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放養(yǎng)一定數(shù)量水產(chǎn)動物的復(fù)合稻作體系。稻漁系統(tǒng)中水稻和水產(chǎn)動物相互作用影響著稻田系統(tǒng)碳氮等元素的運轉(zhuǎn)和循環(huán), 對稻田系統(tǒng)碳固持和碳排放是否和如何產(chǎn)生影響也受到關(guān)注。基于國內(nèi)外的研究報道, 本文分析了稻漁系統(tǒng)土壤有機碳和甲烷(CH4)排放特征和影響因素。在土壤有機碳固持方面, 與水稻單作系統(tǒng)相比, 稻漁系統(tǒng)土壤(0~20 cm)有機碳總體呈增加趨勢, 主要與水產(chǎn)動物取食與排泄物轉(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。論文提出未來稻漁系統(tǒng)土壤有機碳固持和 CH4 排放的研究應(yīng)聚焦在: 1)長期定位監(jiān)測研究稻漁系統(tǒng)土壤有機碳庫的變化、CH4等氣體排放; 通過長期定位觀測, 研究稻漁系統(tǒng)有機碳庫和CH4排放的動態(tài)特征; 2)研究不同水產(chǎn)動物對稻田系統(tǒng)土壤碳庫和CH4等氣體排放的影響機理; 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)動物; 土壤碳固持; 土壤有機碳; 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 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文)2022-01-13

　　大氣溫室氣體增加、氣候變化是人類社會面臨的主要環(huán)境挑戰(zhàn)。為此, 世界各國以全球協(xié)約的方式減少溫室氣體排放, 我國由此提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值, 努力爭取2060年前實現(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, 因而實現(xiàn)碳中和需要從固碳和減排兩個方面進(jìn)行。盡管目前我國提出的“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(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, 其對大氣溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)為 19%[1]。在 100 年的時間跨度內(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[3-4]。因此, 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的 CH4 排放是碳減排的重要方面。中國是世界上最重要的水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)國之一, 占世界水稻生產(chǎn)面積的 20%、占中國所有耕地面積的 23%[2]。稻田作為一個典型的農(nóng)業(yè)濕地, 由于水分狀況以及有機和無機肥料的投入, 已被證明是大氣 CH4 的主要來源[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于減緩全球變暖是必要的[12]。同時, 水稻土作為長期水耕熟化下形成的人為土壤, 具有固碳趨勢明顯、固碳潛力較大的特點[13-16]。1979 年第 2 次全國土壤普查以來, 水稻土每年多固定 900 多萬噸碳, 占據(jù)中國農(nóng)業(yè)土壤每年固碳增量(3400 萬 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, 對稻田系統(tǒng)的固碳潛力進(jìn)行研究關(guān)系著我國未來糧食安全和整個農(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放養(yǎng)一定數(shù)量的水產(chǎn)動物的農(nóng)作方式。近 20 多年來, 稻漁系統(tǒng)在我國快速發(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] , 這些變化是否對碳排放和土壤碳固持產(chǎn)生影響?國內(nèi)外也開展了較多研究。本文對國內(nèi)外在稻漁系統(tǒng)中土壤有機碳的特點、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)。我國是世界上最早開展稻田養(yǎng)魚的國家, 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, 馬來西亞、孟加拉、日本、印度等國家在 20 世紀(jì)初也開始進(jìn)行稻田養(yǎng)魚的實踐。直到 20 世紀(jì)中期, 全球稻作區(qū)共有 28 個國家都有了稻魚系統(tǒng)的分布[24]。在我國, 由于近年來得到國家的重點推廣和政策的支持, 該模式在全國范圍內(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, 經(jīng)過長期的實踐, 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, 2019年我國稻漁綜合種養(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 2.90×106 t, 其中又以湖北、湖南、四川和安徽等 4 個省份的種養(yǎng)面積最大, 均超過 2.67×105 hm2 , 僅這 4 個省份的稻漁種養(yǎng)面積就占全國總種養(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稻漁種養(yǎng)總面積的 98%左右[25]。我國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)動物提供蔭蔽場所, 同時附著在水稻上的生物以及稻田中的微生物等為水產(chǎn)動物提供了額外的食物資源, 水產(chǎn)動物的活動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)分來源[30] , 因此可以通過水稻和水產(chǎn)動物這兩種生物之間資源的互補利用實現(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)藥所帶來的環(huán)境污染問題。此外, 水產(chǎn)動物對土壤的擾動可促進(jìn)養(yǎng)分釋放, 有利于水稻根系對養(yǎng)分的吸收, 提高養(yǎng)分有效性和利用率。

