 稻蝦種養(yǎng)模式對N2O 排放的影響 土壤環(huán)境中進行的硝化和反硝化作用是稻田N2O 的主要來源［22］。水分管理影響稻田土壤的通氣狀況，從而影響硝化和反硝化作用。稻蝦種養(yǎng)田長期淹水形成厭氧環(huán)境，過深的田間表層水可阻礙土壤中產生的N2O 的擴散作用，因此在淹水期N2O 排放量很低。在曬田落干期間，土壤通氣狀況良好，硝化細菌活性增強，N2O 排放增加，本試驗稻蝦種養(yǎng)田N2O 累積排放量比常規(guī)中稻田降低了33.3%，二者在水稻各生育期N2O 排放特征、排放通量出現(xiàn)峰值的時間都是相似的，且排放通量和占比均較低。郭佳等［23］認為水溫變化對N2O 排放通量的影響不顯著。N2O 排放對不同稻田種養(yǎng)模式的響應存在差異。王強盛［5］認為在稻鴨種養(yǎng)模式當中，鴨的活動可使水體溶解氧上升，提高土壤氧化還原電位，從而促進硝化過程，導致N2O 排放通量上升。國外學者Bhattacharyya等［24］對稻-鯪魚共作的溫室氣體排放進行了詳細的研究，發(fā)現(xiàn)其比水稻單作可降低9%的N2O 排放通量。Liu 等［25］的研究發(fā)現(xiàn)，稻田養(yǎng)蟹較水稻單作可降低56%的N2O 排放量。

3.2.3 稻蝦種養(yǎng)模式對產量和溫室效應強度的影響 本試驗結果表明，與常規(guī)中稻田相比，稻蝦種養(yǎng)田水稻產量增加7.6%，總增溫潛勢升高347.2%，二者存在顯著差異（P＜0.05）。由于稻蝦種養(yǎng)田長期淹水產生的CH4排放量極高，導致溫室效應增加遠高于N2O 引起的效應，最終導致稻蝦種養(yǎng)田的溫室效應強度顯著大于常規(guī)中稻田（P＜0.05）。展茗等［26］的研究發(fā)現(xiàn)，稻鴨復合系統(tǒng)總增溫潛勢比常規(guī)水稻單作降低了7.2%，CH4對稻田溫室氣體綜合溫室效應的貢獻率高達60%。從全球增溫潛勢來看，稻田養(yǎng)魚模式也能減緩溫室效應［27］。本研究中稻蝦種養(yǎng)田有較高CH4排放的主要原因為持續(xù)淹水時間長、秸稈還田和飼料投入，探究該模式CH4減排措施最為關鍵。