陳 鑫,朱 林,車 軒,劉興國,劉 晃,田 億,李新豐,陳曉龍

(1 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306;2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

隨著全球氣候變暖,農(nóng)業(yè)溫室氣體排放成為研究的熱點(diǎn)。目前,主要的溫室氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O),其排放量占比分別為76%、16%和6%[1-2]。水產(chǎn)養(yǎng)殖在提供食物和低碳生產(chǎn)方面有著重要的作用[3],魚類蛋白作為低碳動(dòng)物蛋白,有研究表明每生產(chǎn)100 g的魚類蛋白所產(chǎn)生的溫室氣體顯著低于牛、羊肉蛋白的溫室氣體產(chǎn)生量[4],對(duì)環(huán)境造成的影響相對(duì)較低[5]。然而,水產(chǎn)養(yǎng)殖在提供優(yōu)質(zhì)蛋白源的同時(shí),也伴隨著環(huán)境成本的升高[6],是CO2、CH4和N2O主要的排放源[7]。池塘養(yǎng)殖作為主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式,其中2020年淡水池塘養(yǎng)殖產(chǎn)量為2 279.76萬t,占全國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的43.64%[8]。

目前關(guān)于池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放晝夜變化特征的研究相對(duì)較少,且主要集中在日變化規(guī)律的觀測(cè),楊平[9]研究了閩江河口濕地魚蝦混養(yǎng)塘秋冬季的溫室氣體排放晝夜變化,發(fā)現(xiàn)CO2表現(xiàn)為吸收匯,在晝夜均表現(xiàn)為CH4的排放源,夜晚表現(xiàn)為N2O的排放源。多品種混養(yǎng)是池塘養(yǎng)殖主要的生產(chǎn)方式之一,研究發(fā)現(xiàn),通過飼料營養(yǎng)的多級(jí)利用降低了水體富營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物的含量[10]。

因此,多品種混養(yǎng)與單養(yǎng)相比,能否降低池塘養(yǎng)殖溫室氣體的排放量是有待研究的科學(xué)問題。熊瑩槐[11]對(duì)草魚不同混養(yǎng)模式的“沉積物-水”界面CO2和CH4排放通量的研究表明,池塘中混養(yǎng)對(duì)底質(zhì)擾動(dòng)作用越強(qiáng)烈的養(yǎng)殖品種將顯著提高CO2和CH4排放通量,其中CO2排放通量主要受養(yǎng)殖品種的生活習(xí)性和底泥中微生物的活動(dòng)影響,而影響CH4排放通量的主要因素有水溫、DO和擾動(dòng)。對(duì)于混養(yǎng)與單養(yǎng)模式“水-氣”界面溫室氣體排放特征差異的研究未見報(bào)道。因此,本研究對(duì)混養(yǎng)與單養(yǎng)模式“水-氣”界面溫室氣體排放特征進(jìn)行了闡述。

草魚(Ctenopharyngodonidella)是目前中國年產(chǎn)量最高的水產(chǎn)養(yǎng)殖品種,2020 年產(chǎn)量高達(dá)557.11萬t,占全國淡水池塘養(yǎng)殖魚類總產(chǎn)量的24.44%[8]。草魚的產(chǎn)量高、覆蓋面大,適合作為水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室氣體研究的對(duì)象。

本研究以草魚作為研究對(duì)象,對(duì)單養(yǎng)和混養(yǎng)兩種模式的“水-氣”界面溫室氣體排放通量進(jìn)行一個(gè)晝夜的觀測(cè),以揭示不同養(yǎng)殖模式溫室氣體晝夜變化特征,分析導(dǎo)致溫室氣體排放差異的影響因素,為進(jìn)一步深入探索池塘養(yǎng)殖溫室氣體碳減排技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)養(yǎng)殖池塘位于上海市崇明區(qū)(31°41′3″N,121°18′14″E),池塘尺寸100 m×50 m,平均水深1.5 m,池底淤泥15 cm左右,塘齡8年,養(yǎng)殖期間未清淤泥。魚種投放日期為2021年2月1日,具體放養(yǎng)情況見表1。

