稻漁系統(tǒng)碳固持與甲烷排放特征*

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

(浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 杭州 310058)

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(shí)現(xiàn)碳中和”這一目標(biāo)?！疤贾泻汀笔侵柑嫉墓潭颗c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。盡管目前我國提出的“凈零排放”更加側(cè)重于二氧化碳(CO), 但世界普遍關(guān)注與認(rèn)可的是總碳排放, 包括甲烷(CH)等非CO溫室氣體, 并以CO的全球增溫潛勢(GWP)為參照, 統(tǒng)一折算為CO排放當(dāng)量(CO-eq)。

農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)者之一, CH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%。在100年的時(shí)間跨度內(nèi), CH的GWP是CO的28倍, 并且其濃度以平均每年約0.5%～1.0%的速度增長。因此, 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的CH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%。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)和無機(jī)肥料的投入, 已被證明是大氣CH的主要來源, 稻田排放的CH約占全球總排放量的10%～13%。因此, 控制稻田溫室氣體排放對于減緩全球變暖是必要的。同時(shí), 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(diǎn)。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%, 固碳能力顯著高于其他類型(例如旱地)的農(nóng)業(yè)土壤。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(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(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。

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, 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(jī)碳的特點(diǎn)、CH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, 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)。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(shí)踐。直到20世紀(jì)中期, 全球稻作區(qū)共有28個(gè)國家都有了稻魚系統(tǒng)的分布。在我國, 由于近年來得到國家的重點(diǎn)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。同時(shí), 經(jīng)過長期的實(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。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2019年我國稻漁綜合種養(yǎng)面積接近2.33×10hm,水稻產(chǎn)量達(dá)1.75×10t, 水產(chǎn)品產(chǎn)量超過2.90×10t, 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2.67×10hm, 僅這4個(gè)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。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)?；姆N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。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, 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(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, 其糞便也可作為水稻的養(yǎng)分來源, 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(bǔ)利用實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥的減量, 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(jī)制

2.1 土壤固碳特征

土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫,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CO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, 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 CO-eq,其中有90%通過固定土壤有機(jī)碳實(shí)現(xiàn)。在1980s至2000s時(shí)間里, 我國農(nóng)田土壤碳庫呈現(xiàn)增長趨勢。

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)碳平衡及增長對于土地生產(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, 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都是該領(lǐng)域重點(diǎn)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)。同時(shí), 水產(chǎn)動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。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(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的變化造成影響。Guo等對全國稻作區(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(jī)質(zhì)含量均高于對應(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。安輝等通過田間定位試驗(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)。陳曉云等的13年定位監(jiān)測試驗(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)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。佀國涵等通過長期田間定位試驗(yàn), 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(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, 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飼料投喂會使土壤有機(jī)碳含量顯著下降。曹湊貴等采用產(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)碳的變化趨勢則可能會因土層深度、有機(jī)碳形態(tài)的不同而不同。

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)碳在土壤中的儲存情況。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(shí)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(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。土壤有機(jī)碳動態(tài)變化的實(shí)質(zhì)就是這3個(gè)過程在不同條件下的變化。水稻土碳礦化潛力較低的原因可能是團(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)。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。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(jī)碳的原因。

土壤有機(jī)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。在實(shí)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(jī)肥等。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(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的研究結(jié)果表明, 秸稈還田使我國表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳儲量顯著提高了12%。Xia等的研究結(jié)果表明, 提高動物有機(jī)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(jī)碳的積累。Zhao等的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(jī)碳儲量提高0.97 Mg·hm。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(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。目前, 上述措施對提高土壤有機(jī)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(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(jī)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), 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, 因此更有利于土壤有機(jī)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(jī)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(jī)制

