稻田种养结合循环农业温室气体排放的调控与机制*

王强盛



稻田种养结合循环农业温室气体排放的调控与机制*

王强盛

(南京农业大学现代农作制度与生态循环农业实验室 南京 210095)

水稻在我国粮食作物种植中占据主导地位, 在保障粮食安全、关系国计民生方面有着重要的作用。稻田是温室气体甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要排放源。因此, 控制稻田温室气体排放对缓解全球温室效应具有重要作用。近年来, 稻田种养结合循环农业在我国发展迅速, 具有稳产增效、绿色发展的重要功效, 同时显著影响了稻田温室气体排放特征以及全球增温潜势(global warming potential, GWP)。稻鸭共作、稻田养小龙虾、稻鱼共作、稻田养蟹、稻田养鳖等稻田种养结合循环农业模式, 由于稻田养殖生物在稻田生态系统中添加生态位、延长食物链的增环作用, 通过其持续运动、觅食活动等, 不同程度地影响稻田温室气体的排放量和GWP, 总体呈现出减缓温室效应的趋势。本文概述了稻田种养结合循环农业的CH4和N2O的排放特征及水分管理和施肥措施的影响效应, 探讨了稻田种养结合循环农业的减排途径, 并分析了稻田种养结合循环农业温室气体减排的研究前景, 以期为我国稻田种养结合循环农业的健康发展和稻田生态系统减排增效提供参考。

稻田; 种养结合；循环农业; CH4排放; N2O排放; 水肥管理

稻田种养结合循环农业模式利用稻田的水环境养殖虾蟹类、鱼类(鲤鱼、鲫鱼、泥鳅、鲶鱼、甲鱼、黄鳝等)、鸭等水产或水禽, 是一种稻田生态系统良性循环的高效养殖模式。该模式实现了“水稻+水产/水禽”互利共生, 提高了稻田综合利用率; 并通过“水稻+水产/水禽”结合, 实现“一水两用、一田双收、稳粮增效”, 增加农民收益, 有利于粮食安全、食品安全和生态安全, 是实施稻作供给侧改革的关键途径, 推动农业绿色发展和乡村振兴的主导模式。近年来, 稻田种养结合循环农业是中央1号文件主推技术, 也是农业部和多数省份农业重点推广的核心技术之一, 在全国得到十分快速的模式创新和发展应用, 具有显著的生态、经济和社会效益, 不仅能够大幅度减少化学肥料的投入, 还能通过稻田蓄水养殖, 调节稻田生态系统微环境, 控制部分有害生物的发生, 促进稻田物质和能量的多级利用[1]。2017年底全国稻田种养面积达到160多万hm2, 并呈现快速增长趋势。

第5次IPCC报告称, 甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体浓度已上升到历史以来最高水平, 农业源温室气体排放量约占全球人为活动产生的温室气体排放总量的12%, 农业产生的CH4和N2O分别约占全球温室气体总排放量的50%和60%[2], 其中稻田是大气CH4和N2O重要排放源之一, 我国水稻播种面积位列全球第二, 约占全世界水稻面积的20%, 对稻田采取适宜的减排措施, 减少温室气体排放量和增温潜势, 是降低极端气候灾害发生、缓解气候变化需要解决的重要问题[3], 显得尤为紧迫。稻田种养结合循环农业, 与常规稻作相比, 由于稻田生态系统的生境有较大变化, 具有很好的减排增效潜力。

