陳慧娜， 王 忍， 黃 璜， 陳 燦， 馬微微， 陳 璐， 呂廣動

(湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410128)

溫室效應是全球共同面臨的環(huán)境問題，CH4是作為重要的溫室氣體之一，其溫室效應是CO2的28倍[1]，對大氣溫室效應的貢獻占19%[2]。稻田是CH4排放的重要來源之一，排放量占比達6%[3]。圍繞我國提出的“碳達峰”和“碳中和”目標，如何采取措施減少稻田CH4排放，達到固碳減排，成為熱點研究課題。大量研究表明，稻田生態(tài)種養(yǎng)能減少稻田CH4排放高峰期的排放通量和稻季CH4排放總量[4-6]。稻田生態(tài)種養(yǎng)作為一種傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)文化與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合的水稻綠色生產(chǎn)方式，因其模式多樣，適應性廣，效益可觀，在我國迅速推廣和發(fā)展，2020年全國稻漁綜合種養(yǎng)面積達到253萬hm2，平均水稻產(chǎn)量為7.5 t/hm2，湖南稻田生態(tài)種養(yǎng)面積超過33萬 hm2[7]。湖南作為雙季稻區(qū)和稻田生態(tài)種養(yǎng)活躍區(qū)，研究稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下雙季稻的CH4排放規(guī)律意義重大。本研究選取稻鴨、稻魚、稻鰍這3種主流稻田生態(tài)種養(yǎng)模式，研究其對雙季稻稻田CH4排放的影響，為稻田生態(tài)種養(yǎng)在固碳減排方面的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2019年3—11月，在湖南省長沙縣路口鎮(zhèn)明月村進行雙季稻大田試驗。試驗前土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)：全氮含量為1.64 g/kg，全磷含量為 0.50 g/kg，全鉀含量為22.71 g/kg，速效磷含量為21.87 mg/kg，堿解氮含量為112.35 mg/kg，有機質(zhì)含量為13.57 g/kg，pH值5.95。

1.2 供試材料

供試水稻品種：早稻為中早35；晚稻為中早39(翻秋栽培)。放養(yǎng)試驗品種：鴨子為綠頭野鴨，魚為鯽魚，泥鰍為本地泥鰍。

1.3 試驗設(shè)計與田間管理

設(shè)置單一種稻(CK)、稻田養(yǎng)魚(RF)、稻田養(yǎng)泥鰍(RL)、稻田養(yǎng)鴨(RD)進行大區(qū)試驗，每個大區(qū)面積設(shè)為667 m2，共4個大區(qū)。采取雙季稻種植制度，早稻季于2019年4月20日整田，4月22日插秧，移栽株距為20 cm，移栽行距為25 cm，每穴3～4株秧苗。開始整田時施入基肥，基肥施用量為氮肥總量的70%、鉀肥總量的90%和全量的磷肥，分蘗期追施氮肥總量的30%和剩余的10%的鉀肥，后期不再追肥。3種化肥的總量分別為：氮肥純N為 150 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O為1.0 ∶0.5 ∶1.0。早稻于7月20日收割，晚稻季于7月21日整田，7月23日移栽，插秧規(guī)格與施肥方式同早稻試驗。晚稻化肥的施用總量分別為：氮肥純N為150 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O 為1.0 ∶0.5 ∶0.8。晚稻灌漿后期收獲鴨子，10月12日收獲晚稻。

稻鴨共生試驗田在水稻移栽返青后(7～15 d)放養(yǎng)2周齡的雛鴨，放養(yǎng)密度為150羽/hm2，于水稻齊穗期收鴨，養(yǎng)鴨區(qū)域圍網(wǎng)，可用尼龍網(wǎng)，田周搭建鴨棚，養(yǎng)鴨前期于每日傍晚補給少量飼料，既保證每羽鴨每天所需食物又不使飼料殘余，后期不再投食。稻魚共生試驗田每小區(qū)放1 000尾左右本地小鯽魚，全長7～10 cm，平均體質(zhì)量20 g/尾，放魚區(qū)除圍溝外還進行“十”字形挖溝，溝寬40 cm，溝深 50 cm。稻鰍共生試驗田四周開圍溝，溝寬 40 cm，溝深 30 cm，在田埂四周插入不易腐爛的厚塑料薄膜，插入泥土深度為30 cm，防止泥鰍鉆洞逃逸。投入5 cm 長的鰍苗 20萬尾/hm2，鰍苗放養(yǎng)前需用濃度為3%的食鹽水消毒處理，待消毒水中大部分泥鰍浮頭時，將泥鰍迅速撈起放入田中。養(yǎng)魚區(qū)和養(yǎng)鰍區(qū)均不投餌。水稻單作模式試驗田水肥以傳統(tǒng)水稻單作模式管理。

