稻虾种养模式下稻田温室气体排放规律研究

李清海，谢青芸，叶 佩

（1.荆州农业气象试验站，湖北荆州 434025；2.长江大学农学院，湖北荆州 434025）

气候变暖主要归因于人类活动，气候变化是人类21 世纪面临的较为严峻的全球环境问题。来自联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的研究表明，CH4和N2O 的增温潜势分别是CO2的25 倍和298 倍［1］，对全球气候变化有着重要的影响。中国作为水稻总产量最高的国家，其产量达到了全球总量的31%［2］，水稻的碳吸收量较高，占农田生态系统碳吸收总量的44.01%［3］。因此，减少稻田CH4和N2O的排放量对中国环境保护有着重要的意义，更受到国际社会的普遍关注。中央经济工作会议将“做好碳达峰、碳中和工作”作为2021 年的重点任务之一，稻田固碳减排已作为中国减排目标的一部分被纳入实施范围，稻田CH4和N2O 减排技术对发展低碳农业和应对气候变化具有重要意义。

稻虾生态种养作为可持续发展的生态循环农业模式近年来发展迅速，2019 年小龙虾产量达177.25万t，养殖面积达110.53 万hm2［4］。稻虾种养由于在稻田生态系统中有添加生态位、延长食物链的增环作用，产生出一系列诸如具有明显的减肥减药、减虫减害和提高土壤肥力的生态效应，并通过“一地两用、一水两收”的方式提高了单位面积经济效益。稻虾种养模式下田间水肥管理与常规中稻有较大差异。一般稻虾田稻作期田间水位较高，施肥量偏少，田间水分可影响土壤的硝化和反硝化作用，成为影响稻田CH4和N2O 排放的重要因子，使稻田温室气体排放特征以及全球增温潜势有一定变化［5］。另外，温度也是温室气体排放的重要影响因素，其可通过影响土壤微生物和水稻根系的活性来影响CH4和N2O 的排放。

关于稻田温室气体的排放，现有研究主要从品种、水分管理、施肥方式和耕作制度等方面展开了探讨［6-13］，针对稻虾种养模式下稻田温室气体排放规律研究较少。因此，本研究采用增温潜势等评价指标研究稻虾轮作模式下稻田温室气体CH4和N2O 的排放规律，探究田间水深和气温条件对稻虾田温室气体排放的影响，评估稻虾田的温室效应强度，定量综合评价稻虾种养模式对稻田温室气体排放的贡献，以期为稻田生态系统固碳减排、提质增效提供参考，使其服务于中国的“双碳”战略。

1 试验地概况与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖北省荆州市国家农业气象试验站（30°21′N，112°09′E），属于北亚热带湿润季风型气候，水热条件良好，年降雨量在1 000～1 200 mm，年均日照时数约为1 800 h，年均温度为16.9 ℃，全年无霜期约为251 d。稻虾轮作稻田连片，规模较大，稻田田埂外侧有环形虾沟，虾沟具有储水能力，虾沟在夏季水稻种植期间由于水位较高部分区域可相通，稻虾轮作稻田长期淹水，且常年种植水稻。试验点土壤为潴育型水稻土，是由内陆河湖交替沉积形成的，土壤质地为粉质中壤土。

1.2 田间管理

水稻品种均采用黄华占，栽培方式为直播。常规中稻模式和稻虾种养模式N 用量均为180 kg/hm2，P2O5用量为90 kg/hm2，K2O 用量为120 kg/hm2。磷肥和钾肥全部作为基肥使用，氮肥按5∶2∶3 的比例分别在水稻直播前（基肥）、分蘖期和孕穗期施入。稻虾种养模式田间水分管理长期处于淹水状态，成熟期田间水分落干；中稻模式在分蘖期保持淹水灌溉，分蘖中末期排水晒田，幼穗分化期再次灌水，抽穗后保持干湿交替直至收获前7～14 d 断水。田间病、虫、草害等管理与当地高产田措施保持一致。不同稻作模式下的水稻生育进程见表1。