1 稻田种养的CH4排放途径及影响因素

1.1 CH4排放途径

稻田CH4排放分为CH4产生、再氧化和传输3个步骤。稻田CH4是在严格厌氧的环境条件下, 由土壤中的产甲烷菌分解有机物质而生成的。稻田淹水后, 土壤中的O2、Fe3+等依次被还原消耗, CO2迅速累积, pH接近中性, 土壤的氧化还原电位急剧下降, 为产甲烷菌提供一个还原性的厌氧土壤。当土壤Eh<-150 mV时, 产甲烷细菌的活性提高, 不断分解有机碳生成CH4[4]。土壤中有机物质包括各种有机肥料、动植物残体、土壤腐殖质以及水稻根系的脱落物和分泌物等, 在细菌作用下, 将其主要分解为CO2或者乙酸, 产甲烷菌参与以下两个反应生成CH4: CO2+4H2→CH4+2H2O和CH3COOH→CH4+CO2。稻田产生的CH4在排放到大气之前有80%~94%被氧化[5], CH4的氧化一般在有氧环境中进行, 也可以在厌氧条件下进行, 其中有氧氧化发生在水层土壤交界面以及在深层土壤中的水稻根际[6], 受O2浓度的限制。CH4主要通过植株通气组织、气泡以及分子扩散实现传输。CH4以土壤→根表面水膜→根皮层细胞壁溶液→根皮层→胞间隙和通气组织→茎部→低叶位的叶鞘表皮微孔进行释放[7], 而CH4从土壤向上层乃至大气传输的液相扩散比通气组织的气相扩散要慢得多[8]。

稻鸭共作稻田的CH4排放途径与常规稻田相似, 且CH4排放高峰出现的时间、生育期内CH4排放规律差异不明显, 而相较于常规稻作, 稻鸭共作稻田的CH4排放速率显著降低[9]。

1.2 稻田种养结合的CH4排放影响因素

1.2.1 水分管理

水分管理是影响种养结合的稻田CH4排放的重要因素之一, 水分通过影响土壤Eh、O2供给、土壤微生物(最主要的是产甲烷菌)活性及CH4扩散速率来实现对稻田CH4排放的调控[10]。常规稻田长期淹灌致使稻田排放大量CH4[11-12], 冬闲期稻田持续淹水, 会导致非水稻种植季CH4的大量排放, 也会显著促进随后水稻季的CH4排放[13-15]。而稻田种养结合循环农业中, 由于养殖生物和水稻生长发育对水分的要求不同, 通常采用不同的“深-浅”水分动态管理模式, 能破坏由长期淹灌形成的厌氧环境, 显著降低CH4的排放量[16-17]。因此, 水分管理对于控制种养结合稻田CH4的释放至关重要。

稻鸭共作是至今稻田种养结合循环农业最为典型模式之一, 近20多年来在我国已有丰富的生态理论研究与实践应用。该模式放鸭前田间水深保持在1~3 cm, 便于秧苗返青; 水稻活棵后的分蘖期放鸭入田, 水层在5~8 cm, 并逐步加大水层深度至10 cm左右, 抽穗后鸭子赶出稻田, 稻田实行干干湿湿[18]。现有研究表明, 稻鸭共作能够减少稻田CH4排放, 通常减排在20%~30%左右[19]。黄璜等[20]试验认为, 养鸭对稻田CH4排放高峰期排放量的控制效果最为明显, 可降低60.7%。展茗等[21]结果表明, 与不养鸭稻田相比, 稻田养鸭CH4排放量显著降低19.3%。Cai等[22]研究指出, 稻田养鸭CH4排放降低21%~30%。袁伟玲等[23]两年试验表明, 宽窄行栽插水稻条件下, 养鸭稻田水稻整个生育期内的CH4年排放通量分别比水稻单作减少23%~26%。向平安等[24]研究表明, 免耕条件下养鸭稻田CH4排放量比不养鸭稻田降低10.5%。Xu等[19]认为, 机插水稻的稻鸭共作稻田CH4排放量比常规水稻降低了8.80%~ 16.68%。稻鸭共作降低CH4排放量的原因在于: 与田间水无较大波动、底层土壤长期处于厌氧状态的常规稻作水分管理相比, 放鸭期间, 鸭可在稻田间来回游动, 搅动土壤, 加速根系泌氧, 也增加了土壤与O2接触的机会, 能够降低稻田表层水体温度与pH值, 提高氧化还原电位, 减少CH4的产生量[25-26]; 此外, 鸭子觅食田间杂草及浮游生物等, 控制了杂草等对溶氧的消耗[27], 促使甲烷氧化菌的活性提高, CH4在排放到大气之前就被氧化掉, 从而降低了CH4的排放量。