3.1 CH4排放特征

目前國內(nèi)外已對稻漁系統(tǒng)的CH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CH排放。Fang等在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象, 探究了稻蛙系統(tǒng)對水稻形態(tài)性狀和CH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年水稻生長季分別使CH排放量降低24.70%～41.75%和21.68%～51.21%。張怡彬等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CH排放量以及13.6%的GWP;而與曬田水稻單作相比, 稻蟹共生使CH排放量增加25.4%、GWP增加34.9%, 表明CH排放與水分管理模式有較大關(guān)系。Hu等研究也表明, 與水稻單作相比, 稻田養(yǎng)蟹可顯著減少38.7%的CH排放量。但是Wang等的研究表明, 與常規(guī)水稻單作相比,稻蟹共生增加了29.2%～36.8%的CH排放量。徐祥玉等在湖北省潛江市進(jìn)行的兩年(2015-2016年)試驗(yàn)表明, 稻蝦共作田的CH累積排放量比水稻單作田顯著降低29.02%～41.19%。孫自川對稻蝦共作系統(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CH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CH排放量降低24.9%, 而稻魚模式使CH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(qiáng)度(GHGI)分別增加9.7%和8.8%。Bhattacharyya等研究了4個(gè)魚品種對稻魚系統(tǒng)CH排放的影響, 發(fā)現(xiàn)與水稻單作相比, 稻魚系統(tǒng)的CH排放量顯著增加26%, 魚品種對CH排放有顯著影響, 稻田養(yǎng)殖普通鯉魚(Cyprinus carpio) CH的排放量最大, 比常規(guī)稻田高36%。Datta等在印度東部克塔克實(shí)地測量了稻魚系統(tǒng)和水稻單作系統(tǒng)的CH通量, 結(jié)果表明稻魚系統(tǒng)增加了74%～112%的CH排放。Frei等在孟加拉國進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明, 魚類的存在增加了CH排放, 整個(gè)生長季水稻單作系統(tǒng)CH排放量為499 kg·hm, 稻魚系統(tǒng)排放量為798～924 kg·hm。除CH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CH排放增加的原因之一。袁偉玲等發(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CH排放量, 相較于水稻單作系統(tǒng)可以減排12%～16%。展茗等研究表明, 稻魚系統(tǒng)的CH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。劉小燕等發(fā)現(xiàn), 稻魚系統(tǒng)顯著降低了CH的排放通量和排放總量, 相比于常規(guī)稻田可實(shí)現(xiàn)CH減排15%左右。戴振炎在湖南省水稻田進(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CH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, 通過改變土壤微生物所需的環(huán)境條件從而影響了CH的產(chǎn)生與排放。

表1 稻魚系統(tǒng)對稻田CH4排放的影響Table 1 Effect of rice-fish system on CH4 emission in paddy fields

前人(尤其是國內(nèi)外學(xué)者之間)關(guān)于稻漁系統(tǒng)CH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CH排放(增排或減排)主要?dú)w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(jī)制

CH排放到大氣前主要包括CH產(chǎn)生、氧化以及運(yùn)輸3個(gè)過程。研究這3個(gè)過程的主要機(jī)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)。

圖1 稻漁系統(tǒng)CH4產(chǎn)生與排放過程Fig.1 Production and emission process of CH4 in rice-fish system

CH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(jī)物產(chǎn)生。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)物來源。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)物會被分解為乙酸或CO, 這兩種物質(zhì)是CH生成的直接前體。產(chǎn)生CH的主要區(qū)域在稻田土壤耕作層的還原層(2～20 cm), 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CH氧化成CO, 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。甲烷氧化菌存在于水稻根際帶和上層好氧表層, 其活性與O濃度有關(guān)。有研究表明, 在水稻生長季產(chǎn)生的CH在排放到大氣前約60%～94%被氧化。

CH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CH以氣相形式儲存在土壤中。一般來說, CH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。擴(kuò)散是一個(gè)純物理、緩慢的排放過程。由于孔隙度的差異, CH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。以氣泡形式排放CH比擴(kuò)散速度快, 主要發(fā)生在CH通量高的時(shí)候, 特別是在水稻生長的早期。有研究發(fā)現(xiàn), 季節(jié)性CH排放通量中約有10%可歸因于最初幾周的氣泡運(yùn)輸。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CH排放主要以水稻通氣組織這一途徑實(shí)現(xiàn)。

3.3 CH4排放的影響因素

稻田CH排放量的大小主要取決于CH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CH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)濃度和土壤的氧化還原電位(Eh)、可溶性有機(jī)碳含量、銨態(tài)氮(AN)含量和溫度, 這些因素的變化會對整個(gè)系統(tǒng)CH的排放造成影響。由于產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性受O濃度的影響, 稻田水、土環(huán)境中的O含量是調(diào)控CH產(chǎn)生和氧化的主要因素。產(chǎn)甲烷菌對土壤Eh的變化特別敏感。有研究表明, 當(dāng)Eh＜-150 mV時(shí), 產(chǎn)甲烷菌的活性增強(qiáng), CH排放與土壤Eh呈極顯著負(fù)相關(guān)。此外, 土壤Eh還會影響CH通過水稻通氣組織的運(yùn)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。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)碳含量會活化土壤中產(chǎn)甲烷菌而生產(chǎn)CH, 研究發(fā)現(xiàn)CH排放量與可溶性有機(jī)碳含量增加呈正相關(guān)。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CH生成, 這可能是由于產(chǎn)甲烷菌對反硝化中間體(NO、NO)敏感或者是由反硝化菌和產(chǎn)甲烷菌爭奪乙酸鹽引起的。除此以外, 有些研究結(jié)果也表明, CH排放量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)。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CH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, 降低了土壤Eh, 生成土壤的厭氧環(huán)境, 提高了產(chǎn)甲烷菌的活性, 因而增加了CH的排放。水產(chǎn)動物的生物擾動也會使土壤中固定的CH被釋放出來。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CH產(chǎn)生及其后續(xù)排放。但是也有研究認(rèn)為稻魚能夠減少CH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CH的吸收減弱, 使得從水稻通氣組織中釋放的CH減少; 除此以外, 深水也會降低CH以氣泡形式向外擴(kuò)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CH的氧化和CH排放減少。