表1 不同稻作模式下的水稻生育进程

1.3 温室气体排放与产量测定

采用静态暗箱-气相色谱法进行测定。采样箱箱壁用PVC 管制成（直径为55 cm，高为120 cm），箱外包有反光锡箔纸和发泡隔热材料，采气管线使用可弯折的软硅胶管，升入箱内15 cm 左右，采样时用注射器抽取箱内气体，基座由不锈钢制成，有4 cm深水槽，底座入土15 cm，固定底座确定试验地点。在水稻幼苗期后开始采样，采样时间为上午9：00—11：00，采样频率为抽穗前2～3 d 1 次，抽穗到成熟5～7 d 1 次。采气时，先将采集箱摇晃2～3 次，保证箱内原来的气体与空气混合均匀，避免对后续采样气体浓度产生影响，再往基座水槽加水密封，分别在0、10、20、30 min 用30 mL 注射器从箱中抽取气体，注射器带有三通阀门，取样之前，通过多次抽动注射器来混匀箱内气体，气体混匀后再旋转三通阀将气体转移到12 mL 的真空瓶，备测，同时记录0 min 和30 min 时箱内的温度以及田间表层水深度。采样后24 h 内采用气相色谱仪（Agilent 7890A 型）和自动进样器测定CH4和N2O 浓度。CH4和N2O 检测器分别为氢火焰离子检测器和微电子捕获检测器，进样口温度分别为200 ℃和330 ℃，分析柱为PQ 填充柱，柱温为55 ℃。水稻成熟后收获，并对整个水稻试验田进行测产。

1.4 数据处理

稻田CH4和N2O 排放通量计算方法参考文献［14］，计算式如式（1）所示。

式中，F为CH4或N2O 的排放通量；ρ为标准状态下CH4或N2O 的密度（CH4为0.714 kg/m3，N2O 为1.964 kg/m3）；h为采样箱的有效高度；dc/dt为CH4或N2O 浓度的变化速率；T为采样过程中采样箱内的平均温度。

稻田CH4和N2O 累积排放量是基于排放通量，通过内插加权法累积得到水稻生长生育期的排放总量。CH4和N2O 的增温潜势分别为CO2的25 倍和298 倍［1］，求取总增温潜势（GWP）的计算式如式（2）所示。

式中，RCH4为稻田监测期CH4排放通量总量；RN2O为稻田监测期N2O 排放通量总量。

温室气体排放强度（GHGI）是一个综合评估环境效益和作物经济效益的指标，按式（3）计算。

式中，Y为水稻产量。

试验数据以同一处理的平均值±标准差的形式表示，数据采用Excel 2010 和SPSS 软件完成处理分析。

2 结果与分析

2.1 田间表层水深度和箱内温度变化

稻虾种养田的田间表层水深明显高于常规中稻田，在二者的淹水时期稻虾种养田的田间表层水深度明显高于常规中稻田（图1）。常规中稻田在晒田期间几乎处于无水层状态，在后期断水后水位下降迅速至完全落干，无水层状态时期长达37 d（图1a），而稻虾种养田完全落干时间只有13 d（图1b）。盛夏箱内温度波动变化但都处于较高水平，采样箱内温度在监测期间均超过20 ℃，稻虾种养田在8 月31 达到峰值，为36.9 ℃，8 月14 日箱内温度最低，为24.4 ℃，常规中稻田在9 月26 日达到最高值42 ℃，在8 月26 日出现最低值21.6 ℃，常规中稻田相对于稻虾种养田的温度变化范围更大。

图1 试验点田间表层水深与箱内温度的变化

2.2 稻虾种养模式下CH4排放通量分析

由图2 可知，稻虾种养田CH4排放通量变化范围为-14.56～90.61 mg/（m2·h），其整个生育期排放通量出现多次峰值，但整个生育期仍呈下降趋势，整个生育期几乎所有时间都处于淹水状态，下降趋势与水稻生育过程密切相关；CH4排放集中在分蘖期、穗分化期以及抽穗开花期，排放最高峰值出现在播种后34 d，最低值出现在收获前25 d，水稻分蘖期之后出现多次峰值且波动幅度较大，但其相对于分蘖期排放动态变化较平缓，与稻虾种养田的水分管理和温度有关；CH4排放通量在乳熟期后明显降低，远小于分蘖期，稻虾种养田至成熟落干仍能观测到少量CH4排放，但其值接近于零。常规中稻田CH4排放通量具有明显的季节变化规律，其范围在-0.33～49.89 mg/（m2·h）；在播种至烤田前的淹水阶段CH4排放较高，并且在播种后42 d 出现CH4排放通量的最高峰值，分蘖末期烤田CH4的排放通量大幅降低，幼穗分化复水后CH4排放通量有所回升，抽穗后间歇灌溉CH4波动变化，出现2 次峰值，2 次峰值与最高峰值存在差异，断水后CH4排放通量随之降低，至落干期CH4排放几乎为零，这种变化规律与田间水分有着密切的关系。