表1 兩種養(yǎng)殖模式的魚種放養(yǎng)情況Tab.1 Information on stocking of two farming models

試驗(yàn)從2021年10月30日17:00開始到次日17:00結(jié)束,每隔4 h采一次樣,共計(jì)24 h。設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)池塘,1#池為草魚單養(yǎng),2#池為草魚、鯽、鰱混養(yǎng)。在兩個(gè)池塘分別設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn),試驗(yàn)池塘采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)池塘采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Schematic diagram of sampling point in experimental pond

養(yǎng)殖期間投喂淡水魚人工配合飼料,蛋白含量≥29%,日投飼率3%,分3次投入,試驗(yàn)期間不換水。

1.2 溫室氣樣采集與測(cè)定

CO2、CH4和N2O通量測(cè)定采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜儀法。采樣箱的材質(zhì)為不透光的亞克力板,減少光線對(duì)箱體內(nèi)溫度的影響,箱體規(guī)格為長30 cm、寬30 cm、高30 cm;箱內(nèi)頂部安裝1個(gè)微型風(fēng)扇以便混合箱內(nèi)氣體。氣溫、氣壓和風(fēng)速采用WS30手持氣象儀測(cè)定;光照強(qiáng)度采用Testo549手持照度儀測(cè)定,測(cè)定高度為距水面1.5 m。

提前30 min布設(shè)好靜態(tài)箱,采樣前箱口朝上等待5 min。一個(gè)采樣點(diǎn)采樣4次,分別在采樣開始的0、10、20、30 min采集氣體,1個(gè)采樣量為100 mL,氣體保存在200 mL 鋁箔氣袋中。24 h內(nèi)用TRACEGC1300氣相色譜儀(賽默飛,美國)分析測(cè)定CO2、CH4和N2O氣體濃度。

1.3 理化指標(biāo)采集與測(cè)定

在每個(gè)采樣箱的采樣點(diǎn)附近采集水-土界面(泥土上方20 cm高度)的水樣,水樣裝進(jìn)100 mL不透光聚乙烯瓶中。使用采泥器采集采樣箱附近的底泥,并測(cè)量泥溫。使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI)測(cè)量水體溫度和溶氧(DO)質(zhì)量濃度、pH和氧化還原電位(Eh)值;利用水深測(cè)量儀SM-5對(duì)養(yǎng)殖塘水深進(jìn)行測(cè)量。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定參考《水和廢水檢測(cè)分析方法》[12]。采用熱乙醇萃取-可見分光光度計(jì)法測(cè)定水樣中的葉綠素a(Chl-a)含量[13]。水體總有機(jī)碳(TOC)用總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行測(cè)定[14]。

1.4 溫室氣體通量計(jì)算

水-氣界面CO2、CH4和N2O通量公式為:

(1)

式中:F為氣體交換通量mg/(m2·h),F值為正表示氣體從水體進(jìn)入大氣,F值為負(fù)表示氣體從大氣進(jìn)入水體中;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫室氣體的密度(g/L);h為采樣箱內(nèi)氣室高度(m);T為暗箱內(nèi)的溫度;dc/dt為暗箱內(nèi)氣體濃度變化率,即4個(gè)氣樣的目標(biāo)氣體含量進(jìn)行線性回歸分析,線性回歸系數(shù)R2>0.85視為有效數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2018、Oringin 2021、Spass 17.0和Canoco 5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、作圖、計(jì)算和相關(guān)分析。采用單因素方差分析法比較分析單養(yǎng)草魚和混養(yǎng)兩種養(yǎng)殖模式溫室氣體通量日變化的差異,顯著性水平設(shè)置為P<0.05;兩種養(yǎng)殖模式的溫室氣體通量與環(huán)境因子間相關(guān)關(guān)系釆用Sperman相關(guān)分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;利用RDA相關(guān)分析法探討分析影響?zhàn)B殖塘水氣界面溫室通量的主要環(huán)境因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室氣體排放通量的差異對(duì)比分析

