稻漁系統(tǒng)碳固持與甲烷排放特征

　　摘 要: 稻漁系統(tǒng)(“漁”是水產(chǎn)動(dòng)物如魚、蟹、蝦、鱉等的統(tǒng)稱)是利用稻田淺水環(huán)境在種植水稻的同時(shí)放養(yǎng)一定數(shù)量水產(chǎn)動(dòng)物的復(fù)合稻作體系。稻漁系統(tǒng)中水稻和水產(chǎn)動(dòng)物相互作用影響著稻田系統(tǒng)碳氮等元素的運(yùn)轉(zhuǎn)和循環(huán), 對(duì)稻田系統(tǒng)碳固持和碳排放是否和如何產(chǎn)生影響也受到關(guān)注。基于國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道, 本文分析了稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和甲烷(CH4)排放特征和影響因素。在土壤有機(jī)碳固持方面, 與水稻單作系統(tǒng)相比, 稻漁系統(tǒng)土壤(0~20 cm)有機(jī)碳總體呈增加趨勢(shì), 主要與水產(chǎn)動(dòng)物取食與排泄物轉(zhuǎn)化和輸入碳有關(guān)。在 CH4 排放方面, 不同研究存在差異, 一些研究表明稻漁系統(tǒng)(如稻蛙、稻蝦、稻魚等模式) 的CH4排放顯著低于水稻單作系統(tǒng), 而一些研究則發(fā)現(xiàn)稻漁系統(tǒng)(如稻魚模式)CH4排放顯著高于水稻單作系統(tǒng)。稻漁系統(tǒng)CH4 排放主要受水產(chǎn)動(dòng)物類群、水稻品種、稻田環(huán)境和種養(yǎng)措施等因素的影響。論文提出未來(lái)稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)碳固持和 CH4 排放的研究應(yīng)聚焦在: 1)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)研究稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化、CH4等氣體排放; 通過(guò)長(zhǎng)期定位觀測(cè), 研究稻漁系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)和CH4排放的動(dòng)態(tài)特征; 2)研究不同水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)稻田系統(tǒng)土壤碳庫(kù)和CH4等氣體排放的影響機(jī)理; 3)CH4低排放水稻的育種和品種篩選, 比較研究水稻與水產(chǎn)動(dòng)物群體的配比、飼料和肥料投入比例、稻田水分管理模式、秸稈還田策略等, 構(gòu)建出適用于稻漁系統(tǒng)的固碳減排技術(shù)體系。

　　關(guān)鍵詞: 稻漁系統(tǒng); 水產(chǎn)動(dòng)物; 土壤碳固持; 土壤有機(jī)碳; 甲烷排放

　　戴然欣; 趙璐峰; 唐建軍; 章濤杰; 郭梁; 羅崎月; 胡中元; 胡亮亮; 陳欣 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文)2022-01-13

　　大氣溫室氣體增加、氣候變化是人類社會(huì)面臨的主要環(huán)境挑戰(zhàn)。為此, 世界各國(guó)以全球協(xié)約的方式減少溫室氣體排放, 我國(guó)由此提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值, 努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和” 這一目標(biāo)。“碳中和”是指碳的固定量與碳的排放量之間的差值為零, 因而實(shí)現(xiàn)碳中和需要從固碳和減排兩個(gè)方面進(jìn)行。盡管目前我國(guó)提出的“凈零排放”更加側(cè)重于二氧化碳(CO2), 但世界普遍關(guān)注與認(rèn)可的是總碳排放, 包括甲烷(CH4)等非 CO2 溫室氣體, 并以 CO2 的全球增溫潛勢(shì)(GWP)為參照, 統(tǒng)一折算為 CO2 排放當(dāng)量(CO2-eq)。農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)者之一, CH4 是重要的溫室氣體之一, 其對(duì)大氣溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)為 19%[1]。在 100 年的時(shí)間跨度內(nèi), CH4的 GWP 是 CO2 的 28 倍[2] , 并且其濃度以平均每年約 0.5%~1.0%的速度增長(zhǎng)[3-4]。因此, 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的 CH4 排放是碳減排的重要方面。中國(guó)是世界上最重要的水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)國(guó)之一, 占世界水稻生產(chǎn)面積的 20%、占中國(guó)所有耕地面積的 23%[2]。稻田作為一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)濕地, 由于水分狀況以及有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料的投入, 已被證明是大氣 CH4 的主要來(lái)源[2,5-10] , 稻田排放的 CH4 約占全球總排放量的 10%~13%[11]。因此, 控制稻田溫室氣體排放對(duì)于減緩全球變暖是必要的[12]。同時(shí), 水稻土作為長(zhǎng)期水耕熟化下形成的人為土壤, 具有固碳趨勢(shì)明顯、固碳潛力較大的特點(diǎn)[13-16]。1979 年第 2 次全國(guó)土壤普查以來(lái), 水稻土每年多固定 900 多萬(wàn)噸碳, 占據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤每年固碳增量(3400 萬(wàn) t 碳)的 26.5%[15] , 固碳能力顯著高于其他類型(例如旱地)的農(nóng)業(yè)土壤[14-15,17]。因此, 對(duì)稻田系統(tǒng)的固碳潛力進(jìn)行研究關(guān)系著我國(guó)未來(lái)糧食安全和整個(gè)農(nóng)業(yè)體系的可持續(xù)發(fā)展。