我国稻鱼共作可追溯到公元前400年, 不仅适量满足了民众对鱼类的需求, 也适度增加了效益。稻鱼共作期间一般水稻田面以上维持20~40 cm左右[28], 然而稻鱼共作对稻田CH4排放量的影响结果不一。袁伟玲等[23]研究发现, 养鲫鱼稻田水稻整个生育期内的CH4年排放通量比水稻单作减少12%~16%。刘小燕等[29]也认为, 稻田养金鱼显著降低了CH4排放通量高峰值, 其CH4排放通量平均值比常规稻田减排15%。周江伟等[30]试验表明, 水稻全生育期内, 免耕稻鳖鱼的CH4排放比免耕水稻单作、免耕稻鱼、免耕稻鳖分别减少39.9%、21.6%和29.2%。以上这些稻鱼共作模式能够减少CH4排放的原因可能是: 与常规稻作相比, 稻鱼共作的深水灌溉削弱了CH4以气泡和液相扩散两种通道向外释放的传输效率, 且深水可能导致水稻根系活力下降, 对CH4的吸收减弱, 以植株作为主通道释放的CH4也减少; 与稻鸭共作相比, 稻田养鱼的水层较深, 土壤难以与大气进行气体交换, 而鱼觅食浮游生物, 可减少水中的O2消耗, 溶解氧增加, 改善了土壤的氧化还原情况[31], 促进了CH4的氧化, 从而CH4排放量下降。但Frei等[32-33]研究表明, 稻鱼共作会增加CH4排放; Bhattacharyya等[34]也同样发现, 与水稻单作相比, 稻鲮鱼共作增加26%的CH4排放。而这些稻鱼共作增加CH4排放的原因, 可能是鱼的活动强度、呼吸消耗大, 使产生的CH4更容易向外扩散, 水体的溶解氧减少, 降低了土壤Eh, 从而增加CH4排放。因此, 稻鱼共作的稻田CH4排放变化需根据品种类型、水层深度、气温状况等条件深入研究。

稻虾/蟹种养结合是继稻鱼、稻鸭共作后由于小龙虾在全国迅速掀起的“红色风暴”而创新发展的循环农业模式。目前全国大约有70%小龙虾来自稻田种养的, 也是稻田种养面积最大的模式。这一种养模式在水稻移栽后浅水分蘖并逐渐加深水层, 拔节后一般维持在20~40 cm。目前, 对于稻虾种养的稻田温室气体排放研究极为有限。有研究表明, 与水稻-油菜种植模式比较, 稻田养小龙虾模式下CH4排放量降低39.5%~64.7%[35]; 徐祥玉等[36]两年试验表明, 养小龙虾稻田的CH4累积排放量比不养小龙虾稻田显著降低, CH4的降幅在29.02%~41.19%, 尤其是降低了插秧前CH4排放。Hu等[37]研究表明, 稻田养蟹较水稻单作可显著减少CH4排放量, 在水生植物存在条件下CH4排放量减少38.7%, 无水生植物存在条件下减少72.9%。出现这些结果的原因可能是插秧前深度淹水, 氧气不足, 使得土壤中的产甲烷菌活性提高, 产生大量CH4, 然而很难通过气泡和液相扩散释放出去, 但是稻田里的小龙虾、螃蟹钻洞使土壤的含氧量有所增加, 虽然土壤Eh不会发生较大变化, 但可降低产甲烷菌丰度、增加甲烷氧化菌丰度[38], 由此降低CH4排放量。