兩種養(yǎng)殖模式的CO2、CH4和N2O日平均排放通量如圖2所示。

注:不同小寫字母表示差異顯著圖2 兩種養(yǎng)殖模式的CO2、CH4和N2O日平均排放通量對(duì)比Fig.2 Comparison of the daily average emission fluxes of CO2, CH4and N2O between the two farming models

草魚混養(yǎng)的CO2和CH4日排放通量平均值分別為21.17 mg/(m2·h)和4.53 mg/(m2·h),小于草魚單養(yǎng)模式的48.78 mg/(m2·h)和4.77 mg/(m2·h),但差異不顯著(P>0.05)。草魚混養(yǎng)的N2O日排放通量平均值為47.20 μg/(m2·h),明顯小于草魚單養(yǎng)模式的88.99 μg/(m2·h),單因素方差分析表明,兩種養(yǎng)殖模式的N2O排放通量具有極顯著差異(P<0.01)?；祓B(yǎng)模式CO2、CH4和N2O的排放量比單養(yǎng)模式分別降低56.60%、5.03%和46.96%。

2.2 CO2、CH4和N2O排放通量的晝夜變化特征

CO2、CH4和N2O排放通量的晝夜差異如圖3所示。

圖3 CO2、CH4和N2O排放通量的晝夜差異Fig.3 Diurnal differences in CO2,CH4and N2O fluxes

兩種養(yǎng)殖模式CO2通量的晝夜變化趨勢(shì)基本一致,變化幅度大,表現(xiàn)出“碳源-碳匯-碳源”的轉(zhuǎn)化,具有明顯的晝低夜高的特征(圖3a)。草魚混養(yǎng)的CO2通量從17:00開始增加,至5:00達(dá)到最大值,之后隨時(shí)間的推移而逐漸降低,在13:00降到最低值,隨后升高。CO2通量的晝夜變化范圍為(-119.03±76.25)～(59.79±52.19) mg/(m2·h),白天和夜晚CO2通量平均值分別為(-0.91±69.54)、(52.91±4.36)mg/(m2·h)。草魚單養(yǎng)的CO2通量從17:00開始增加,在1:00達(dá)到排放峰值,隨后開始降低,至9:00降到最低值,之后又隨時(shí)間推移呈上升的趨勢(shì)。CO2通量的晝夜變化范圍為(-199.88±163.25)～(186.64±48.06) mg/(m2·h),白天和夜晚CO2通量平均值分別為(-16.04±121.98)、(136.92±38.05)mg/(m2·h)(圖3a)。單因素方差分析表明,兩種模式的CO2通量晝夜差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

草魚混養(yǎng)的CH4通量從17:00開始增加,至5:00達(dá)到最大值,之后隨時(shí)間的推移而逐漸降低,在全天均表現(xiàn)為CH4排放源,CH4排放通量的晝夜變化范圍為(1.81±2.07)～(7.25±7.06) mg/(m2·h),白天和夜晚CH4排放通量平均值分別為(4.74±1.55)、(4.99±2.04)mg/(m2·h),晝夜變化小。草魚單養(yǎng)的CH4通量從17:00開始增加,于5:00達(dá)到排放峰值,迅速降低至9:00的最低值后開始上升,變化幅度顯著比混養(yǎng)模式大。CH4通量的晝夜變化范圍為(-11.75±14.38)～(17.77±14.84) mg/(m2·h),白天和夜晚CH4排放通量平均值分別為(2.68±10.45)、(10.11±5.72)mg/(m2·h),夜晚排放通量遠(yuǎn)大于白天(圖3b)。單因素方差分析表明,草魚單養(yǎng)CH4排放的晝夜差異達(dá)到顯著性水平(P<0.05),而混養(yǎng)模式的差異不顯著(P>0.05)。