　　2 稻漁系統(tǒng)土壤固碳特征與機制 2.1 土壤固碳特征

　　土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫[31] , 對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)作物通過光合作用將 CO2 和水合成碳水化合物, 以有機碳的形式固定在自身體內(nèi), 通過根茬、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)定的有機質(zhì)固存于土壤中[32] , 實現(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% 通過固定土壤有機碳實現(xiàn)[13]。在 1980s 至 2000s 時間里, 我國農(nóng)田土壤碳庫呈現(xiàn)增長趨勢[33]。土壤有機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。長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐表明, 維持土壤有機碳平衡及增長對于土地生產(chǎn)力的可持續(xù)至關(guān)重要。有機碳的積累是水稻土水耕熟化過程中的普遍趨勢, 20 世紀(jì) 80 年代以來, 我國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)中土壤有機質(zhì)含量與有機碳的變化特征一直以來都是該領(lǐng)域重點關(guān)注的問題。稻漁系統(tǒng)中, 水產(chǎn)動物的掘食與擾動可以疏松土壤, 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, 水產(chǎn)動物排泄物可以增加稻田土壤有機質(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)動物在稻田中取食、排泄和打洞等習(xí)性活動, 以及對于土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的影響都會對該系統(tǒng)中土壤有機質(zhì)和有機碳的變化造成影響[30,37-39]。Guo 等[40]對全國稻作區(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)土壤有機質(zhì)含量均高于對應(yīng)的水稻單作系統(tǒng); 同時連續(xù) 7 年(2012—2018 年)的田間試驗結(jié)果也表明, 稻漁系統(tǒng)土壤有機質(zhì)含量會隨年限增加而增長, 但在水稻單作系統(tǒng)中增加趨勢不明顯。安輝等[38]通過田間定位試驗, 研究了有機稻蟹系統(tǒng)、常規(guī)稻蟹系統(tǒng)與水稻單作系統(tǒng)對土壤活性有機碳的影響, 發(fā)現(xiàn)有機稻蟹系統(tǒng)的土壤總有機碳(TOC)、活性有機碳 (LOC)含量均顯著提高, 且與有機肥用量呈正相關(guān)。陳曉云等[39]的 13 年定位監(jiān)測試驗結(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)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。佀國涵等[37,41]通過長期田間定位試驗, 研究了稻蝦共作模式對各層土壤理化性質(zhì)的影響, 發(fā)現(xiàn)相對于水稻單作模式, 長期稻蝦共作模式顯著提高了 0~25 cm 土層有機碳含量, 但降低了底層土壤(25~50 cm)的有機碳含量。管勤壯等[42]的田間定位試驗結(jié)果表明, 水稻單作與稻蝦共作系統(tǒng)中土壤有機質(zhì)含量均呈上升趨勢, 且稻蝦共作系統(tǒng)土壤有機質(zhì)含量顯著高于水稻單作系統(tǒng), 但是低 C/N 飼料投喂會使土壤有機碳含量顯著下降。曹湊貴[30]等采用產(chǎn)業(yè)調(diào)查與定點試驗相結(jié)合的方法, 對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)有機碳含量顯著高于水稻單作系統(tǒng), 而溶解性有機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)在增加土壤有機質(zhì)含量方面的結(jié)果是一致的, 而土壤有機碳的變化趨勢則可能會因土層深度、有機碳形態(tài)的不同。

　　2.2 土壤有機碳固定機制與影響因素

　　從本質(zhì)上來看, 增強土壤固碳能力實際上反映了有機碳在土壤中的儲存情況[14]。土壤有機碳的積累主要取決于外源有機質(zhì)的輸入和土壤原有碳庫中不同類型碳的礦化間的平衡。因此提升土壤碳庫主要通過增加碳輸入與減少碳損失這兩方面來實現(xiàn)。我國學(xué)者從土壤團(tuán)聚體角度出發(fā), 對水稻土進(jìn)行了許多固碳機理的研究, 其固碳機制涉及團(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 個方面的相互作用[13]。土壤有機碳動態(tài)變化的實質(zhì)就是這 3 個過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]。礦物吸附機制也是重要的土壤有機碳穩(wěn)定機制之一[44]。因此, 水稻土碳礦化過程中存在的特殊生物地球化學(xué)過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碳的原因[16]。

