馬煜春 ，孫麗英，劉翠英，楊波，汪方圓，周偉

1. 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室/南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044；

2. 中國科學院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京210008；3. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研檢測所，天津 300191

甲烷（CH4）是大氣中主要的溫室氣體之一。根據(jù)IPCC第五次評估報告，在100年的時間尺度內，單位質量CH4的全球增溫潛能（GWP）是二氧化碳（CO2）的28倍（IPCC，2013）。濕地系統(tǒng)是大氣CH4的重要排放源（杜慧娜等，2016；胡敏杰等，2016）。目前，中國關于濕地系統(tǒng)溫室氣體排放的研究主要集中在天然湖泊、河流、溝渠、水庫等天然濕地系統(tǒng)（王蒙等，2014；杜慧娜等，2016；Aufdenkampe et al.，2011；Clough et al.，2011；Huttunen et al.，2003；Yang et al.，2015），對于人工水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)溫室氣體排放的研究較少（Liu et al.，2016；Yang et al.，2015）。

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中會投放大量的營養(yǎng)物質作為飼料，富余的部分不僅促進了水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的初級生產(chǎn)，還會通過影響微生物過程直接或間接影響碳氮生物地球化學過程，進而影響溫室氣體CH4的排放（Serrano-Grijalva et al.，2011；Zhang et al.，2015；Xiao et al.，2017）。水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)作為CH4排放重要的人為源，近年來受到世界各國的廣泛關注（楊平等，2013）。然而，目前中國對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中溫室氣體CH4排放的研究數(shù)據(jù)較少，尤其缺乏以周年為時間尺度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得各研究結果之間具有很大的變異性（宋紅麗等，2017）。Liu et al.（2016）對比了水稻田和由其轉變而來的蟹塘的CH4排放，發(fā)現(xiàn)水稻田轉變成蟹塘能減排48%的CH4，這說明水產(chǎn)養(yǎng)殖濕地CH4排放規(guī)律可能不同于其他濕地系統(tǒng)。此外，水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的環(huán)境因素，如溫度、溶解氧（DO）、溶解有機碳（DOC）等均會在一定程度上影響該類系統(tǒng)的CH4排放。

近年來，由于人類對水產(chǎn)品的需求逐漸增大，全球水產(chǎn)養(yǎng)殖面積已經(jīng)達到257萬公頃（占作物種植面積的10%）（Williams et al.，2010）。中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖量占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖量的70%，其中41%的產(chǎn)量來自淡水養(yǎng)殖。位于中國東南部的太湖地區(qū)是水產(chǎn)養(yǎng)殖最活躍的地區(qū)之一，由于餌料的過量投放，水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)對當?shù)氐乃w環(huán)境造成了一定危害，但目前關于養(yǎng)殖濕地CH4排放的觀測研究卻很缺乏（Cao et al.，2007）。因此，本研究采用漂浮箱（淹水期）和靜態(tài)箱（排水期）結合氣相色譜法周年監(jiān)測數(shù)據(jù)比較太湖地區(qū)混養(yǎng)魚塘和蟹塘的溫室氣體排放規(guī)律，探明CH4排放變化影響因素，為準確評估水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室氣體排放清單提供重要的數(shù)據(jù)支持和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

本研究選取太湖地區(qū)兩種典型的水產(chǎn)養(yǎng)殖濕地為研究對象，分別為混養(yǎng)魚塘和蟹塘。混養(yǎng)魚塘和蟹塘試驗監(jiān)測點位于中國科學院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站附近（31°32'93''N，120°41'88''E）。該地區(qū)屬于北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，平均氣溫和年降水量分別為15.5 ℃和1038 mm?；祓B(yǎng)魚塘與蟹塘之間的距離約為200 m，均有連續(xù)5年以上的魚類和蟹類養(yǎng)殖歷史?；祓B(yǎng)魚塘和蟹塘沉積物總氮質量分數(shù)分別為 1.56 g·kg-1和 1.49 g·kg-1，沉積物容重分別為 1.34 g·cm-3和 1.25 g·cm-3，沉積物有機碳質量分數(shù)分別為 31.44 g·kg-1和 20.03 g·kg-1，沉積物 pH 分別為 6.8和7.0（土水質量比為2.5∶1）。