兩種養(yǎng)殖模式的N2O通量的晝夜變化范圍分別為(43.8±12.8)～(165.7±122.2)μg/(m2·h)和(24.4±16.4)～(77.4±34.7) μg/(m2·h)(圖3c),均表現(xiàn)為N2O的排放源。草魚混養(yǎng)的N2O排放通量自采樣開始先降低后增加,在5:00達(dá)到排放的峰值,隨后下降,在9:00降低到最低值后開始升高。草魚單養(yǎng)N2O排放通量自采樣開始呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),21:00后開始逐漸增加,于5:00達(dá)到最大排放值,然后隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)。單因素方差分析表明,兩種養(yǎng)殖模式N2O排放的晝夜差異均不顯著(P>0.05)。

2.3 環(huán)境因子變化特征

圖4 氣象參數(shù)日變化特征Fig.4 Diurnal variation characteristics of meteorological parameters

圖5 水環(huán)境因子日變化特征Fig.5 Diurnal variation characteristics of water environmental factors

2.4 溫室氣體通量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

通過對(duì)兩種模式溫室氣體通量與環(huán)境因子間進(jìn)行Sperman相關(guān)性分析,結(jié)果顯示(表2),草魚混養(yǎng)CO2排放通量與DO和泥溫呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與COD呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與光照度、氣溫、風(fēng)速、水溫、pH和Eh呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),草魚單養(yǎng)CO2排放通量與TN呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與光照度、氣溫、氣壓、風(fēng)速、TOC和Chl-a呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01);混養(yǎng)CH4排放通量與光照度、風(fēng)速、水溫、泥溫和TOC呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與pH和DO呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),單養(yǎng)CH4排放通量與COD呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與氣壓和水溫呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與光照度、氣溫、風(fēng)速和TOC呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01);混養(yǎng)N2O排放通量與氣壓呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),單養(yǎng)N2O排放通量與水溫和泥溫均呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與DO和Chl-a呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表2 兩種模式的溫室氣體通量與環(huán)境因子Sperman相關(guān)性分析Tab.2 Sperman correlation analysis of greenhouse gas fluxes and environmental factors in two models

圖6 兩種養(yǎng)殖模式溫室氣體排放通量與環(huán)境因子的RDA分析二維圖 Fig.6 Two-dimensional map of RDA analysis of greenhouse gas emission fluxes and environmental factors in two farming models

經(jīng)過Monte Carlo檢驗(yàn)對(duì)環(huán)境因子的重要性進(jìn)行排序(表3),結(jié)果顯示,Eh、COD和TOC對(duì)草魚混養(yǎng)氣體通量變化的影響呈極顯著水平(P<0.01),解釋量分別為27.1%、9.7%和9.5%,是造成差異性的主要環(huán)境因子,氣壓的影響也達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。

表3 環(huán)境因子對(duì)綜合溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率和顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Contribution rate and significance test of environmental factors to greenhouse gas emissions

風(fēng)速對(duì)草魚單養(yǎng)氣體通量變化貢獻(xiàn)率最大,其次為氣壓和泥溫,解釋量分別為47.0%、19.7%和10.1%,風(fēng)速、氣壓和泥溫對(duì)草魚單養(yǎng)氣體通量變化的影響呈極顯著水平(P<0.01)。

3 討論

3.1 溫室氣體排放通量與晝夜變化規(guī)律

在溫室氣體的晝夜變化規(guī)律方面,草魚兩種養(yǎng)殖模式的CO2、CH4和N2O夜晚的排放通量均大于白天,表現(xiàn)為晝低夜高,與富營養(yǎng)化池塘溫室氣體的晝夜變化規(guī)律相同[17-18]。CO2排放主要由微藻的光合作用、養(yǎng)殖生物和微生物的呼吸共同作用產(chǎn)生,受到天氣的影響,CO2排放通量呈不同的變化趨勢(shì),陰雨天氣時(shí),白天養(yǎng)殖塘呈CO2的排放源,與晴天白天相反[18],表明養(yǎng)殖池塘與自然池塘的CO2排放量均受浮游植物的影響,魚類與底質(zhì)產(chǎn)生的CO2在上升過程中能被微藻利用,在光合作用強(qiáng)烈的條件下能轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2的碳匯。在CH4排放通量日變化的研究上,主要集中河流[19-20]、河口濕地養(yǎng)殖塘[21-22]和富營養(yǎng)化養(yǎng)殖塘[17-18],在晝夜均表現(xiàn)CH4的排放源。謝文霞等[23]對(duì)膠州灣河口蘆葦、雜草濕地進(jìn)行不同時(shí)間段的晝夜N2O通量觀測(cè),整體上均為N2O的排放源,韓洋等[19]對(duì)南京春季的金川河、團(tuán)結(jié)河、外秦淮河、外秦淮河和丁解水庫等研究也得到相同結(jié)論。楊平等[22]對(duì)鱔魚灘濕地養(yǎng)蝦池塘研究得出,排水活動(dòng)對(duì)N2O排放通量影響較大,未排干和排干養(yǎng)殖塘N2O排放通量表現(xiàn)為晝低夜高和晝高夜低的特征。