　　稻漁系統(tǒng)(“漁”是水產(chǎn)動(dòng)物如魚、蟹、蝦、鱉等的統(tǒng)稱)是利用稻田淺水環(huán)境在種植水稻的同時(shí)放養(yǎng)一定數(shù)量的水產(chǎn)動(dòng)物的農(nóng)作方式。近 20 多年來(lái), 稻漁系統(tǒng)在我國(guó)快速發(fā)展, 形成稻魚、稻鱉、稻蝦、稻蟹、稻鰍、稻螺等多樣化模式, 成為一類獨(dú)特的稻作系統(tǒng)。這些模式在提高稻田產(chǎn)出與水土資源利用效率、增加農(nóng)民收入及發(fā)展綠色水稻生產(chǎn)均有重要意義[18]。研究表明, 稻漁系統(tǒng)中水稻和水產(chǎn)動(dòng)物相互作用, 稻田系統(tǒng)的元素循環(huán)利用發(fā)生系列變化[19-21] , 這些變化是否對(duì)碳排放和土壤碳固持產(chǎn)生影響?國(guó)內(nèi)外也開展了較多研究。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外在稻漁系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的特點(diǎn)、CH4 的排放特征方面進(jìn)行分析, 旨在為稻漁系統(tǒng)碳固定與排放的深入研究提供參考。

　　1 稻漁系統(tǒng)的分布、發(fā)展與效應(yīng)

　　稻漁系統(tǒng)在全球各地均有分布, 但主要分布在亞洲地區(qū)。我國(guó)是世界上最早開展稻田養(yǎng)魚的國(guó)家, 種養(yǎng)歷史悠久, 據(jù)相關(guān)資料顯示, 最早可以追溯到2000多年前的漢朝[22-23] , 浙江省青田稻魚共生系統(tǒng)2005年被聯(lián)合國(guó)列為全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)[23]。除此以外, 馬來(lái)西亞、孟加拉、日本、印度等國(guó)家在 20 世紀(jì)初也開始進(jìn)行稻田養(yǎng)魚的實(shí)踐。直到 20 世紀(jì)中期, 全球稻作區(qū)共有 28 個(gè)國(guó)家都有了稻魚系統(tǒng)的分布[24]。在我國(guó), 由于近年來(lái)得到國(guó)家的重點(diǎn)推廣和政策的支持, 該模式在全國(guó)范圍內(nèi)得到十分快速的發(fā)展, 主要在丘陵地區(qū)得以應(yīng)用[18]。同時(shí), 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐, 在傳統(tǒng)稻魚共生的基礎(chǔ)上又新發(fā)展出了稻蝦、稻蟹、稻鱉、稻鰍等多種模式[24-26]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2019年我國(guó)稻漁綜合種養(yǎng)面積接近2.33×106 hm2 , 水稻產(chǎn)量達(dá)到1.75×107 t, 水產(chǎn)品產(chǎn)量超過(guò) 2.90×106 t, 其中又以湖北、湖南、四川和安徽等 4 個(gè)省份的種養(yǎng)面積最大, 均超過(guò) 2.67×105 hm2 , 僅這 4 個(gè)省份的稻漁種養(yǎng)面積就占全國(guó)總種養(yǎng)面積的 58.58%。就主要種養(yǎng)模式而言, 稻魚、稻蝦、稻蟹、稻鰍、稻鱉、稻螺和稻蛙這 7 種模式的面積占全國(guó)稻漁種養(yǎng)總面積的 98%左右[25]。我國(guó)的稻漁模式由最初的傳統(tǒng)粗放型種養(yǎng)轉(zhuǎn)變成目前現(xiàn)代化、專業(yè)化、規(guī)模化的種養(yǎng)模式, 并在實(shí)踐和研究中逐步總結(jié)形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)體系和規(guī)程。

　　稻漁系統(tǒng)的生產(chǎn)方式與每個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、文化和經(jīng)濟(jì)背景有著密不可分的聯(lián)系, 在保護(hù)當(dāng)?shù)厣锒鄻有院途S持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面有重要作用[24]。稻漁系統(tǒng)在不額外增加耕地面積的前提下生產(chǎn)水產(chǎn)品, 提高了土地利用效率, 同時(shí)還具有水稻穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)的效果[27-29] , 增加了單位面積土地的收益。稻漁系統(tǒng)中, 水稻為水產(chǎn)動(dòng)物提供蔭蔽場(chǎng)所, 同時(shí)附著在水稻上的生物以及稻田中的微生物等為水產(chǎn)動(dòng)物提供了額外的食物資源, 水產(chǎn)動(dòng)物的活動(dòng)可以有效控制病蟲害的發(fā)生[24] , 其糞便也可作為水稻的養(yǎng)分來(lái)源[30] , 因此可以通過(guò)水稻和水產(chǎn)動(dòng)物這兩種生物之間資源的互補(bǔ)利用實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥的減量[28-29] , 從而緩解水稻集約化生產(chǎn)投入大量的化肥農(nóng)藥所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。此外, 水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)土壤的擾動(dòng)可促進(jìn)養(yǎng)分釋放, 有利于水稻根系對(duì)養(yǎng)分的吸收, 提高養(yǎng)分有效性和利用率。