兩種濕地類型分別設置4個重復，混養(yǎng)魚塘規(guī)格為50 m×140 m，蟹塘規(guī)格為50 m×100 m。其中，蟹塘包括有水生植物覆蓋區(qū)域（占整個蟹塘面積的60%）和無水生植物覆蓋區(qū)域（占整個蟹塘面積的40%）兩部分?；祓B(yǎng)魚塘和蟹塘的深度分別為2.0 m和1.4 m。根據(jù)當?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖習慣，于2016年3月22日分別放養(yǎng)黑鯉魚魚苗（Mylopharyngodon piceus，250 kg·hm-2），草魚魚苗（Ctenopharyngodon idella，650 kg·hm-2）和鰱魚魚苗（Hypophthalmichthys molitrix，270 kg·hm-2），以青綠飼料（蘇丹草，Sorghum sudanense）、蝸牛復合飼料和顆粒飼料作為魚飼料；于 2016年 3月 28日，放養(yǎng)幼蟹苗（Eriocheir sinensis，100 kg·hm-2），以玉米、冰鮮帶魚和復合飼料作為螃蟹飼料。3月14日在池塘底部種植伊樂藻（Elodea nuttallii），其高度約為0.3 m，其面積約為蟹塘底部沉積物面積的60%。混養(yǎng)魚塘和蟹塘每年以飼料形式投入的氮量分別為 550 kg·hm-2和 469 kg·hm-2。具體餌料投放時間、投放量及其他管理措施見表1。

1.2 采樣方法

1.2.1 CH4排放通量測定

溫室氣體CH4采用靜態(tài)箱（淹水期）和漂浮箱（排水期）-氣相色譜法測定。采樣箱用5 mm厚的PVC板制成，規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm，在淹水期，將底座固定于20 cm厚的中空泡沫板內，并保證底座完全處于水面約5 cm以下，確保整個采樣過程中不出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。用繩子將每個池塘內的采樣底座連在池塘的中軸線上，并確保底座分別固定于水草覆蓋區(qū)和無水草覆蓋區(qū)內。為了減少采樣過程中對采樣點的人為干擾，在混養(yǎng)魚塘和蟹塘濕地內均搭設了棧橋。在排水期，向提前固定于池塘底部的底座凹槽中注滿水以密封土壤與采樣箱之間的空隙。采集樣品時，預先將500 mL氣袋抽真空，將其連接于自動采樣裝置上，分別在箱體密閉后0、10、20和 30 min采集箱內氣體，用安捷倫氣相色譜7890A在48 h內完成濃度測定。根據(jù)箱體內CH4濃度線性變化規(guī)律計算溫室氣體CH4排放通量。2016年3月—2017年1月，采用漂浮箱采集溫室氣體，淹水期間采樣頻率為每月采集3次或者4次；2017年1月—2017年3月采用靜態(tài)箱采集溫室氣體，采樣頻率為每周1～2次。每次采樣在上午9:00—11:00時間段內完成。

表1 混養(yǎng)魚塘和蟹塘的農(nóng)業(yè)實踐和氮含量Table 1 Agricultural practice and content of nitrogen in the mixed fish and crab aquaculture ponds

1.2.2 輔助指標測定

氣象數(shù)據(jù)來自于常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的氣象站，試驗期間的日平均氣溫和降水如圖1所示。該氣象站距離魚塘監(jiān)測點的距離約為100 m，距離蟹塘監(jiān)測點的距離約為200 m。采集氣樣的同時使用多參數(shù)水質分析儀（YSI Exo 1 multiparameter probe，美國）原位測定沉積物溫度（t）和水體溶解氧（DO），測定精確度分別為 0.01 ℃和 0.1 mg·L-1。沉積物可溶性有機碳（DOC）含量使用TOC分析儀（Multi N/C 3100 multi-analyzer，Analytik JenaAG，德國）測定。沉積物NO3-N和NH4+-N含量由自動化學分析儀（SmartChem 140 discrete auto-analyzer，Eestco Scientific Instruments，美國）

圖1 大氣平均氣溫和降雨量Fig. 1 Mean air temperature and rainfall

測定（Zhou et al.，2017）。

1.3 統(tǒng)計分析

CH4排放通量計算公式為（Ma et al.，2013）：

式中，F(xiàn) 表示 CH4的排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ表示標準狀況下CH4-C的密度，數(shù)值為0.54 g·L-1；V表示氣體采樣箱的體積（m3）；A表示底座內框的面積（m2）；?C/?t表示CH4的排放速率；T表示箱內溫度（℃）。