1.5 觀測指標與方法

1.5.1 CH4氣體測定 使用靜態(tài)暗箱法采取稻田氣體樣品，取樣箱規(guī)格50 cm×50 cm×120 cm，水稻返青后開始取樣，在無雨天09：00—11：00取樣，每隔7 d取1次氣樣，直至水稻成熟。每個取樣點每次連續(xù)取樣4次，每隔10 min取1次，取樣后立即將氣體轉(zhuǎn)移至18 mL真空的玻璃管中，在湖南省農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境研究所采用 Agilent 7890A 氣相色譜儀檢測分析氣體樣品。根據(jù)樣品甲烷濃度與時間的關(guān)系曲線計算取樣時稻田的甲烷的排放通量，計算公式參考陳璐等的研究[8]。

1.5.2 生物量的測定 于水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期、灌漿期、成熟期，根據(jù)各時期的平均莖蘗數(shù)每個小區(qū)隨機采取水稻植株樣品5蔸，用水洗凈泥土，分根、莖、葉、穗包裝。105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。試驗中水稻“生物量”指的是單株生物量。

1.5.3 水稻產(chǎn)量的測定 于水稻收獲前1 d，每個小區(qū)采取有代表性的水稻植株5蔸，進行考種，計算理論產(chǎn)量。于水稻收獲當天，每個小區(qū)隨機割取3個1 m2的樣方，脫粒后曬干，風選稱質(zhì)量并計算實際產(chǎn)量。

1.5.4 土壤有機質(zhì)含量的測定 采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)含量。

1.7 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0軟件進行圖表制作與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式稻田甲烷排放通量

由圖1和圖2可以看出，各處理在投放養(yǎng)殖動物前(5月3日，8月3日)的甲烷排放通量無明顯差異，投放養(yǎng)殖動物后，各生態(tài)種養(yǎng)處理不同程度降低田間的甲烷排放通量。早晚稻稻田甲烷排放通量各有2個峰，早稻最高峰出現(xiàn)在灌漿期，第二峰出現(xiàn)在分蘗盛期，晚稻相反，最高峰在分蘗盛期產(chǎn)生，第二峰產(chǎn)生在灌漿期至成熟期。早稻各生態(tài)種養(yǎng)處理延遲并降低甲烷排放最高峰，晚稻RF、RL處理的甲烷排放曲線在高峰過后趨于平緩。相較于CK，早稻RF、RL、RD甲烷排放最高峰分別較CK降低9.81、6.38、7.12 mg/(m2·h)，晚稻RF、 RL、RD甲烷排放最高峰分別較CK降低6.28、9.72、8.85 mg/(m2·h)。

2.2 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式甲烷周年排放量及其增溫潛勢

由表1可知，CK早稻和晚稻的甲烷排放總量最高，增溫潛勢最大，各生態(tài)種養(yǎng)處理早、晚稻甲烷排放總量和增溫潛勢均顯著低于CK。CK全年甲烷排放總量為478.28 kg/hm2，RF、RL、RD全年甲烷排放量分別較CK降低213.43、187.73、141.58 kg/hm2，降低率達44.62%、39.25%、29.60%，均達到顯著差異。各生態(tài)種養(yǎng)處理中RF、RL全年甲烷排放量顯著低于RD，降低率分別為21.34%和16.68%。CK處理的周年增溫潛勢為11 957.12 kg/hm2(CO2當量)，RF、RL、RD周年增溫潛勢分別較CK降低了44.62%、41.34%、29.60%。各處理中，RF全年甲烷排放量和周年增溫潛勢最低，顯著低于CK和RD。

表1 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式甲烷周年排放量及其增溫潛勢

從表2可知，各處理的早、晚稻產(chǎn)量均表現(xiàn)為CK

表2 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的甲烷排放強度

2.3 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的水稻生物量

由圖3、圖4可知，各生態(tài)種養(yǎng)處理早、晚稻的水稻生物量在齊穗期至成熟期均高于CK，且早稻季的灌漿期、晚稻季齊穗期和灌漿期達到顯著性差異，成熟期均以RD處理的水稻生物量最高，且在晚稻季與對照達到顯著性差異。早稻灌漿期各處理的水稻生物量表現(xiàn)為RF>RD >RL>CK，其中RF、RD、RL的生物量均顯著高于CK的48.31 g，分別高出 26.95%、20.12%、22.83%。晚稻齊穗期、灌漿期、成熟期各處理的生物量均表現(xiàn)為RD>RL>RF>CK，RD、RL、RF處理的水稻生物量分別較CK高出27.82%～28.92%、20.48%～23.94%、9.27%～12.89%，且均存在顯著差異。