　　2 稻漁系統(tǒng)土壤固碳特征與機(jī)制 2.1 土壤固碳特征

　　土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫(kù)[31] , 對(duì)緩解全球氣候變化具有重要的調(diào)控作用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 農(nóng)作物通過(guò)光合作用將 CO2 和水合成碳水化合物, 以有機(jī)碳的形式固定在自身體內(nèi), 通過(guò)根茬、凋落物等形式轉(zhuǎn)移至土壤, 并在土壤微生物的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的有機(jī)質(zhì)固存于土壤中[32] , 實(shí)現(xiàn)土壤碳匯功能。有研究表明, 全球農(nóng)業(yè)每年固碳與溫室氣體減排的自然總潛力達(dá) 5500~6000 Mt CO2-eq, 其中有 90% 通過(guò)固定土壤有機(jī)碳實(shí)現(xiàn)[13]。在 1980s 至 2000s 時(shí)間里, 我國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)[33]。土壤有機(jī)碳是土壤肥力的核心, 與耕作農(nóng)田土壤的肥力密切相關(guān), 是反映土壤肥力的重要標(biāo)志。長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明, 維持土壤有機(jī)碳平衡及增長(zhǎng)對(duì)于土地生產(chǎn)力的可持續(xù)至關(guān)重要。有機(jī)碳的積累是水稻土水耕熟化過(guò)程中的普遍趨勢(shì), 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái), 我國(guó)大部分水稻土的固碳效應(yīng)十分顯著[16] , 固碳潛力巨大。

　　相較于常規(guī)水稻單作系統(tǒng), 稻漁系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)含量與有機(jī)碳的變化特征一直以來(lái)都是該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。稻漁系統(tǒng)中, 水產(chǎn)動(dòng)物的掘食與擾動(dòng)可以疏松土壤, 降低土壤容重, 減輕土壤板結(jié), 改善土壤結(jié)構(gòu)[34-35]。同時(shí), 水產(chǎn)動(dòng)物排泄物可以增加稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量, 改善土壤肥力, 穩(wěn)定水稻產(chǎn)量[23,36]。蝦、蟹等水產(chǎn)動(dòng)物在稻田中取食、排泄和打洞等習(xí)性活動(dòng), 以及對(duì)于土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的影響都會(huì)對(duì)該系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的變化造成影響[30,37-39]。Guo 等[40]對(duì)全國(guó)稻作區(qū)主要推廣的 4 類稻漁系統(tǒng)(稻魚、稻蟹、稻蝦、稻鱉)的土壤調(diào)查表明, 每種稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于對(duì)應(yīng)的水稻單作系統(tǒng); 同時(shí)連續(xù) 7 年(2012—2018 年)的田間試驗(yàn)結(jié)果也表明, 稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)隨年限增加而增長(zhǎng), 但在水稻單作系統(tǒng)中增加趨勢(shì)不明顯。安輝等[38]通過(guò)田間定位試驗(yàn), 研究了有機(jī)稻蟹系統(tǒng)、常規(guī)稻蟹系統(tǒng)與水稻單作系統(tǒng)對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響, 發(fā)現(xiàn)有機(jī)稻蟹系統(tǒng)的土壤總有機(jī)碳(TOC)、活性有機(jī)碳 (LOC)含量均顯著提高, 且與有機(jī)肥用量呈正相關(guān)。陳曉云等[39]的 13 年定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明, 相較于單一水稻種植而言, 稻蟹共作模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量在最初 3~4 年內(nèi)有顯著增加, 后續(xù)的 10 年內(nèi)變化較小, 達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。佀國(guó)涵等[37,41]通過(guò)長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn), 研究了稻蝦共作模式對(duì)各層土壤理化性質(zhì)的影響, 發(fā)現(xiàn)相對(duì)于水稻單作模式, 長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了 0~25 cm 土層有機(jī)碳含量, 但降低了底層土壤(25~50 cm)的有機(jī)碳含量。管勤壯等[42]的田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明, 水稻單作與稻蝦共作系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈上升趨勢(shì), 且稻蝦共作系統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于水稻單作系統(tǒng), 但是低 C/N 飼料投喂會(huì)使土壤有機(jī)碳含量顯著下降。曹湊貴[30]等采用產(chǎn)業(yè)調(diào)查與定點(diǎn)試驗(yàn)相結(jié)合的方法, 對(duì)湖北省稻蝦共作模式進(jìn)行了深入分析, 結(jié)果表明土壤活性有機(jī)碳含量在不同年限的稻蝦共作系統(tǒng)中變化較大, 其中稻蝦共作系統(tǒng)的易氧化態(tài)有機(jī)碳含量顯著高于水稻單作系統(tǒng), 而溶解性有機(jī)碳含量則顯著低于水稻單作。從以上研究可以看出, 稻漁系統(tǒng)在增加土壤有機(jī)質(zhì)含量方面的結(jié)果是一致的, 而土壤有機(jī)碳的變化趨勢(shì)則可能會(huì)因土層深度、有機(jī)碳形態(tài)的不同。

　　2.2 土壤有機(jī)碳固定機(jī)制與影響因素

　　從本質(zhì)上來(lái)看, 增強(qiáng)土壤固碳能力實(shí)際上反映了有機(jī)碳在土壤中的儲(chǔ)存情況[14]。土壤有機(jī)碳的積累主要取決于外源有機(jī)質(zhì)的輸入和土壤原有碳庫(kù)中不同類型碳的礦化間的平衡。因此提升土壤碳庫(kù)主要通過(guò)增加碳輸入與減少碳損失這兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。我國(guó)學(xué)者從土壤團(tuán)聚體角度出發(fā), 對(duì)水稻土進(jìn)行了許多固碳機(jī)理的研究, 其固碳機(jī)制涉及團(tuán)聚體物理保護(hù)—化學(xué)結(jié)合—微生物功能群適應(yīng)與穩(wěn)定等 3 個(gè)方面的相互作用[13]。土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的實(shí)質(zhì)就是這 3 個(gè)過(guò)程在不同條件下的變化。水稻土碳礦化潛力較低[43]的原因可能是團(tuán)聚體的物理保護(hù)以及土壤中存在的碳化學(xué)結(jié)合。因此, 土壤有機(jī)碳的固定與土壤團(tuán)聚體的發(fā)育密切相關(guān)。除此以外, 水稻土固碳還與其中特殊的氧化鐵礦物固碳有關(guān)[15]。礦物吸附機(jī)制也是重要的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制之一[44]。因此, 水稻土碳礦化過(guò)程中存在的特殊生物地球化學(xué)過(guò)程可能是其相較于其他類型農(nóng)業(yè)土壤更有利于積累有機(jī)碳的原因[16]。

