稻虾共作模式下龙虾品种和养殖密度对CH4和N2O排放的影响

罗加伟，钱开国，徐博，李虹颖，刘少君，熊启中，李硕，孙瑞波，张朝春，叶新新*

（1.安徽农业大学资源与环境学院/安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室/江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室，合肥230036；2.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，合肥230001；3.全国农业技术推广服务中心，北京100125）

甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是大气中主要的温室气体，其全球增温潜势分别为二氧化碳（CO2）的28 倍和265 倍[1]。农业是CH4和N2O 的主要排放源[2]。我国水稻种植面积占全球的23%，位居第二；总产量占全球30%，位居第一。稻田是CH4和N2O 的重要排放源[3]，降低稻田温室气体排放量对农业减排具有重大意义。

稻田综合种养循环农业模式是稻田生态系统物质、能量高效循环的种养模式[4]。在稻渔共作系统中，不同养殖品种觅食行为和生存空间的差异，引起稻渔系统中CH4和N2O 的排放差异显著。有研究表明，在稻鸭共作系统中，养鸭数量越多，水体溶解氧（DO）含量越高，CH4排放减少[5]；崔荣阳等[6]在洱海流域进行不同稻鸭密度共作对温室气体排放的试验表明，DO、硝态氮（NO-3-N）、铵态氮（NH+4-N）及土壤温度是引起温室气体CH4和N2O 排放差异的主要因素，高密度养鸭降低CH4排放，而增加N2O 排放。已有研究表明，不同稻虾共作体系下土壤碳库[7]和氮利用效率[8]的变化会影响温室气体的排放[9-10]；目前，我国稻虾共作体系中主要的养殖品种是小龙虾（克氏原螯虾Procambarus clarkii）和淡水澳龙（四脊滑螯虾Cherax quadricarinatus）[11]。稻虾共作体系中龙虾品种和养殖密度的不同，可能会引起稻田中土壤有机质、氧化还原电位（Eh），pH 和温度等的变化，进而影响温室气体排放。

本研究通过设置龙虾品种和养殖密度试验，采取PVC 静态箱-气相色谱法，测定系统中CH4和N2O 的排放通量和累积排放量及土壤Eh、NO-3-N、NH+4-N 和水体DO 等理化因子，研究稻虾共作对温室气体排放规律、排放量及综合增温潜势（GWP）的影响，探明龙虾品种及养殖密度对稻田温室气体排放的影响，为稻虾共作模式温室气体减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在安徽省铜陵市普济圩农场（31°58′33″N，117°43′28″E）内进行，该地区平均海拔8～9 m，地下水位较高，属长江下游河湖冲积平原，属北亚热带湿润气候区，年降水量为1 200～1 400 mm，降雨主要集中在春夏两季，其降雨量占年降雨70%左右，年均日照时间为1 990 h，年平均气温为16.3 ℃。土壤类型为河湖沉积物发育而成的潴育型水稻土，试验前土壤有机质为20.7 g·kg-1，pH 为6.8，全氮为2.35 g·kg-1，有效磷为9.24 mg·kg-1。试验水稻品种为绿亿香糯，龙虾品种为克氏原螯虾和淡水澳龙。

1.2 试验设计及田间管理

试验设计：试验共设4 个处理，分别为水稻单作（DZ）、水稻低密度克氏原螯虾共作（DD）、水稻高密度克氏原螯虾共作（DG）和水稻澳龙共作（DA），每个处理3 个重复，共12 个小区，每个小区1 330 m2。为防止处理间养分相互影响，各处理间修建宽0.6 m、高0.5 m 的田埂，并用农用塑料薄膜包裹田埂，每个处理进出水口对角线布置。在DD、DG 和DA 处理四周开挖L 型虾沟，虾沟宽4 m、深1.2 m。在虾沟岸边铺设尼龙网，尼龙网埋入地下0.6 m，露出地面0.4 m，用小木棍支撑，并用扎带连接固定，防止龙虾爬出田块。

田间管理：水稻于2021 年7 月播种，8 月移栽，11月收割。各处理之间施用相同量的化肥，施用N、P2O5、K2O 分别为220、70、95 kg·hm-2，磷、钾肥一次性全部施用，翻耕混入土壤中作为基肥，氮肥60%作为基肥，40%在后期进行追肥施用，9 月1 日施用分蘖肥，10 月5 日施用穗肥；8 月8 日DD、DG 和DA 3 个稻虾处理稻田淹水15～20 cm，DZ 处理稻田淹水8～10 cm，9 月15 日排水晒田，9 月20 日田面复水，DD、DG和DA 3 个稻虾处理水深15～20 cm，DZ 处理水深8～10 cm，11月3日排水晒田，11月13日水稻收获。