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CH排放。已有研究顯示, 不同水稻品種、水稻的形態(tài)學(xué)特征與生物學(xué)特性會對稻田CH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(shí)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CH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CH的排放。但是Jiang等通過一系列的試驗(yàn)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CH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, 通過促進(jìn)O向土壤的遷移, 從而增加了CH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)品種會表現(xiàn)出減少CH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CH排放, 這是因?yàn)楸３稚锪恳恢聲r(shí), 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CH的基質(zhì), 會促進(jìn)CH的產(chǎn)生。然而, Jiang等的研究表明, 收獲指數(shù)的提高對水稻生長后期或長期淹水稻田的CH排放影響較顯著?，F(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(shí)現(xiàn)CH減排的潛力非常有限, 值得進(jìn)一步探討。

水稻根系除了會通過分泌物影響CH的生成以外, 還會通過泌氧能力影響CH的氧化。泌氧能力與CH排放通量呈負(fù)相關(guān), 這是因?yàn)镺含量增加促進(jìn)了CH的氧化。除此以外, 也有學(xué)者發(fā)現(xiàn), 稻田CH排放量與根體積、根長度和根系孔隙度相關(guān)。水稻根系是導(dǎo)致品種間CH排放差異大的原因。水稻分蘗特性會影響CH的運(yùn)輸過程, 水稻的分蘗數(shù)與CH排放量呈正相關(guān)。水稻葉片進(jìn)行蒸騰作用, 影響CH的排放, 葉片蒸騰速率與CH排放呈正相關(guān)。水稻是稻田向外排放CH的主要途徑之一, 因此水稻的種植密度會影響CH的排放量, 稀植可以降低排放。除此以外, 種植密度會改變水稻的形態(tài)性狀, 從而間接影響CH排放。因此, 選擇合適的水稻密度至關(guān)重要。關(guān)于水稻種植密度、品種和特性對CH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CH排放。目前對于稻漁系統(tǒng)是否會降低CH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CH增加。但也有研究顯示, CH的排放量會隨著水產(chǎn)動物數(shù)量的增加而降低。

Bhattacharyya等研究表明魚的品種對于CH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)慣會導(dǎo)致CH從土壤中擴(kuò)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CH的釋放量的影響較普通鯉魚少。Frei等研究也表明, 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CH排放。土壤碳氮比(C/N)是影響淹水水稻土壤CH生成的重要因素, CH的產(chǎn)生和排放與C/N呈正相關(guān)。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, CH大量產(chǎn)生。與此同時(shí), 水稻根系生長受抑, 影響O輸送, 甲烷氧化菌活性低, 因而CH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, 水稻根系生長發(fā)育旺盛,促進(jìn)O輸送, 提高了甲烷氧化菌的活性, 因而CH排放又會降低。水稻田的CH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CH排放。相比于尿素, 施用銨基氮肥有降低CH排放的潛力。稻田施用硫酸銨可減少25%～36%的CH排放。施鉀肥會導(dǎo)致土壤Eh下降, 減少CH產(chǎn)生, 促進(jìn)CH氧化, 從而減少CH排放。生物肥料能夠持續(xù)改善土壤, 減少稻田的CH排放。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CH減排。

從以上研究結(jié)果可以看出, 稻漁系統(tǒng)對CH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CH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)CH的產(chǎn)生過程; 另一方面通過為甲烷氧化菌提供更多O, 促進(jìn)CH氧化過程。

4 展望

稻漁系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和CH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(jī)碳增加的可能機(jī)理仍未闡明。稻漁系統(tǒng)對CH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,未來稻漁系統(tǒng)的碳固持和碳排放的研究重點(diǎn)包括以下3個(gè)方面。

1)稻漁系統(tǒng)的碳固定與CH排放的特征。長期定位監(jiān)測研究稻漁系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳庫的變化、CH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CH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CH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CH排放的機(jī)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CH排放與有機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)和CH排放的機(jī)理。

3)稻漁系統(tǒng)增強(qiáng)碳固定降低CH排放的措施。開展低CH排放水稻的育種和品種篩選; 通過大量的田間對比試驗(yàn), 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。