　　土壤有機(jī)碳的形成與周轉(zhuǎn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜, 受自然和人為因素(土壤性質(zhì)、氣候條件、耕作制度及田間管理方式等)影響[42,45]。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中, 通過(guò)采取適當(dāng)?shù)霓r(nóng)事管理措施, 可以有效發(fā)揮水稻土的固碳作用。目前, 我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的土壤固碳措施主要有秸稈還田、免耕、施用生物質(zhì)炭、施用動(dòng)物有機(jī)肥等[14,33]。其中, 秸稈還田和施肥主要通過(guò)增加外源碳輸入來(lái)促進(jìn)有機(jī)碳的積累。秸稈還田在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)還具有提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、增加作物產(chǎn)量的功能。Guo 等[46]研究表明, 秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤碳固定的貢獻(xiàn)約占 40%。Lu[47]的研究結(jié)果表明, 秸稈還田使我國(guó)表層(0~20 cm)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著提高了 12%。Xia 等[48]的研究結(jié)果表明, 提高動(dòng)物有機(jī)肥還田比例能夠顯著提高我國(guó)農(nóng)田表層(0~20 cm)土壤的固碳速率。免耕等保護(hù)性耕作主要通過(guò)減少土壤原有碳庫(kù)的分解來(lái)增加有機(jī)碳的積累。Zhao 等[49]的 meta 分析結(jié)果表明, 由傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)槊飧⒔Y(jié)合秸稈還田可以使我國(guó)農(nóng)田表層(0~30 cm)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提高 0.97 Mg?hm−2。生物質(zhì)炭具有特殊的物理結(jié)構(gòu), 近年來(lái)利用生物質(zhì)炭實(shí)現(xiàn)土壤固碳受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 能將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為惰性碳, 難以被微生物迅速礦化降解, 從而實(shí)現(xiàn)固碳[50-51]。目前, 上述措施對(duì)提高土壤有機(jī)碳的作用已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可, 但還需要對(duì)其固碳機(jī)理進(jìn)行深入研究。稻漁系統(tǒng)部分投入的肥料、飼料未被利用而殘留在稻田中, 再加之水產(chǎn)動(dòng)物取食田間的雜草、藻類、浮游動(dòng)物等資源后形成糞便還田, 長(zhǎng)期積累都促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的增加。除此以外, 長(zhǎng)期稻漁模式下, 魚、蝦、蟹等水產(chǎn)動(dòng)物的田間活動(dòng)攪動(dòng)土壤, 可以改善土壤的通氣性與孔隙結(jié)構(gòu)[39] , 增加土壤團(tuán)聚體數(shù)量、增強(qiáng)團(tuán)聚體的抗蝕能力與穩(wěn)定性[41] , 因此更有利于土壤有機(jī)碳的固持與存儲(chǔ)。針對(duì)稻漁系統(tǒng), 利用土壤—水稻—水產(chǎn)—微生物之間的相互作用機(jī)制, 構(gòu)建合理的技術(shù)體系是增加稻漁系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的發(fā)展方向, 這為人為調(diào)控稻漁系統(tǒng)的固碳提供了廣闊的空間。

　　3 稻漁系統(tǒng) CH4 排放特征與機(jī)制 3.1 CH4 排放特征

　　目前國(guó)內(nèi)外已對(duì)稻漁系統(tǒng)的 CH4 排放進(jìn)行了大量研究。在稻蝦、稻蟹、稻蛙等稻漁系統(tǒng)中, 學(xué)者得到的結(jié)論大部分是水產(chǎn)動(dòng)物的引入會(huì)減少 CH4 排放。Fang 等[52]在 2018—2019 年進(jìn)行了田間試驗(yàn), 以 6 種蛙密度的稻田為研究對(duì)象, 探究了稻蛙系統(tǒng)對(duì)水稻形態(tài)性狀和 CH4 排放的影響及其生態(tài)機(jī)制。結(jié)果表明, 稻蛙系統(tǒng)在 2018 年和 2019 年水稻生長(zhǎng)季分別使 CH4 排放量降低 24.70%~41.75%和 21.68%~51.21%。張怡彬等[53]在遼寧省開展的稻蟹共生微區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明, 與持續(xù)淹水水稻單作模式相比, 稻蟹共生降低了 13.5% 的 CH4 排放量以及 13.6%的 GWP; 而與曬田水稻單作相比, 稻蟹共生使 CH4 排放量增加 25.4%、GWP 增加 34.9%, 表明 CH4 排放與水分管理模式有較大關(guān)系。Hu 等[54]研究也表明, 與水稻單作相比, 稻田養(yǎng)蟹可顯著減少 38.7%的 CH4 排放量。但是 Wang 等[55]的研究表明, 與常規(guī)水稻單作相比, 稻蟹共生增加了 29.2%~36.8%的 CH4 排放量。徐祥玉等[56]在湖北省潛江市進(jìn)行的兩年(2015—2016 年)試驗(yàn)表明, 稻蝦共作田的 CH4 累積排放量比水稻單作田顯著降低 29.02%~41.19%。孫自川[57]對(duì)稻蝦共作系統(tǒng)溫室氣體排放的作用規(guī)律進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)稻季和整年的稻蝦模式顯著減少了 CH4 排放。