稻虾共作模式中虾苗于2021 年8 月10 日投放，DD投放密度为按照质量约为25 g 的幼虾210 kg·hm-2；DG 投放密度为420 kg·hm-2；DA 投放密度为每尾6～8 cm的澳洲淡水龙虾13 000尾·hm-2。饲料的投放按照龙虾质量的2%～6%进行投喂，其主要原料为豆粕、鱼粉、矿物质、花生粕、麦麸和微量元素；饲料碳氮比为8，整个稻虾共作季饲料碳、氮累积投入量为1 953.0 kg·hm-2（以C 计）和244.1 kg·hm-2（以N 计）。根据实际情况调整投食量和投食频率，水稻收割后进行龙虾捕捞。

1.3 气体样品采集与测定

CH4和N2O 气体用静态箱在田间进行采集，采用Bruker450-GC 气相色谱仪对CH4和N2O 气体进行测定。静态箱由聚氯乙烯（PVC）材料制成，分为箱底、加高箱和箱盖3 部分。箱底底面积为0.36 m2，箱底、加高箱和箱盖分别高25、60 cm 和60 cm。箱底在水稻移栽前放于稻田中，采集气体时盖上箱盖，水稻过高时，加上加高箱。箱体外部用铝箔纸包裹进行隔热。移栽后保持箱内箱外水稻种植密度一致。温室气体在2020年8月13日至11月10日进行采集，每7～10 d 收集一次气体，采样时间为每日上午8：00—11：30。采气前，盖上加高箱和箱盖后，在底座和加高箱的水槽中加水进行密封，在0、16、32、48 min 时用100 mL 注射器从静态箱中抽取气体注射到500 mL 铝箔袋中保存，尽快带回实验室进行分析测定。气体排放通量计算公式如下[12]：

式中：F是CH4或N2O排放通量，mg·m-2·h-1或µg·m-2·h-1；ρ是CH4或N2O在标准状态下的气体密度，kg·m-3；V是静态箱有效体积，m3；S为箱底面积，m2；dC/dt表示在密闭静态箱内CH4或N2O 气体排放量随时间的变化值；T为静态箱体在采样过程中的平均温度。

气体累积排放量用平均法进行计算，即以连续两次采样气体排放通量的平均值与连续两次采样日间隔天数相乘作为该段时间累计排放量，以此类推，最后将每个时间段的累积排放量进行求和，作为整个气体采集过程的气体累积排放量。CH4、N2O 气体累积排放量计算公式如下[6]：

式中：fi、fi-1分别为第i次、第i-1次采样时的气体排放通量，mg·m-2·h-1；t为第i次和第i-1次采样间隔时间，d；t为气体采样次数；F为整个采样时间段内气体累积排放量，kg·hm-2。

整个采样时间段内CH4和N2O 累积排放量GWP（kg CO2e·hm-2）的计算：以100 年影响尺度计，CH4的GWP是CO2的28 倍，N2O 是CO2的265 倍[13]。GWP 计算公式如下：

式中：FCH4、FN2O分别为CH4、N2O累积排放量，kg CO2e·hm-2。

温室气体排放强度（GHGI，kg CO2e·kg-1）为GWP与产量的比值，可以综合体现系统中粮食产量与GWP的关系[14]。

1.4 土壤和田面水样品采集与测定

为减少采样对土壤和水体扰动引起的温室气体排放，减少采土频率，采集两次气体样时采集一次土壤样品，用不锈钢土钻在每个小区中采集3个点的0～20 cm 土层土壤作为一个混合样，土壤带回实验室风干，经挑选、磨碎、过筛后，测定可溶性有机碳（DOC）、等指标。在采样的同时，在每个小区离静态箱箱底10 cm 处插入土壤氧化还原电位计，记录土壤Eh。

在采集土样时，用便携式溶解氧仪和pH 计测定水体中的DO和pH。

1.5 数据统计分析

所有数据采用Excel进行分析和归纳并进行图形绘制，数据中各指标的显著性及相关性采用SPSS 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 CH4排放通量