　　土壤有機碳的形成與周轉(zhuǎn)過程相對復(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]。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中, 通過采取適當(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、施用動物有機肥等[14,33]。其中, 秸稈還田和施肥主要通過增加外源碳輸入來促進(jìn)有機碳的積累。秸稈還田在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時還具有提高土壤有機質(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, 秸稈還田使我國表層(0~20 cm)土壤有機碳儲量顯著提高了 12%。Xia 等[48]的研究結(jié)果表明, 提高動物有機肥還田比例能夠顯著提高我國農(nóng)田表層(0~20 cm)土壤的固碳速率。免耕等保護(hù)性耕作主要通過減少土壤原有碳庫的分解來增加有機碳的積累。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農(nóng)田表層(0~30 cm)土壤有機碳儲量提高 0.97 Mg?hm−2。生物質(zhì)炭具有特殊的物理結(jié)構(gòu), 近年來利用生物質(zhì)炭實現(xiàn)土壤固碳受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 能將有機碳轉(zhuǎn)化為惰性碳, 難以被微生物迅速礦化降解, 從而實現(xiàn)固碳[50-51]。目前, 上述措施對提高土壤有機碳的作用已得到國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可, 但還需要對其固碳機理進(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)動物取食田間的雜草、藻類、浮游動物等資源后形成糞便還田, 長期積累都促進(jìn)了土壤有機質(zhì)的增加。除此以外, 長期稻漁模式下, 魚、蝦、蟹等水產(chǎn)動物的田間活動攪動土壤, 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碳的固持與存儲。針對稻漁系統(tǒng), 利用土壤—水稻—水產(chǎn)—微生物之間的相互作用機制, 構(gòu)建合理的技術(shù)體系是增加稻漁系統(tǒng)碳儲量的發(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 排放特征與機制 3.1 CH4 排放特征

　　目前國內(nèi)外已對稻漁系統(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)動物的引入會減少 CH4 排放。Fang 等[52]在 2018—2019 年進(jìn)行了田間試驗, 以 6 種蛙密度的稻田為研究對象, 探究了稻蛙系統(tǒng)對水稻形態(tài)性狀和 CH4 排放的影響及其生態(tài)機制。結(jié)果表明, 稻蛙系統(tǒng)在 2018 年和 2019 年水稻生長季分別使 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度(GHGI)分別增加 9.7%和 8.8%。Bhattacharyya 等[59]研究了 4 個魚品種對稻魚系統(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 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地測量了稻魚系統(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]在孟加拉國進(jìn)行的試驗研究表明, 魚類的存在增加了 CH4 排放, 整個生長季水稻單作系統(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, 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, 這可能與試驗地的自然條件(土壤、氣候)以及試驗過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)動物的引入又必定會對其產(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)主要歸因于動物在田間的行為活動改變了稻田系統(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)生與排放機制

　　CH4 排放到大氣前主要包括 CH4 產(chǎn)生、氧化以及運輸 3 個過程[70-72]。研究這 3 個過程的主要機制和影響因素, 對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)境中通過分解有機物產(chǎn)生[73-75]。稻田中水稻的根系和凋落物、雜草、藻類、微生物和有機肥等都是重要的有機物來源[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, 有機物會被分解為乙酸或 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, 約有 33%~88%的 CH4 以氣相形式儲存在土壤中[85]。一般來說, CH4 從土壤排放到大氣有分子擴散、氣泡、水稻的通氣組織等 3 種可能的機制[76,83-84]。擴散是一個純物理、緩慢的排放過程。由于孔隙度的差異, CH4在不同質(zhì)地的土壤中擴散速率不同, 表現(xiàn)為在砂土中擴散最快[76]。以氣泡形式排放 CH4 比擴散速度快, 主要發(fā)生在 CH4通量高的時候, 特別是在水稻生長的早期。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 個過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)動物通過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)動物的活動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] , 這些因素的變化會對整個系統(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)甲烷菌對土壤 Eh 的變化特別敏感[88]。有研究表明, 當(dāng) Eh<−150 mV 時, 產(chǎn)甲烷菌的活性增強[89] , CH4 排放與土壤 Eh 呈極顯著負(fù)相關(guān)[67]。此外, 土壤 Eh 還會影響 CH4 通過水稻通氣組織的運輸, 較高的土壤 Eh 會降低通氣組織的形成和產(chǎn)甲烷菌的活性[90]。可溶性有機碳含量反映了土壤中有機質(zhì)的含量, 而產(chǎn)甲烷菌又以有機質(zhì)為底物, 因此在厭氧條件下高可溶性有機碳含量會活化土壤中產(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)氮會減少 CH4生成, 這可能是由于產(chǎn)甲烷菌對反硝化中間體(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)致有機質(zhì)降解速率和氣體擴散速度下降, 從而減少 CH4排放。