　　而關(guān)于稻魚系統(tǒng), 不同的研究結(jié)果存在差異且國(guó)內(nèi)外結(jié)果差異較大(表 1)。Sun 等[58]選取 3 種典型的稻田綜合種養(yǎng)模式(其中包含稻蝦和稻魚兩種稻漁共生系統(tǒng)), 利用 34 項(xiàng)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行 meta 分析, 結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)水稻單作系統(tǒng)相比, 稻蝦模式的 CH4排放量降低 24.9%, 而稻魚模式使 CH4排放量增加 11.6%; 綜合來(lái)看, 3 種稻田綜合種養(yǎng)模式的 GWP 比水稻單作系統(tǒng)低 6.5%, 其中稻蝦模式的 GWP 比水稻單作系統(tǒng)降低 18.0%, 而稻魚模式的 GWP 提高 20.8%。此外, 稻蝦和稻魚模式的溫室氣體強(qiáng)度(GHGI)分別增加 9.7%和 8.8%。Bhattacharyya 等[59]研究了 4 個(gè)魚品種對(duì)稻魚系統(tǒng) CH4 排放的影響, 發(fā)現(xiàn)與水稻單作相比, 稻魚系統(tǒng)的 CH4 排放量顯著增加 26%, 魚品種對(duì) CH4 排放有顯著影響, 稻田養(yǎng)殖普通鯉魚(Cyprinus carpio)CH4 的排放量最大, 比常規(guī)稻田高出 36%。Datta 等[60]在印度東部克塔克實(shí)地測(cè)量了稻魚系統(tǒng)和水稻單作系統(tǒng)的 CH4 通量, 結(jié)果表明稻魚系統(tǒng)增加了 74%~112%的 CH4 排放。Frei 等[61]在孟加拉國(guó)進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明, 魚類的存在增加了 CH4 排放, 整個(gè)生長(zhǎng)季水稻單作系統(tǒng) CH4 排放量為 499 kg?hm−2 , 稻魚系統(tǒng)排放量為 798~924 kg?hm−2。除了 CH4 排放量增加外, 還發(fā)現(xiàn)稻魚系統(tǒng)水中溶解氧濃度顯著下降, 這可能是導(dǎo)致 CH4排放增加的原因之一[62-63]。袁偉玲等[64]發(fā)現(xiàn), 稻田養(yǎng)鯽魚(Carassius auratus)可顯著降低整個(gè)水稻生育期的稻田 CH4 排放量, 相較于水稻單作系統(tǒng)可以減排 12%~16%。展茗等[65]研究表明, 稻魚系統(tǒng)的 CH4排放總量比水稻單作系統(tǒng)減少 6.4%, 但是兩者差異不顯著。劉小燕等[66-67]發(fā)現(xiàn), 稻魚系統(tǒng)顯著降低了 CH4 的排放通量和排放總量, 相比于常規(guī)稻田可實(shí)現(xiàn) CH4 減排 15%左右。戴振炎[68]在湖南省水稻田進(jìn)行了稻田養(yǎng)金魚的試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)水稻-金魚復(fù)合系統(tǒng)的 CH4 排放量與水稻單作相比明顯減少, 兩者的差異達(dá)到極顯著水平。有學(xué)者認(rèn)為, 魚類的生物擾動(dòng)可能促進(jìn)了土壤氣體交換, 提高土壤透氣性和水層溶解氧含量[69] , 通過(guò)改變土壤微生物所需的環(huán)境條件從而影響了 CH4 的產(chǎn)生與排放。

　　前人(尤其是國(guó)內(nèi)外學(xué)者之間)關(guān)于稻漁系統(tǒng) CH4 排放量的研究得出兩種不同的結(jié)論, 這可能與試驗(yàn)地的自然條件(土壤、氣候)以及試驗(yàn)過(guò)程中的田間管理措施(施肥、投料、水分管理、品種與密度選擇等)不同有關(guān)。稻田系統(tǒng)本身具有復(fù)雜性, 水產(chǎn)動(dòng)物的引入又必定會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響, 具體表現(xiàn)在養(yǎng)分循環(huán)與利用方面。目前關(guān)于稻漁系統(tǒng)改變 CH4 排放(增排或減排)主要?dú)w因于動(dòng)物在田間的行為活動(dòng)改變了稻田系統(tǒng)內(nèi)的水、土環(huán)境以及其中的微生物群落結(jié)構(gòu)與功能。

　　3.2 CH4 的產(chǎn)生與排放機(jī)制

　　CH4 排放到大氣前主要包括 CH4 產(chǎn)生、氧化以及運(yùn)輸 3 個(gè)過(guò)程[70-72]。研究這 3 個(gè)過(guò)程的主要機(jī)制和影響因素, 對(duì)于制定稻漁共生系統(tǒng)減排策略具有重要意義(圖 1)。