如图1所示，各处理CH4排放规律基本一致，试验期间出现两个峰值。在水稻分蘖拔节期达到第一个峰值，DZ 处理排放峰值最高。排水晒田显著降低CH4排放通量。随着田面覆水和穗肥、饲料施入，CH4排放通量逐渐增加，在灌浆期达到第二个峰值。试验期间，各处理CH4平均排放通量（mg·m-2·h-1）规律为DZ（10.20±2.05）＞DA（8.06±1.51）＞DD（6.57±1.87）＞DG（5.72±1.16）；与DZ 处理相比，DG、DD和DA 处理CH4平均排放通量分别降低了43.9%、35.6%和21.0%。

图1 2021年8—11月各处理间CH4排放通量动态变化Figure 1 CH4 fluxes in the rice-shrimp co-cropping systems from August to October 2021

2.2 N2O排放通量

如图2 所示，整个种养期间，各处理间N2O 排放通量基本一致，出现两个峰值。在排水晒田期间，同时分蘖肥施入，N2O排放通量达到第一个峰值，DG处理排放峰值最高；在10月10日左右，穗肥施入，N2O排放通量达到第二个峰值。在整个水稻生育期期间，各处理N2O平均排放通量（µg·m-2·h-1）规律为DG（101.37±21.05）＞DD（88.45± 18.51）＞DA（78.09± 15.87）＞DZ（70.83±13.16）；与DZ处理相比，DG、DD和DA处理N2O平均排放通量分别增加了43.1%、24.8%和10.3%。

图2 2021年8—11月各处理间N2O排放通量动态变化Figure 2 N2O fluxes in the rice-shrimp co-cropping systems from August to October 2021

2.3 温室气体累积排放量和GWP

如表1 所示，不同处理N2O 累计排放量规律为DG＞DD＞DA＞DZ，与DZ 处理相比，DG、DD和DA 处理N2O 累计排放量分别增加了40.7%、26.1%和11.7%。CH4气体占GWP的84.2%～92.9%，不同处理间CH4累计排放量与GWP规律均为DZ＞DA＞DD＞DG。

表1 CH4和N2O累积排放量及GWPTable 1 Cumulative emissions and warming potential of each treatment

2.4 水稻产量和GHGI

如表2 所示，不同处理间水稻产量差异不显著，不同处理间GHGI变化趋势为DZ＞DA＞DD≈DG。与DZ 处理相比，DG、DD和DA 处理GHGI分别降低了40.1%、33.3%和21.1%，稻虾共作可以在保证粮食安全的同时降低温室气体排放。

表2 各处理水稻产量及GHGITable 2 Rice yield and GHGI in each treatments

2.5 稻田环境因子

整个水体DO 测量期间，不同处理中平均水体DO 值顺序为DG＞DD＞DA＞DZ（图3）；与DZ 处理相比，DG、DD和DA 3 个稻虾共作处理都显著提高了水体中DO浓度，平均DO浓度分别提高了31.1%、22.5%和14.4%。

图3 2021年8—10月各处理中水体DO动态变化Figure 3 Dynamic changes of water DO in each treatments from August to October 2021

在整个测定时期内，各处理间土壤Eh变化趋势基本一致，即随着淹水时间增加，土壤还原性增强，在9月中旬排水晒田时，土壤还原性减弱，复水后，土壤还原性继续增加。不同处理土壤Eh均值顺序为DG＞DD＞DA＞DZ（图4A）；与DZ处理相比，DD和DG两个处理显著提高了土壤Eh。

图4 2021年8—10月各处理中土壤Eh和土壤DOC动态变化Figure 4 Dynamic changes of soil Eh and soil DOC in each treatments from August to October 2021

各处理土壤DOC 稻季变化趋势基本一致（图4B），呈现先增加后降低再增加然后降低，10月3日达到最大值，其中DG 处理值最高，可能是因为龙虾饲料和龙虾排泄物施入到稻田中，增加了土壤DOC值。

图5 2021年8—10月各处理中土壤NO-3-N和NH+4-N动态变化Figure 5 Dynamic changes of soil NO-3-N and NH+4-N in each treatments from August to October 2021

稻田温室气体排放通量与环境因子的相关性如表3所示，CH4的排放通量与水体DO、土壤Eh 、和呈极显著负相关（P＜0.01），而N2O 的排放通量与水体DO、土壤Eh 呈显著正相关（P＜0.05），与和呈极显著正相关（P＜0.01）。