以各處理 4次重復的平均值作為 CH4排放通量；采樣周期內CH4的平均排放通量以相鄰兩次采樣時間間隔為權重，將各次排放通量進行加權平均計算獲得；其累積排放量用平均排放通量和采樣時間的乘積表示。

運用Microsoft Excel 2010進行圖表制作；運用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（表2），顯著性差異水平為 P＜0.05（Student’s法）；采用 Spearman 法分析各指標與CH4排放通量之間的相關性（表2）。

2 結果

2.1 混養(yǎng)魚塘和蟹塘CH4排放規(guī)律

由圖2可知，混養(yǎng)魚塘和蟹塘CH4排放季節(jié)變化趨勢基本相同。兩種水產(chǎn)養(yǎng)殖濕地CH4排放通量隨著淹水時間的延長和溫度的上升而逐漸升高，排水期間CH4排放幾乎為零，直到收獲（圖1和圖2）。混養(yǎng)魚塘CH4排放通量峰值較蟹塘高，其峰值分別為 2.12 mg·m-2·h-1和 1.70 mg·m-2·h-1（圖 2a）。水草覆蓋區(qū)域和無水草覆蓋區(qū)域的蟹塘中 CH4排放通量峰值分別為 1.70 mg·m-2·h-1和 1.47 mg·m-2·h-1（圖2b）?；祓B(yǎng)魚塘和蟹塘的 CH4累積排放量分別為64.3 kg·hm-2和 51.6 kg·hm-2（圖 3），差異顯著（P＜0.05）。蟹塘中有水草覆蓋區(qū)域的CH4累積排放量較無水草覆蓋區(qū)域高 14%（圖 3），差異顯著（P＜0.05）。兩種典型的水產(chǎn)養(yǎng)殖濕地中，CH4排放均集中在淹水期間（2016年3月—2017年1月），表現(xiàn)為大氣CH4的源，而混養(yǎng)魚塘和蟹塘（水草覆蓋區(qū)域和無水草覆蓋區(qū)域）排水期的CH4平均排放通量分別為(0.0006±0.006)、(0.0003±0.0096)、(-0.0061±0.0032) mg·m-2·h-1，幾乎可以忽略不計，甚至表現(xiàn)為大氣CH4極微弱的匯（圖2）。

2.2 CH4排放對環(huán)境因子的響應

混養(yǎng)魚塘和蟹塘水體中溶解氧（DO）的質量濃度變化范圍分別為 3.6～6.6 mg·L-1和 5.1～8.1 mg·L-1。沉積物 10 cm深度處溫度變化范圍分別為3.8～33.7 ℃和2.5～32.4 ℃。沉積物DOC質量分數(shù)分別介于 50～316 mg·kg-1和 61～325 mg·kg-1之間。沉積物NH4+-N質量分數(shù)均較高，變化范圍分別為5.1～35.6 mg·kg-1和 1.0～6.3 mg·kg-1，混養(yǎng)魚塘顯著高于蟹塘（P＜0.05）。此外，混合魚塘和蟹塘中NO3--N 質量分數(shù)范圍分別為 0.2～1.7 mg·kg-1和0.1～0.5 mg·kg-1。Spearman 相關分析結果表明（表2），混養(yǎng)魚塘和蟹塘中CH4排放與沉積物溫度（t）和沉積物 DOC含量呈顯著正相關關系，與水體溶解氧DO呈負相關關系，CH4排放量不受礦物氮含量的影響。

表2 淹水期和排水期CH4排放通量與水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中參數(shù)之間的相關性（Spearman’s）Table 2 Spearman's correlations between CH4 flux and aquaculture parameters during the waterlogging and drainage periods, respectively

圖2 混養(yǎng)魚塘和蟹塘CH4排放通量的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of CH4 emission flux from the mixed fish pond and crab pond, respectively

3 討論

3.1 水產(chǎn)養(yǎng)殖濕地CH4排放量

本研究中，混養(yǎng)魚塘 CH4年平均排放通量為0.73 mg·m-2·h-1，蟹塘有水草覆蓋區(qū)域和無水草覆蓋區(qū)域的CH4年平均排放通量分別為0.61 mg·m-2·h-1和 0.54 mg·m-2·h-1。筆者匯總了中國水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中關于CH4排放的研究結果，其平均排放通量的變化范圍為 0.0042～123 mg·m-2·h-1（表 3），表現(xiàn)出極大的變異性。筆者發(fā)現(xiàn)已發(fā)表的文獻中僅有胡志強（2015）與Liu et al.（2016）的研究是以年為周期進行的監(jiān)測研究，而其他文獻結果均是在不同季節(jié)進行的監(jiān)測研究，這可能是導致CH4排放結果差異較大的主要原因。與胡志強（2015）和Liu et al.（2016）在其他地區(qū)的周年監(jiān)測的CH4排放通量相比，本研究中混養(yǎng)魚塘和蟹塘CH4年平均排放通量分別較其高90%和49%（表3），說明魚塘和蟹塘CH4具有地區(qū)差異性。因此，準確評估養(yǎng)殖濕地CH4排放需要更多的周年監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 環(huán)境因子對CH4排放的影響