　　CH4 主要是由產(chǎn)甲烷菌在嚴(yán)格厭氧的環(huán)境中通過(guò)分解有機(jī)物產(chǎn)生[73-75]。稻田中水稻的根系和凋落物、雜草、藻類、微生物和有機(jī)肥等都是重要的有機(jī)物來(lái)源[76]。稻漁系統(tǒng)在全生育期內(nèi)處于淹水狀態(tài), 為產(chǎn)甲烷菌提供了理想的厭氧環(huán)境。在產(chǎn)甲烷菌的作用下, 有機(jī)物會(huì)被分解為乙酸或 CO2, 這兩種物質(zhì)是 CH4 生成的直接前體[77]。產(chǎn)生 CH4 的主要區(qū)域在稻田土壤耕作層的還原層(2~20 cm)[78] , 但不同的地區(qū)以及土壤類型可能會(huì)有所不同。在土壤中, 除了產(chǎn)甲烷菌以外, 還存在甲烷氧化菌, 能將產(chǎn)生的 CH4氧化成 CO2 [79] , 該氧化過(guò)程一般在有氧環(huán)境下進(jìn)行, 但也可以在厭氧情況下發(fā)生[80]。甲烷氧化菌存在于水稻根際帶和上層好氧表層, 其活性與 O2 濃度有關(guān)[81]。有研究表明, 在水稻生長(zhǎng)季產(chǎn)生的 CH4 在排放到大氣前約 60%~94%被氧化[82-84]。

　　CH4 以氣相或溶解的形式存在于稻田中, 但其在水中的溶解量較低。據(jù)估計(jì), 約有 33%~88%的 CH4 以氣相形式儲(chǔ)存在土壤中[85]。一般來(lái)說(shuō), CH4 從土壤排放到大氣有分子擴(kuò)散、氣泡、水稻的通氣組織等 3 種可能的機(jī)制[76,83-84]。擴(kuò)散是一個(gè)純物理、緩慢的排放過(guò)程。由于孔隙度的差異, CH4在不同質(zhì)地的土壤中擴(kuò)散速率不同, 表現(xiàn)為在砂土中擴(kuò)散最快[76]。以氣泡形式排放 CH4 比擴(kuò)散速度快, 主要發(fā)生在 CH4通量高的時(shí)候, 特別是在水稻生長(zhǎng)的早期。有研究發(fā)現(xiàn), 季節(jié)性 CH4 排放通量中約有 10%可歸因于最初幾周的氣泡運(yùn)輸[86]。水稻通氣組織是具有大量細(xì)胞間隙的薄壁組織, 以適應(yīng)淹水環(huán)境, 其主要功能是為水稻根系呼吸輸送氧氣, 稻田 CH4 排放主要以水稻通氣組織這一途徑實(shí)現(xiàn)[33,76]。

　　3.3 CH4 排放的影響因素

　　稻田 CH4 排放量的大小主要取決于 CH4 產(chǎn)生和氧化速率間的平衡以及水稻的通氣組織特性, 這 3 個(gè)過(guò)程受到多種相互作用因素的影響, 包括土壤、水等非生物環(huán)境及水稻品種、水產(chǎn)動(dòng)物類型等生物以及農(nóng)業(yè)管理方式等。

　　3.3.1 非生物環(huán)境

　　水產(chǎn)動(dòng)物通過(guò)改變水與土壤的理化性質(zhì)影響 CH4 排放。有學(xué)者發(fā)現(xiàn), 稻漁系統(tǒng)中水產(chǎn)動(dòng)物的活動(dòng)顯著改變了水中的溶解氧(DO)濃度[58,66,68]和土壤的氧化還原電位(Eh)[58,66-68]、可溶性有機(jī)碳含量[58,87]、銨態(tài)氮 (AN)含量[58]和溫度[87] , 這些因素的變化會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng) CH4的排放造成影響。由于產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性受 O2 濃度的影響, 稻田水、土環(huán)境中的 O2 含量是調(diào)控 CH4 產(chǎn)生和氧化的主要因素[76]。產(chǎn)甲烷菌對(duì)土壤 Eh 的變化特別敏感[88]。有研究表明, 當(dāng) Eh<−150 mV 時(shí), 產(chǎn)甲烷菌的活性增強(qiáng)[89] , CH4 排放與土壤 Eh 呈極顯著負(fù)相關(guān)[67]。此外, 土壤 Eh 還會(huì)影響 CH4 通過(guò)水稻通氣組織的運(yùn)輸, 較高的土壤 Eh 會(huì)降低通氣組織的形成和產(chǎn)甲烷菌的活性[90]。可溶性有機(jī)碳含量反映了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量, 而產(chǎn)甲烷菌又以有機(jī)質(zhì)為底物, 因此在厭氧條件下高可溶性有機(jī)碳含量會(huì)活化土壤中產(chǎn)甲烷菌而生產(chǎn) CH4 [91] , 研究發(fā)現(xiàn) CH4 排放量與可溶性有機(jī)碳含量增加呈正相關(guān)[92]。銨態(tài)氮主要是由于化肥施用而進(jìn)入稻漁系統(tǒng), 增加銨態(tài)氮和硝態(tài)氮會(huì)減少 CH4生成, 這可能是由于產(chǎn)甲烷菌對(duì)反硝化中間體(NO、NO2 − )敏感或者是由反硝化菌和產(chǎn)甲烷菌爭(zhēng)奪乙酸鹽引起的[93]。除此以外, 有些研究結(jié)果也表明, CH4 排放量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)[87]。土壤溫度降低, 導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解速率和氣體擴(kuò)散速度下降, 從而減少 CH4排放。