图2 稻虾种养田和常规中稻田生长季CH4排放通量季节变化

2.3 稻虾种养模式下N2O 排放通量分析

由图3 可知，稻虾种养田N2O 季节排放通量变化范围为-4.13～146.77 μg/（m2·h），其整个生育期排放通量均较低；N2O 排放受水肥管理的影响较大，稻虾种养田长期淹水且水深波动较大，生育期N2O 排放通量呈波动式变化，排放最高峰值出现在播种后31 d，最低值出现在收获前的35 d，淹水时期出现多次峰值，但其相对于分蘖期出现的峰变化幅度更为平缓，N2O 排放通量在落干时出现1 次小峰值，稻虾种养田落干完全后仍能观测到少量N2O 排放。常规中稻田N2O 季节平均排放通量波动变化，其范围在-4.31～145.75 mg/（m2·h）；在淹水阶段N2O 季节平均排放通量较低，并且在播种后的30 d 出现N2O 排放通量最高峰值，之后排放通量又急剧下降，开始晒田时N2O 排放通量呈上升趋势，分蘖末期烤田期的N2O 排放通量呈波动式变化，复水后N2O 排放通量随之下降，干湿交替时期产生大量的N2O，呈波动变化，出现多次小峰值，峰值较前期出现的峰值明显偏低，一部分受水稻生育期的影响，一部分受分蘖肥的影响，断水之后N2O 排放通量随水分慢慢落干而上升，此次出现的N2O 峰值较干湿交替期间出现的峰值更高。稻虾种养田、常规中稻田的N2O 排放通量波动范围几乎一致，最高值与最低值相差较小，峰值均出现在分蘖期，2 种稻田在分蘖期和成熟期都出现了峰值且相对于其他峰值较高。二者最明显的区别在于常规中稻田晒田期N2O 排放通量较高而淹水的虾稻田排放通量几乎为0 甚至出现负值，N2O 与CH4呈此消彼长的趋势。

图3 稻虾种养田和常规中稻田生长季N2O 排放通量的季节变化

2.4 田间表层水深和采样温度与稻田CH4和N2O排放关系

相关性分析表明，稻虾种养田CH4排放通量与田间表层水深度呈极显著正相关（P＜0.01），与箱内温度呈显著正相关（P＜0.05），其N2O 排放通量与箱内温度和田间表层水深无显著相关性（表2，图4a）；常规中稻田箱内温度和田间表层水深均与CH4和N2O 排放通量无显著相关性（表3，图4b）。

图4 稻虾种养田（a）和常规中稻田（b）生长季CH4排放通量和田间表层水深的变化

表2 稻虾种养田CH4、N2O 排放通量与箱内温度和田间表层水深的相关性

表3 常规中稻田CH4、N2O 排放通量与箱内温度和田间表层水深的相关性

摒弃田间水层深度对温室气体排放的影响，分析温室气体对箱内温度的响应，因常规中稻田非淹水阶段CH4排放几乎为0，分析其烤田和落干期N2O排放与箱内温度的相关性，结果显示，常规中稻田的N2O 排放通量与箱内温度呈显著的正相关关系（r=0.67，P＜0.05）。

2.5 稻虾种养田及常规中稻田综合温室效应及产量

由表4 可知，稻虾种养田CH4累积排放量比常规中稻田高369.2%（P＜0.05），常规中稻田的N2O 累积排放量显著高于稻虾种养田（P＜0.05），对稻田综合增温潜势贡献主要来源于CH4，二者CH4的排放占比均超过99%，实现稻田温室气体减排的关键在于减少CH4排放。稻虾种养模式的水稻产量为9 745.1 kg/hm2，相比于常规中稻，其产量增加了7.6%。稻虾种养田的GWP为13 657.7 kg CO2-e/hm2，比常规中稻田显著偏高347.2%（P＜0.05）。稻虾种养田的温室效应强度为1.40 kg CO2-e/hm2，常规中稻田为0.34 kg CO2-e/hm2，稻虾种养田的温室效应强度显著大于常规中稻田（P＜0.05），主要是由于淹水条件产生的CH4排放占比高，即使单位数量的N2O 增温潜势远大于CH4，稻虾种养田的总增温潜势也是明显大于常规中稻田的增温潜势。

3 小结与讨论

3.1 小结

1）与常规中稻模式相比，稻虾种养模式下的水稻产量增加7.6%，且显著提高了稻田CH4排放量（P＜0.05），其累积排放量增加了369.2%，CH4的排放对温室气体强度的增加效应可抑制N2O 排放；此外，稻虾种养田的N2O 累积排放量比常规中稻田显著偏低33.3%（P＜0.05）；增温潜势主要贡献来源于CH4排放，稻虾种养田增温潜势比常规中稻田偏高347.2%，温室气体排放强度显著增加1.06 kg CO2-e/hm2（P＜0.05）。

2）田间表层水深和箱内温度都是稻田CH4和N2O 排放通量的重要影响因子，稻田田间表层水较深时，CH4排放通量增加、N2O 排放通量减少，当稻田处于无水层状态或者薄水层状态时，CH4排放通量几乎为0，常规中稻田非淹水期N2O 排放与箱内温度呈显著的正相关（P＜0.05）。