1.2.2 施肥措施

常规稻作以施用无机肥为主, 而稻田种养结合循环农业为了保证稻田养殖生物的环境条件, 一般以施用有机肥料为主, 做到有机-无机复合肥配施, 外加投喂养殖生物时未被完全吸收的饵料, 以及生物的残体、排泄物等生物肥料。施肥措施对种养结合稻田的CH4排放有明显影响, 体现在有机肥的类型、用量及施用方式上。有机肥的类型很多, 主要包括农作物秸秆、绿肥、沼肥等, 施用方式也有基肥、种肥、追肥等。常规稻作施肥通常分为基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥等, 而种养结合稻田施肥遵循的原则是“少量多次”, 基肥以有机肥为主, 追肥配施有机-无机复合肥, 有机肥种类与常规稻作基本相似。碳氮比是影响稻田CH4产生的重要因素, CH4产生和排放随着有机物碳氮比的提高而增加。有研究表明, 稻鸭共作下的肥料利用率大于常规稻作[39]。稻田综合种养循环农业中, 绿肥或秸秆还田等有机肥料都为产甲烷菌提供了大量的碳源, 且碳氮比高, 会导致CH4排放量显著增加, 并随有机物用量的增加而增加[40-42]。焦燕等[43]研究表明, 施用小麦秸秆大大促进了CH4的排放, 其增幅在2.0~8.3倍。而经过干燥处理的沼渣还田由于大部分活性有机碳已经被分解利用并产生沼气, 导致其碳氮比下降, 可降低CH4排放约60%[44]。

甄若宏等[45]研究表明, 稻-鸭-萍共作复合系统中, 绿萍能固氮富钾, 为鸭子提供饲料, 再通过“过腹还田”培肥土壤, 在一定程度上满足水稻植株对养分的需求。Xu等、Liu等[46-48]结果表明, 麦秸还田水稻-小麦、沼渣还田水稻-小麦、水稻-绿肥、冬季休耕-水稻4种轮作系统的稻鸭共作稻田CH4排放量分别比常规稻作下降16.02%、9.79%、14.26%、9.51%, 且稻鸭共作的稻季减排效果以秸秆还田、绿肥还田最为明显。徐祥玉等[36]研究表明, 在水稻秸秆高茬还田条件下, 养殖小龙虾稻田CH4排放量比不养殖小龙虾的稻田减少35.1%, 比无稻草还田、不养殖小龙虾的稻田减少6.6%, 小龙虾通过取食秸秆减少碳源并使得利用有机酸的微生物丰度提高而降低乙酸累积[49], 从而降低CH4排放量。

2 稻田种养的N2O排放途径及影响因素

2.1 N2O排放途径

土壤中硝化、反硝化作用是稻田N2O的主要来源[50]。通气良好的条件下, 土壤微生物(硝化细菌)将铵盐转化为硝酸盐, 并在转化过程中释放部分N2O, 即为硝化过程; 通气不良条件下, 土壤微生物(反硝化细菌)将硝酸盐、硝态氮还原成氮气(N2)或氧化氮(N2O, NO), 即为反硝化过程[51]。

稻田土壤环境是复杂的、不均衡的, 硝化作用和反硝化作用可以同时发生。稻田N2O的释放量取决于这两种作用的反应速率、N2O在反应产物中的比例及N2O逸散进入大气前在土壤中的扩散程度。硝化作用中, 通常NH4+的氧化速率比其产生速率快, 若O2供应不足, NO2-不能被彻底氧化成NO3-, 就会导致N2O生成量增加; 反硝化作用中, NO3-、NO2-或O2浓度增加, N2O排放量增加。稻田N2O产生、传输和排放受到水分和肥料管理的制约而存在显著的变化。