　　大部分研究認(rèn)為, 由于水產(chǎn)動(dòng)物在水中的活動(dòng)使水體渾濁, 較高的濁度降低了水生光合作用, 導(dǎo)致水中溶解氧含量下降[59,94] , 降低了土壤 Eh, 生成土壤的厭氧環(huán)境[62] , 提高了產(chǎn)甲烷菌的活性, 因而增加了 CH4 的排放[60]。水產(chǎn)動(dòng)物的生物擾動(dòng)也會(huì)使土壤中固定的 CH4 被釋放出來(lái)[60-61]。此外, 稻田養(yǎng)魚提高了土壤和水中的有機(jī)物含量, 魚類排泄物導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的有效性提高, 從而影響 CH4 產(chǎn)生及其后續(xù)排放[95]。但是也有研究認(rèn)為稻魚能夠減少 CH4 排放, 其原因可能是深水(稻魚系統(tǒng)水深一般在 20~40 cm)導(dǎo)致水稻根系活力降低, 對(duì)CH4的吸收減弱, 使得從水稻通氣組織中釋放的CH4減少[72] ; 除此以外, 深水也會(huì)降低CH4 以氣泡形式向外擴(kuò)散的速率。魚對(duì)水中浮游動(dòng)物的取食會(huì)減少溶解氧的消耗, 促進(jìn)了 CH4 的氧化和 CH4 排放減少[64]。

　　3.3.2 水稻品種、植物學(xué)特性與密度

　　水稻主要通過(guò)形態(tài)特征與生物學(xué)特性的差異影響 CH4 排放。已有研究顯示, 不同水稻品種[60,96-98]、水稻的形態(tài)學(xué)特征[99-100]與生物學(xué)特性會(huì)對(duì)稻田 CH4 的排放產(chǎn)生一定程度的影響。通過(guò)提高生物量和收獲指數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn), 是滿足全球日益增長(zhǎng)的糧食需求的關(guān)鍵措施。然而這兩條途徑對(duì)于稻田 CH4排放的影響還沒有統(tǒng)一定論。有研究者認(rèn)為, 水稻當(dāng)季光合產(chǎn)物是產(chǎn)甲烷菌的碳源, 因此水稻高產(chǎn)品種會(huì)加劇 CH4 的排放。但是 Jiang 等[101]通過(guò)一系列的試驗(yàn)表明, 增加水稻 10%的生物量可以減少中國(guó)水稻農(nóng)業(yè)每年 7.1% 的 CH4 排放。這是因?yàn)樗靖弋a(chǎn)品種顯著增加了根系孔隙度和土壤中甲烷氧化菌的豐度, 通過(guò)促進(jìn) O2 向土壤的遷移, 從而增加了 CH4 氧化。但是這種減排效果取決于土壤有機(jī)質(zhì)水平, 當(dāng)?shù)咎锿寥烙袡C(jī)質(zhì)高于 2.1% 時(shí), 高產(chǎn)品種會(huì)表現(xiàn)出減少CH4排放。通過(guò)提高收獲指數(shù)培育出來(lái)的水稻高產(chǎn)品種可能會(huì)降低CH4排放, 這是因?yàn)楸３稚锪恳恢聲r(shí), 收獲指數(shù)的增加會(huì)減少水稻根系分泌物的產(chǎn)生, 而根系分泌物是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生 CH4 的基質(zhì)[102-103] , 會(huì)促進(jìn) CH4 的產(chǎn)生[104]。然而, Jiang 等[105]的研究表明, 收獲指數(shù)的提高對(duì)水稻生長(zhǎng)后期或長(zhǎng)期淹水稻田的 CH4 排放影響較顯著。現(xiàn)代高產(chǎn)水稻品種的收獲指數(shù)約為 0.55, 已經(jīng)達(dá)到較高水平, 提升空間較小, 通過(guò)提高收獲指數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) CH4 減排的潛力非常有限, 值得進(jìn)一步探討[105]。

　　水稻根系除了會(huì)通過(guò)分泌物影響 CH4 的生成以外, 還會(huì)通過(guò)泌氧能力影響 CH4 的氧化。泌氧能力與 CH4 排放通量呈負(fù)相關(guān)[52] , 這是因?yàn)?O2 含量增加促進(jìn)了 CH4的氧化。除此以外, 也有學(xué)者發(fā)現(xiàn), 稻田 CH4 排放量與根體積、根長(zhǎng)度和根系孔隙度相關(guān)[106-107]。水稻根系是導(dǎo)致品種間 CH4 排放差異大的原因[97]。水稻分蘗特性會(huì)影響 CH4的運(yùn)輸過(guò)程, 水稻的分蘗數(shù)與 CH4 排放量呈正相關(guān)[107-109]。水稻葉片進(jìn)行蒸騰作用, 影響 CH4 的排放, 葉片蒸騰速率與 CH4 排放呈正相關(guān)[107]。水稻是稻田向外排放 CH4 的主要途徑之一, 因此水稻的種植密度會(huì)影響 CH4 的排放量, 稀植可以降低排放[110]。除此以外, 種植密度會(huì)改變水稻的形態(tài)性狀 [111] , 從而間接影響 CH4 排放。因此, 選擇合適的水稻密度至關(guān)重要[112]。關(guān)于水稻種植密度、品種和特性對(duì) CH4 排放的影響目前還沒有統(tǒng)一結(jié)論, 未來(lái)還需要因地制宜進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

　　3.3.3 水產(chǎn)動(dòng)物的密度與品種

　　水產(chǎn)動(dòng)物通過(guò)放養(yǎng)密度及其所處生態(tài)位的差異影響稻田 CH4 排放。目前對(duì)于稻漁系統(tǒng)是否會(huì)降低 CH4 排放還沒有統(tǒng)一結(jié)論, 這也可能與水產(chǎn)動(dòng)物的放養(yǎng)密度和品種有關(guān)(表 1)。若水產(chǎn)動(dòng)物投放密度過(guò)高, 過(guò)多的排泄物為產(chǎn)甲烷菌提供額外的碳源; 動(dòng)物的呼吸作用消耗更多氧氣而形成厭氧環(huán)境, 導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的活性增加, 使產(chǎn)出的 CH4 增加。但也有研究顯示, CH4 的排放量會(huì)隨著水產(chǎn)動(dòng)物數(shù)量的增加而降低[52,110]。