2.4 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤有機質(zhì)的影響

由圖5、圖6可知，除早稻齊穗期外，各生態(tài)種養(yǎng)處理的早、晚稻各時期土壤有機質(zhì)均高于CK，RD、RL處理分蘗期和成熟期的土壤有機質(zhì)含量均顯著高于CK，且分蘗期較CK分別高出20.88%～22.77%和20.88%～31.68%，成熟期較CK分別高出19.47%～58.11%和6.15%～56.21%。

3.6 甲烷排放的相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析可知，早、晚稻高峰甲烷排放通量與pH值呈正相關(guān)，與水稻生物量、有機質(zhì)呈負相關(guān)，其中早稻高峰甲烷排放通量與有機質(zhì)的相關(guān)系數(shù)為-0.806(P<0.05)，晚稻高峰甲烷排放通量與有機質(zhì)的相關(guān)系數(shù)為-0.995(P<0.05)。早、晚稻甲烷排放總量、周年甲烷排放總量與水稻生物量、產(chǎn)量均呈負相關(guān)，均未達到顯著差異水平(表3)。

表3 甲烷排放的相關(guān)性分析

4 討論與結(jié)論

稻田生態(tài)種養(yǎng)通過田間養(yǎng)殖動物的活動改變了土壤物理、化學和生物學特征，從而對土壤溫室氣體排放產(chǎn)生影響。多數(shù)研究認為，稻田生態(tài)種養(yǎng)模式能夠減少土壤CH4的排放[9-10]，稻鴨模式整個放鴨期間的甲烷排放通量明顯低于對照，稻鴨模式土壤CH4排放減少了12.8%～19.4%[11]。本研究結(jié)果顯示，RF、RL、RD在早、晚稻甲烷排放高峰期的CH4排放通量均明顯低于對照，且3種模式的全年甲烷排放量分別較CK降低44.62%、39.25%、29.60%(P<0.05)，周年增溫潛勢分別較CK降低了44.62%、41.34%、29.60%。原因可能是養(yǎng)殖動物在田間游動、踩踏和覓食等活動減少了雜草對氧氣的消耗，改善了田間通氣狀況，使水體和土壤溶解氧增加，改善了土壤的氧化還原狀況，抑制甲烷菌的生長活性，提高甲烷氧化菌的活性，減少了CH4的產(chǎn)生量，加快了 CH4的再氧化，從而減少 CH4的排放[12-13]。有研究顯示稻魚模式減排甲烷 6.4%～15%[14-15]，也有研究顯示同樣淹水的稻蟹模式增加了25.4%～36.8%的CH4排放[16]。本研究結(jié)果顯示RF全年甲烷排放量和周年增溫潛勢最低，顯著低于CK和RD，這與陳璐等的研究結(jié)果[8]相似。

王忍等研究發(fā)現(xiàn)稻田養(yǎng)鴨能提有效高水稻生物量和產(chǎn)量，產(chǎn)量增幅為11.8%～15.67%[17]。本研究亦有相似結(jié)果，RF、RL、RD的雙季稻總產(chǎn)量較CK增加了5.82%～11.94%(P<0.05)，水稻成熟期RD的水稻生物量顯著高于CK。多數(shù)研究顯示稻田生態(tài)種養(yǎng)能提高土壤有機質(zhì)含量[17-19]，本研究表明，3種生態(tài)種養(yǎng)模式早、晚稻成熟期土壤有機質(zhì)較CK分別高出19.47%～58.11%和6.15%～56.21%，且相關(guān)性分析顯示早、晚稻甲烷排放高峰的甲烷排放通量均與土壤有機質(zhì)含量顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.806和-0.955。其原因可能是稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下，田間引入養(yǎng)殖動物后，圍繞養(yǎng)殖動物排泄物、分泌物的微生物群落增加，與產(chǎn)甲烷菌競爭資源，加速掉落物分解的同時又抑制了產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性，從而增加了土壤有機質(zhì)含量，又減少了甲烷的排放，說明稻田生態(tài)種養(yǎng)兼具固碳和減排的雙重作用，因此稻魚、稻鰍、稻鴨3種生態(tài)種養(yǎng)模式均可作為水稻綠色生產(chǎn)模式進行推廣。