稻鸭共作稻田N2O排放途径与常规稻田较为一致, 且N2O排放高峰出现的时间、各生育期N2O排放特征相似[21]。但相较于常规稻作, 养殖生物的稻田放养丰富了稻田生态系统的物种数量、延长了食物链、影响了微生物菌群与外界环境的反应, 因此种养结合稻田的N2O排放通量、排放速率等有所不同。

2.2 稻田种养结合的N2O排放影响因素

2.2.1 水分管理

水分管理影响稻田土壤的通气状况和氧化还原电位, 从而影响硝化和反硝化作用。稻田长期淹水形成厌氧环境, 过深的田面水阻碍土壤中产生的N2O向大气扩散, 停留在土壤中以至于被进一步还原成N2, 基本监测不到N2O排放[52]; 而稻田落干期间, 通气良好, 氧气含量增加, 硝化细菌活性增强, 尤其是搁田期稻田N2O排放占生育期排放总量的87.5%~98.7%[53]。

稻鸭共作的水分管理是鸭子在田间行走时鸭脚能够触碰到稻田表层土壤的水层深度, 从而发挥鸭子的防控效果。现有研究表明, 稻鸭共作增加了稻田N2O排放。许国春等[48]认为, 稻鸭共作的全生育期稻田N2O排放量比常规稻作高5.88%~12.46%。李成芳等[54]研究表明, 在水稻全生育期间, 稻田养鸭较常规稻田N2O释放量提高6.7%; 袁伟玲等[23]两年试验表明, 稻田养鸭整个生育期内N2O年排放通量较水稻单作提高8%~13%。展茗等[21]研究指出, 养鸭稻田N2O排放量比常规稻田显著增加了10%。稻鸭共作导致N2O增排的可能原因是: 一方面是与常规稻作相比, 种养结合稻田的水分管理为了兼顾水稻和鸭子生长发育的共同需求, 在不同生长阶段采用不同的水层深度, 为鸭子在稻田中的活动创造条件, 从而抑制了稻田杂草及其他需氧生物生长, 并且鸭子捕食浮游生物, 使水体中被消耗的溶解氧减少, 土壤Eh值升高, 故N2O释放增加; 另一方面, 稻鸭共作的稻田由于鸭子的栖息、活动搅动水层, 加速土壤与大气的交换, 增加了土壤与氧气接触的机会, 改善了土壤的氧化还原状况, 导致N2O释放的增加。

稻鱼共作的稻田水层较稻鸭共作深, 使得稻田N2O排放量降低。李成芳等[54]研究表明, 在水稻全生育期间, 养殖鲫鱼的稻田N2O排放量较常规稻田降低6.9%; 袁伟玲等[23]两年试验表明, 养鲫鱼稻田整个生育期N2O年排放通量相比于水稻单作均减少了8%。Bhattacharyya等[34]研究表明, 与水稻单作相比, 稻-鲮鱼共作可降低N2O排放量9%。稻鱼共作稻田N2O排放量减少的可能原因是: 与常规稻作相比, 稻田养鱼期间的水层较深以满足鱼的生存需要, 而鱼的活动搅浑了田面水, 抑制了水体藻类的光合作用, 同时鱼的呼吸作用消耗氧气, 降低了溶氧量, 使得水层-土壤界面呈还原状态, 因此减少了N2O的排放。

稻虾/蟹共作的水分管理与稻鱼共作相似, 也同样减少了稻田N2O排放。徐祥玉等[36]研究表明, 在稻草还田条件下, 养虾稻田比不养虾的N2O排放量降低7.5%。Liu等[55]试验表明, 稻田养蟹较常规稻作可减少56%的N2O排放量, 并且有无水生植物对N2O排放影响不大。与常规稻作相比, 稻田养殖小龙虾、螃蟹使N2O减排的可能原因是: 稻田养虾、蟹除需深水灌溉导致的田间水体溶解氧含量不足之外, 还要种植水草, 如伊乐藻、轮叶黑藻等, 而藻类生长也消耗了水中的溶解氧, 反硝化作用加强, N2O生成量减少; 另外, 稻田种养施用生石灰消毒, 使水体pH升高, 而pH值与N2O排放显著负相关[56], 这是降低N2O排放的重要原因。