　　Bhattacharyya 等[59]研究表明魚的品種對(duì)于 CH4 排放有顯著影響。這可能是由于不同種類的魚在水中的生態(tài)位不同導(dǎo)致的。例如, 普通鯉魚是雜食性的底層食腐動(dòng)物, 它們?cè)谕寥乐袑ふ沂澄锏牧?xí)慣[113]會(huì)導(dǎo)致 CH4 從土壤中擴(kuò)散, 從而通過(guò)水稻植株排放到大氣中。而像卡拉鲃(Catla catla)、羅希塔紅唇(Labeo rohita) 等主要分布在水的中、上層, 對(duì)土壤影響較小, 對(duì) CH4 的釋放量的影響較普通鯉魚少。Frei 等[63]研究也表明, 稻魚系統(tǒng)中魚的種類組成可能會(huì)對(duì)該系統(tǒng)的生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響。

　　3.3.4 田間管理方式

　　田間管理通過(guò)水稻—土壤—微生物的共同作用影響著 CH4 排放。土壤碳氮比(C/N)是影響淹水水稻土壤 CH4 生成的重要因素, CH4 的產(chǎn)生和排放與 C/N 呈正相關(guān)[72]。秸稈還田和施肥是影響水稻土壤 C/N 的兩個(gè)重要農(nóng)業(yè)措施。秸稈還田初期, 秸稈為產(chǎn)甲烷菌提供了大量的碳源, CH4 大量產(chǎn)生。與此同時(shí), 水稻根系生長(zhǎng)受抑, 影響 O2 輸送, 甲烷氧化菌活性低, 因而 CH4 排放高。但是隨著秸稈還田時(shí)間的推移, 土壤肥力明顯改善, 水稻根系生長(zhǎng)發(fā)育旺盛, 促進(jìn) O2 輸送, 提高了甲烷氧化菌的活性, 因而 CH4 排放又會(huì)降低。水稻田的 CH4排放受到肥料種類的影響。有研究表明, 施氮肥可減少 30%~50%的 CH4排放[114]。相比于尿素, 施用銨基氮肥有降低 CH4 排放的潛力[115]。稻田施用硫酸銨可減少 25%~36%的 CH4 排放[116-117]。施鉀肥會(huì)導(dǎo)致土壤 Eh 下降, 減少 CH4 產(chǎn)生, 促進(jìn) CH4 氧化, 從而減少 CH4 排放[118]。生物肥料能夠持續(xù)改善土壤, 減少稻田的 CH4 排放[119-120]。除此以外, 有 meta 分析結(jié)果表明, 施用適量的生物炭、節(jié)水灌溉以及免耕少耕等措施都有利于稻田 CH4 減排[121]。從以上研究結(jié)果可以看出, 稻漁系統(tǒng)對(duì) CH4 排放的影響主要通過(guò)改變產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的生活環(huán)境而影響 CH4 的產(chǎn)生與氧化。具體而言, 一方面通過(guò)為產(chǎn)甲烷菌提供更多的碳源或者創(chuàng)造厭氧環(huán)境, 促進(jìn) CH4 的產(chǎn)生過(guò)程; 另一方面通過(guò)為甲烷氧化菌提供更多 O2, 促進(jìn) CH4 氧化過(guò)程。

　　4 展望

　　稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和 CH4 排放雖然國(guó)內(nèi)的研究已取得一些進(jìn)展, 但目前稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)碳增加的可能機(jī)理仍未闡明。稻漁系統(tǒng)對(duì) CH4 排放影響的研究結(jié)果存在較大差異, 這可能與研究地點(diǎn)的氣候、土壤條件、耕作方式等因素不同有關(guān)。因此, 未來(lái)稻漁系統(tǒng)的碳固持和碳排放的研究重點(diǎn)以下 3 個(gè)方面。

　　1)稻漁系統(tǒng)的碳固定與 CH4 排放的特征。長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)研究稻漁系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化、CH4排放特征; 定位研究水稻生產(chǎn)不同區(qū)域、不同稻漁復(fù)合種養(yǎng)模式下土壤碳固定與 CH4 排放的差異; 通過(guò)長(zhǎng)期定位觀測(cè)研究, 闡明稻漁系統(tǒng)土壤碳庫(kù)變化和 CH4 排放的基本規(guī)律和影響因素。

　　2)稻漁系統(tǒng)土壤碳固持和 CH4 排放的機(jī)理。稻田系統(tǒng)引入水產(chǎn)動(dòng)物, 碳循環(huán)過(guò)程比水稻單作系統(tǒng)變得更為復(fù)雜, 稻漁系統(tǒng)的 CH4 排放與有機(jī)碳固定受水稻—水產(chǎn)動(dòng)物—土壤—微生物的共同影響。因此, 可通過(guò)研究明確碳元素在生物之間的分配、轉(zhuǎn)化過(guò)程及微生物利用特征, 揭示稻漁系統(tǒng)碳運(yùn)轉(zhuǎn)和 CH4排放的機(jī)理。

　　3)稻漁系統(tǒng)增強(qiáng)碳固定降低 CH4 排放的措施。開展低 CH4 排放水稻的育種和品種篩選; 通過(guò)大量的田間對(duì)比試驗(yàn), 研究水稻與水產(chǎn)動(dòng)物群體的配比、飼料和肥料投入比例、稻田水分管理模式、稻漁種養(yǎng)下的秸稈還田策略等, 建出適用于稻漁系統(tǒng)的固碳減排技術(shù)體系。