表3 稻田温室气体排放通量与环境因子的相关性Table 3 Correlation between greenhouse gas emission flux and environmental factors in rice field

3 讨论

3.1 稻虾共作对稻田CH4排放的影响

与水稻单作处理相比较，稻虾共作处理降低了稻田CH4累积排放量。与DZ处理相比较，DG、DD和DA处理下CH4累积排放量降低了42.9%、35.1% 和20.4%。主要原因：一是稻虾共作处理稻田淹水比水稻单作处理深，较深的淹水降低了CH4从土壤到大气的扩散速率[15-17]，傅志强等[18]的研究表明，与常规灌溉相比，灌水深20 cm 时CH4排放量减少6.1%；二是较深的淹水降低水稻根系活力，减弱水稻根区对CH4的再氧化能力和水稻植株对CH4的传输能力[19-21]；三是稻虾共作中小龙虾在稻田中生活，其嬉戏、觅食、掘穴等活动会破坏土壤，有中耕的作用，加速根系泌氧，提高土壤中氧气含量[10，22]；四是小龙虾和鸭觅食稻田中杂草、浮游生物和水藻等，降低这些生物对稻田系统中氧气的消耗，提高稻田系统中DO 含量[4，6]，增加土壤Eh，最终降低CH4排放。

3个稻虾处理中，DG 处理减少稻田CH4排放最显著，可能是因为DG 处理小龙虾密度大，小龙虾打洞能力比澳龙强[23]，打洞加速了土壤界面与空气交换的能力，提高土壤Eh，降低产甲烷菌活性，提高甲烷氧化菌活性，最终显著降低CH4排放。

3.2 稻虾共作对稻田N2O排放的影响

与DZ 处理相比，DA、DD和DG 处理N2O 累计排放量分别增加了11.7%、26.1%和40.7%。稻虾共作模式增加稻田N2O 排放的原因可能是：首先，克氏原螯虾为排氨型代谢动物，排泄物中含有大量NH+4-N，龙虾排泄物的投入补充了氮源，为硝化与反硝化作用提供大量反应底物，促进硝化反硝化作用发生，从而促进中间产物N2O的排放[24-25]；其次，小龙虾在田间的扰动，可能加速了溶解在水层中的N2O的扩散和排放[26]；再次，稻田中小龙虾和鸭等刺激水稻生长，加速水稻根系泌氧[4]，同时小龙虾觅食杂草和浮游生物等[6]，减少氧气消耗，促进硝化作用进行，增加N2O排放。

DG 处理N2O 排放通量高于DD和DA 处理，主要是因为：（1）DG 处理小龙虾密度高，在稻田中活动强度高于DD和DA 处理，加速了土壤与空气的流通交换，提高土壤和水层含氧量，提高土壤Eh，促进土壤硝化作用发生，为反硝化提供底物，从而导致N2O 大量产生[22，27]；（2）DG 处理小龙虾密度高，小龙虾排泄物量增加，为硝化作用提供了充足底物，促进N2O 的产生与排放。

3.3 稻虾共作对GWP的影响

GWP主要由CH4和N2O 两种温室气体构成，本研究中，与DZ 处理相比，稻虾处理降低CH4排放，增加N2O 排放，最终降低GWP；CH4气体占GWP的84.2%～92.9%，说明稻田CH4排放量是影响GWP变化的主要原因[28]，降低稻田CH4排放对缓解温室气体GWP至关重要[29]。

4 结论

（1）各处理间CH4排放通量、CH4累积排放量和GWP规律均为DZ＞DA＞DD＞DG；N2O 排放通量和N2O累积排放量规律为DG＞DD＞DA＞DZ。与DZ 相比，DG、DD和DA 处理GWP分别降低了36.9%、30.7%和18.1%。与水稻单作相比，稻虾共作能降低CH4排放，增加N2O 排放，但考虑GWP，稻虾共作能实现温室气体减排，其中DG处理最明显。

（3）各处理间水稻产量无显著差异，兼顾水稻产量和温室气体排放，不同处理GHGI变化趋势为DZ＞DA＞DD≈DG。在稻虾共作体系中，为了更有效降低稻田系统中温室气体的排放，需要考虑龙虾品种和养殖密度的选择。