稻田种养下的水分管理是基于水稻和养殖生物的共同生长发育而动态变化的, 不同养殖生物对水层深度的要求不同, 而不同水层深度下的种养模式的N2O排放各不相同, 这与稻田养殖生物种类有关。一般情况下, N2O主要产生在氧气较多的条件下。稻田种养期间, 养鸭稻田的水层深度<养鱼、小龙虾稻田的水层深度, 鸭子属于凫水性动物, 可加强土壤、田间水与大气间的氧气交流, 提高溶氧, 而鱼类和小龙虾一般生活在水面以下, 它们的活动能够搅浑田间水, 抑制藻类的光合作用, 但增加水中溶氧量有限, 所以稻田养鸭N2O排放量是增加的, 而养鱼、小龙虾是可以抑制N2O排放的。

2.2.2 施肥措施

种养结合的稻田施肥措施与常规稻田不同, 一般施用有机肥料以保障养殖生物的安全与产量, 除此之外, 养殖生物的排泄物、残体等也可培肥土壤, 为水稻的生长发育提供养料。稻田种养的N2O排放受到不同类型肥料施用的明显影响。马义虎等[57]研究表明, 沼渣、秸秆、堆肥还田, 与不施用有机肥相比, N2O排放量分别提高22.1%、19.3%和8.4%, 而黑碳还田的N2O排放量与不施用有机肥相比下降了1.9%。Zhang等[58]研究表明, 施用化学肥料比施用有机肥的养鸭稻田的N2O排放速率高。另有研究表明, 麦秸还田小麦-水稻、沼渣还田小麦-水稻、水稻-绿肥和冬季休耕-水稻4种轮作系统的稻鸭共作稻田N2O排放量平均比常规稻作高5.88%~12.46%, 且稻鸭共作的稻季减排效果以绿肥还田、沼渣还田最为明显[46-48]。不同有机物料还田对稻鸭共作N2O增排的可能原因在于: 绿肥和沼渣含氮量较高, 增加了土壤中的氮含量, 但碳氮比相对较低, 具备更高的分解效率, 为硝化、反硝化作用提供了氮源, 促进N2O的产生。而麦秸具有高C/N, 土壤微生物固定氮增多, 用于硝化、反硝化过程的氮源减少, 抑制N2O产生; 此外, 麦秸腐解是耗氧过程, 氧气含量不足使反硝化彻底进行还原成N2, N2O相对较少。另外, 稻田养鸭模式下, 鸭子的粪便含高浓度NH4+, 且鸭子的活动增加了土壤与水体的溶解氧, NH4+被氧化为NO3-, 反硝化过程的底物增加, 因此N2O产生量增加; 同时, 鸭的粪便碳、氮元素含量丰富, 为土壤反硝化提供了物质和能源, 因此释放了大量N2O。稻虾共作种养模式中, 徐祥玉等[36]研究表明, 在稻草还田条件下, 养虾稻田比不养虾稻田N2O累积排放量降低7.5%, 这可能是因稻虾共作能够提高NO3-浓度, 促进了反硝化过程, 因而使得稻田N2O排放量减少。