3）稻虾种养田温室气体高排放主要由持续淹水厌氧状态导致，探究该模式CH4减排举措最为关键；中稻由于水旱轮作，稻田温室气体排放最低，可作为低碳减排的主要稻作类型。

3.2 讨论

3.2.1 稻虾种养模式对CH4排放的影响 稻虾种养长期淹水形成厌氧环境，有利于土壤产甲烷菌生存繁殖，长期淹水对CH4排放具有强烈的激发作用，同时因生长后期直播水稻生长旺盛，光合作用强，大量根系分泌物被土壤发酵型细菌分解，产生了大量CH4。目前各类稻鸭［15，16］、稻渔［17，18］、稻蛙［19］、稻蟹［20］、稻虾［21］等种养模式对稻田CH4排放的影响已有相关研究。Sun 等［15］进行的meta 分析发现，稻鸭共作模式与传统水稻单作系统相比，CH4排放量降低24.9%。稻鸭模式下，鸭子活动降低了稻田CH4排放高峰期甲烷功能菌的数量［16］。戴然欣等［17］认为稻渔种养系统中CH4排放主要受动物类群、水稻品种和稻田环境等因素的影响。丁维新等［18］的试验得出，稻渔共作在深水层（＞11.5 cm）促进CH4排放，在浅水层（＜11.5 cm）却降低了稻田CH4的排放。Fang 等［19］的田间试验得出，稻蛙系统在2018 年和2019 年水稻生长季期间，CH4排放量由于稻蛙模式降低的比例分别高达41.75%和51.21%，CH4排放量对稻蛙系统的响应十分显著；Hu 等［20］的试验也发现，稻田养蟹与水稻单作相比，CH4排放量明显降低了38.7%。徐祥玉等［21］的研究表明，稻虾种养模式下深度淹水使土壤氧化还原电位降低，但小龙虾的觅食活动会使得稻田水土界面含氧量增加，降低CH4排放。本试验结果显示，稻虾种养模式CH4排放明显高于中稻单作模式，与以往研究不一致的原因可能是本试验稻虾种养模式采用秸秆还田，在土壤持续淹水条件下，大量外源碳投入对CH4排放有强烈的激发作用。由此表明，优化稻虾种养模式水肥管理、饲料投喂、秸秆还田等方面对CH4减排至关重要。

3.2.2 稻虾种养模式对N2O 排放的影响 土壤环境中进行的硝化和反硝化作用是稻田N2O 的主要来源［22］。水分管理影响稻田土壤的通气状况，从而影响硝化和反硝化作用。稻虾种养田长期淹水形成厌氧环境，过深的田间表层水可阻碍土壤中产生的N2O 的扩散作用，因此在淹水期N2O 排放量很低。在晒田落干期间，土壤通气状况良好，硝化细菌活性增强，N2O 排放增加，本试验稻虾种养田N2O 累积排放量比常规中稻田降低了33.3%，二者在水稻各生育期N2O 排放特征、排放通量出现峰值的时间都是相似的，且排放通量和占比均较低。郭佳等［23］认为水温变化对N2O 排放通量的影响不显著。N2O 排放对不同稻田种养模式的响应存在差异。王强盛［5］认为在稻鸭种养模式当中，鸭的活动可使水体溶解氧上升，提高土壤氧化还原电位，从而促进硝化过程，导致N2O 排放通量上升。国外学者Bhattacharyya等［24］对稻-鲮鱼共作的温室气体排放进行了详细的研究，发现其比水稻单作可降低9%的N2O 排放通量。Liu 等［25］的研究发现，稻田养蟹较水稻单作可降低56%的N2O 排放量。

3.2.3 稻虾种养模式对产量和温室效应强度的影响 本试验结果表明，与常规中稻田相比，稻虾种养田水稻产量增加7.6%，总增温潜势升高347.2%，二者存在显著差异（P＜0.05）。由于稻虾种养田长期淹水产生的CH4排放量极高，导致温室效应增加远高于N2O 引起的效应，最终导致稻虾种养田的温室效应强度显著大于常规中稻田（P＜0.05）。展茗等［26］的研究发现，稻鸭复合系统总增温潜势比常规水稻单作降低了7.2%，CH4对稻田温室气体综合温室效应的贡献率高达60%。从全球增温潜势来看，稻田养鱼模式也能减缓温室效应［27］。本研究中稻虾种养田有较高CH4排放的主要原因为持续淹水时间长、秸秆还田和饲料投入，探究该模式CH4减排措施最为关键。