3.2 溫室氣體排放變化的驅(qū)動(dòng)因素

溫室氣體通量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析結(jié)果顯示,影響草魚池塘養(yǎng)殖CO2通量變化的主要因子為溫度、COD和風(fēng)速,與大多數(shù)研究結(jié)果一致[22,24-25]。在本研究中,CO2通量的晝夜變化與水溫、氣溫呈極顯著的負(fù)相關(guān),與池塘養(yǎng)殖CO2排放的月際變化規(guī)律相反[26-27],表明時(shí)間尺度是塑造水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)CO2排放特征的重要因素。溫度影響CO2在養(yǎng)殖水體中的溶解度進(jìn)而改變氣體的排放通量,并通過調(diào)節(jié)微生物活性來影響CO2排放通量[28]。CO2通量與COD濃度成正比,表明養(yǎng)殖水體有機(jī)污染程度的提高能增加CO2排放,而COD濃度與殘飼、糞便和底泥有關(guān),因此,CO2的減排應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注池塘的碳負(fù)荷。CO2通量與風(fēng)速呈極顯著的負(fù)相關(guān),風(fēng)速增大使水面面積增加,風(fēng)力擾動(dòng)作用使底泥中的碳酸鹽釋放在水中,引起水體堿度增加,促進(jìn)水中CO2向空氣中釋放[29]。

CH4通量變化特征可以用溫度、光照度、TOC和Eh解釋。在本研究中,CH4通量與光照度、水溫和TOC呈顯著的負(fù)相關(guān)。光照度的差異影響藻類的活動(dòng),白天藻類光合作用,增加溶氧含量,抑制CH4的產(chǎn)生,夜晚藻類的呼吸和死亡將消耗溶氧并產(chǎn)生有機(jī)質(zhì),為甲烷產(chǎn)生菌提供底物。溫度是影響甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌的主要因子[11],能調(diào)控兩種細(xì)菌的數(shù)量比例與功能活性,從而影響CH4通量變化。TOC對(duì)CH4通量的影響與相關(guān)觀測(cè)結(jié)果不一致,原因有待進(jìn)一步研究。Eh在很大程度上決定了CH4的排放通量[30],Eh可以反映水體的溶氧情況,表征分解有機(jī)污染物的能力[31],當(dāng)Eh值較低時(shí),厭氧微生物起主導(dǎo)作用,消耗水體中大量DO,將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和CH4,Eh升高促使池塘底層的CH4被氧化,導(dǎo)致CH4排放通量減小。

4 結(jié)論

草魚單養(yǎng)和混養(yǎng)兩種養(yǎng)殖模式日平均排放量均表現(xiàn)為溫室氣體的排放源;草魚混養(yǎng)的CO2、CH4和N2O日平均排放量均低于單養(yǎng)模式,通過多品種混養(yǎng)能降低草魚池塘養(yǎng)殖的溫室氣體排放,具有顯著的碳減排效益;兩種養(yǎng)殖模式的溫室氣體排放呈現(xiàn)出不同的晝夜變化特征;驅(qū)動(dòng)混養(yǎng)模式溫室氣體排放的主要環(huán)境因子為Eh、COD、TOC和氣壓,單養(yǎng)模式的主要驅(qū)動(dòng)因素為風(fēng)速、氣壓和泥溫。