3 稻田种养结合循环农业的温室气体排放机制分析

全球增温潜势(GWP)常用来估计不同温室气体对气候系统的潜在效应。稻田种养结合循环农业下的不同种养模式都可使稻田GWP实现不同程度的减缓, 从而减少环境问题。种养结合稻田由于养殖生物的放养, 并动态管理田间水层深浅, 影响了稻田水体溶解氧的含量、土壤Eh值; 此外, 养殖生物的残体、排泄物以及未被生物利用的饲料等直接作为有机肥料还田, 减少了基肥氮肥的施用量, 对CH4和N2O的产生和排放过程有增强或减缓作用, 而GWP的变化主要是由CH4的排放量引起的[59-60]。Xu等[19]研究发现, 相比常规稻作, 麦秸还田小麦-水稻、沼渣还田小麦-水稻、水稻-绿肥和冬季休耕-水稻4种轮作系统的稻鸭共作模式使GWP下降14.86%、8.65%、12.49%和8.22%。相比于CH4, 稻田N2O的排放量较少, 并且85.83%~96.22%的GWP由CH4排放产生[19], 展茗等[21]也得出了相同结果。可见降低CH4排放量对减缓稻田生态系统的增温效应至关重要。稻田养鸭模式GWP比水稻单作降低了7.2%[21]。稻田养小龙虾系统GWP较水稻单作系统减少了9.45%, 且主要是通过降低CH4排放来实现的[36]。稻田养鱼模式中, 虽然CH4排放量的变化尚无定论, 但N2O排放下降, 从全球增温潜势来看, 该模式也能减缓温室效应。

总之, 稻田养鸭, 由于鸭的活动可加速土壤与大气的气体交换使水体溶解氧上升、土壤Eh提高, 增强了甲烷氧化菌的活性, 促进了硝化过程, 因此CH4排放量降低, N2O排放量升高[61]; 而稻田养殖水产, 因其品种、生活的水层深度及其活动程度不同, 溶解氧的变化有所区别, 从而对CH4和N2O排放量的影响不同。小龙虾在稻田钻洞使土壤的含氧量有所增加[62], 增加甲烷氧化菌丰度, 由此降低CH4排放量; 由于深水灌溉且种植水草导致水体中溶解氧含量下降, 反硝化作用增强, N2O排放量减少。稻田养鱼也是深水灌溉, 但由于鱼的种类及其活动强度不同, 产甲烷菌产生的CH4通过多种途径扩散入大气的释放效率不等, 因此对CH4排放量影响的研究结果不一, 但田间水层较深, 反硝化作用增强, N2O排放量减少。

此外, 种养结合稻田的水分条件也会影响产甲烷菌、甲烷氧化菌、硝化细菌和反硝化细菌的数量和活性。稻田水层较深、土壤湿度较大时, 产甲烷菌数量增加, 反硝化细菌数量减少, 从而引起CH4增排、N2O减排。当然, 还有很多因素, 例如土壤质地、pH、肥水管理、微生物, 以及引入水禽/水产的生活习性等, 都会影响CH4和N2O的产生过程, 而且在释放到大气的过程中也会受到很多条件的影响, 这些因素对CH4和N2O排放量的影响仍需深入探讨。目前, 稻田种养结合循环农业的温室气体排放的基本机制如图1所示。

图1 稻田种养结合循环农业的温室气体排放机制分析

4 讨论

稻田种养结合模式在稻田中放养水禽/水产, 养殖生物的觅食等活动对稻田杂草和水稻病虫起到一定的防控作用, 生物粪便可作为有机肥, 减少化学药剂和无机肥的施用, 实现水稻稳产的同时, 增加水禽/水产收益, 改善农(水)产品品质[1,63], 也可改善稻田土壤性状和农田生态环境。

有关稻田种养对稻田温室气体的排放研究以稻鸭共作最多, 近年来稻田种养的类型越来越多样化, 构成的生态系统较为复杂, 以下几个方面需要继续深入探讨和研究:

1)肥水管理及其环境效应。稻田种养结合循环农业的水分管理不仅要基本满足水稻的生长需要, 也要满足养殖生物的水层要求, 并且不同生长阶段的水层深度不同[18], 因此, 要因种因地因水进行稻田温室气体在线监测和连续分析, 以确定适宜的动态水分管理; 而施肥对种养结合稻田温室气体排放的影响较为复杂, 虽然种养结合稻田因深水灌溉可能减少了CH4和N2O排放, 但在保证水稻稳产的同时, 如何合理施肥(包括施肥量、运筹和方法等)才能尽可能地减少温室气体排放有待进一步完善, 特别是不引起温室气体增排的施肥措施需要深入探讨; 另外, 稻田种养也要注意施肥、水分对CH4和N2O排放的交互作用, 进一步揭示肥水管理指标, 探索出适当的肥水条件, 以能促进水稻和水产/水禽的生长, 又能达到控制温室气体排放的效果。