　　大部分研究認(rèn)為, 由于水產(chǎn)動物在水中的活動使水體渾濁, 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)動物的生物擾動也會使土壤中固定的 CH4 被釋放出來[60-61]。此外, 稻田養(yǎng)魚提高了土壤和水中的有機物含量, 魚類排泄物導(dǎo)致土壤有機質(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, 深水也會降低CH4 以氣泡形式向外擴散的速率。魚對水中浮游動物的取食會減少溶解氧的消耗, 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)特性會對稻田 CH4 的排放產(chǎn)生一定程度的影響。通過提高生物量和收獲指數(shù)來實現(xiàn)水稻高產(chǎn), 是滿足全球日益增長的糧食需求的關(guān)鍵措施。然而這兩條途徑對于稻田 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)品種會加劇 CH4 的排放。但是 Jiang 等[101]通過一系列的試驗表明, 增加水稻 10%的生物量可以減少中國水稻農(nóng)業(yè)每年 7.1% 的 CH4 排放。這是因為水稻高產(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質(zhì)水平, 當(dāng)?shù)咎锿寥烙袡C質(zhì)高于 2.1% 時, 高產(chǎn)品種會表現(xiàn)出減少CH4排放。通過提高收獲指數(shù)培育出來的水稻高產(chǎn)品種可能會降低CH4排放, 這是因為保持生物量一致時, 收獲指數(shù)的增加會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)的提高對水稻生長后期或長期淹水稻田的 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, 通過提高收獲指數(shù)來實現(xiàn) CH4 減排的潛力非常有限, 值得進(jìn)一步探討[105]。

　　水稻根系除了會通過分泌物影響 CH4 的生成以外, 還會通過泌氧能力影響 CH4 的氧化。泌氧能力與 CH4 排放通量呈負(fù)相關(guān)[52] , 這是因為 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]。水稻分蘗特性會影響 CH4的運輸過程, 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 CH4 排放的影響目前還沒有統(tǒng)一結(jié)論, 未來還需要因地制宜進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

　　3.3.3 水產(chǎn)動物的密度與品種

　　水產(chǎn)動物通過放養(yǎng)密度及其所處生態(tài)位的差異影響稻田 CH4 排放。目前對于稻漁系統(tǒng)是否會降低 CH4 排放還沒有統(tǒng)一結(jié)論, 這也可能與水產(chǎn)動物的放養(yǎng)密度和品種有關(guān)(表 1)。若水產(chǎn)動物投放密度過高, 過多的排泄物為產(chǎn)甲烷菌提供額外的碳源; 動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 的排放量會隨著水產(chǎn)動物數(shù)量的增加而降低[52,110]。

　　Bhattacharyya 等[59]研究表明魚的品種對于 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物, 它們在土壤中尋找食物的習(xí)慣[113]會導(dǎo)致 CH4 從土壤中擴散, 從而通過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, 對土壤影響較小, 對 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對該系統(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, 水稻根系生長受抑, 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間的推移, 土壤肥力明顯改善, 水稻根系生長發(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 CH4 排放的影響主要通過改變產(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)生過程; 另一方面通過為甲烷氧化菌提供更多 O2, 促進(jìn) CH4 氧化過程。

　　4 展望

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

　　1)稻漁系統(tǒng)的碳固定與 CH4 排放的特征。長期定位監(jiān)測研究稻漁系統(tǒng)中土壤有機碳庫的變化、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; 通過長期定位觀測研究, 闡明稻漁系統(tǒng)土壤碳庫變化和 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 排放的機理。稻田系統(tǒng)引入水產(chǎn)動物, 碳循環(huán)過程比水稻單作系統(tǒng)變得更為復(fù)雜, 稻漁系統(tǒng)的 CH4 排放與有機碳固定受水稻—水產(chǎn)動物—土壤—微生物的共同影響。因此, 可通過研究明確碳元素在生物之間的分配、轉(zhuǎn)化過程及微生物利用特征, 揭示稻漁系統(tǒng)碳運轉(zhuǎn)和 CH4排放的機理。

　　3)稻漁系統(tǒng)增強碳固定降低 CH4 排放的措施。開展低 CH4 排放水稻的育種和品種篩選; 通過大量的田間對比試驗, 研究水稻與水產(chǎn)動物群體的配比、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。