混養(yǎng)魚塘和蟹塘中CH4排放通量與沉積物溫度（t）、水體溶解氧DO和沉積物DOC濃度等環(huán)境因素有關（表2）。表2顯示CH4排放通量與沉積物溫度（t）呈顯著正相關關系，這表明水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水熱條件顯著影響CH4排放。溫度升高一定程度上能促進CH4排放，與前人的研究結果一致（馬煜春等，2011）。溫度不僅會影響 CH4的產(chǎn)生、運輸和擴散速率，還會對水體中溶解氧濃度產(chǎn)生影響（Therien et al.，2005；Kellner et al.，2006；Sun et al.，2013；Treat et al.，2014）。一般認為，高濃度溶解氧能夠促進CH4氧化，從而減少CH4排放，反之，低濃度溶解氧抑制CH4氧化（Yang et al.，2015）。本研究結果也證實了CH4排放與水體DO濃度的顯著負相關關系，水體DO濃度是影響CH4排放的關鍵因素（表2）。沉積物中可溶性有機碳（DOC）為產(chǎn)CH4菌提供基質，顯著促進CH4產(chǎn)生（Singh et al.，2000；Shang et al.，2011）。本研究也證實了可溶性有機碳（DOC）能夠在一定程度上影響CH4排放（P＜0.05）。混養(yǎng)魚塘CH4排放量較蟹塘顯著增加25%，主要是由于混養(yǎng)魚塘中DO顯著低于蟹塘（P＜0.05），而沉積物DOC濃度顯著高于蟹塘引起的（P＜0.05）。

3.3 水生植物對CH4排放的影響

有水生植物覆蓋區(qū)域的CH4排放較無水生植物覆蓋區(qū)域增加了14%，差異顯著（圖3，P＜0.05），這與Liu et al.（2016）和Hu et al.（2016）的研究結果一致。主要原因有以下兩點：一方面，在有水生植物覆蓋的區(qū)域內，植物以及植物根系會分泌出有機物質，為產(chǎn)甲烷菌提供基質，同時消耗 DO，進一步降低該區(qū)域水體DO的濃度（Palma-Silva et al.，2013；Wang et al.，2013）；另一方面，植物根系周圍的硝化細菌和異養(yǎng)生物等也會消耗 DO，加劇該了區(qū)域的厭氧環(huán)境，從而提高CH4的產(chǎn)生潛力（Bhullar et al.，2014）。另外，前人研究表明植物作為CH4傳輸?shù)闹匾緩剑∕a et al.，2013），在本研究中也得到了證實。

3.4 混養(yǎng)魚塘和蟹塘單位收入的凈溫室效應

以混養(yǎng)魚塘和蟹塘全年的CH4排放量所引起的凈增溫效應和年收入來計算單位收入的凈溫室效應（圖4），這種同時考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效應的評價指標，適用于評價和比較兩種典型水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的CH4排放量。在100年時間尺度上，混養(yǎng)魚塘和蟹塘單位收入的溫室效應分別為 21 kg·income-1和38 kg·income-1（圖4）。蟹塘單位CH4排放收入的溫室效應較混養(yǎng)魚塘高80%，差異顯著（P＜0.05）。

圖4 混養(yǎng)魚塘和蟹塘單位收入凈溫室效應Fig. 4 NEB-scaled GWP-CH4 from the mixed fish pond and crab pond

4 結論

本研究結果表明，中國太湖地區(qū)的混養(yǎng)魚塘和蟹塘水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)均表現(xiàn)為較強的大氣 CH4排放源。其 CH4排放主要集中在淹水期間，混養(yǎng)魚塘CH4排放量顯著高于蟹塘。蟹塘單位CH4排放收入的溫室效應較混養(yǎng)魚塘高80%，因此，在評價不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的溫室氣體排放時，既要考慮其經(jīng)濟效應，又要考慮其環(huán)境效應。