2)温度和溶氧条件。稻田种养的生长期主要在温度较高的春末、夏季和秋初, 而且稻田生物量较大, 易造成水体氧含量不足, 不仅会促进CH4的产生, 也会使硝化过程中NO2-不能彻底氧化成NO3-[51], 导致N2O生成量增加, 最终GWP提高而影响环境。因此, 需要进一步明确稻田温度、溶氧和养殖生物生长之间的耦合效应, 特别是利用稻田“微孔增氧”、“生物增氧”等途径, 增加水体溶氧量, 提高甲烷氧化菌活性, 致使产生的CH4在传输至大气之前就被氧化, CH4排放量减少, 且水体供氧提高, 硝化作用完全, N2O排放量减少, 从而减缓稻田产生的温室效应; 其次, 也避免养殖生物受高温缺氧的胁迫, 降低养殖风险。

3)微生物菌剂的施用。稻田综合种养需要施用大剂量、高活性、多类型的复合微生物菌剂, 也带入了一部分养料, 这些可能会增加土壤中有机物来源; 此外连续多年实施稻田种养, 往往导致底泥物化性质恶化, 引发温室气体的增排。目前, 土壤微生物对温室气体排放的影响缺乏长期大田试验, 需进一步研究分析。

4)稻田种养密度。稻田养殖生物的种类不同, 其适宜密度范围也不同[64]。若养殖生物投放量过多, 种养结合向纯粹的水产养殖偏移, 生物的排泄物、残体等会作为额外的碳源, 且它们的呼吸作用会消耗掉更多的氧气, 使土壤含氧量降低, 土壤产甲烷菌活性提高, 厌氧条件下生成的CH4增多[48]; 同时, 生物的排泄物、残体等也提供了额外的氮源, 使N2O的排放量增加, 加剧了温室效应, 也加重了稻田环境负担。若养殖生物投放量较少, 则不能获得种养的综合效益。另外, 由于养殖生物在稻田的穿行运动, 水稻种植的适宜基本苗和株行距配置显得十分重要, 如何确定不同养殖生物稻田的水稻密度及其环境效应也需要系统分析。

总之, 稻田种养结合循环农业, 以“稻”为主, 以调“水”为关键, 实现以水促长、控排、固根、增氧、调质, 充分发挥稻田种养结合循环农业的稳产增效和绿色减排, 实现生态农业在农业供给侧改革和乡村振兴中的美好篇章。

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Regulation and mechanism of greenhouse gas emissions of circular agriculture ecosystem of planting and breedingin paddy*

WANG Qiangsheng

(Laboratory of Modern Farming System and Ecological Circular Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Rice is an important food crop in China and contributes immensely to ensuring food security, the national economy and the people’s livelihood. Paddy fields make a significant fraction of greenhouse gases (GHG) emissions sources, including methane (CH4) and nitrous oxide (N2O). Therefore, controlling GHG emissions from rice fields is critical in mitigating global greenhouse effects. In recent years, the combination of planting and breeding in paddy has developed rapidly in China. The mode not only keeps a steady yield, increasing efficiency and promoting green development, but also changes the characteristics of GHG emissions and global warming potential (GWP) in paddy fields. Several combinations of planting and breeding in paddy (including rice-duck, rice-crayfish, rice-fish, rice-crab and rice-turtle) add niche and extend the food chain in rice paddy ecosystems. GHG emissions and GWP of the combination of planting and breeding in paddy are affected by the continuous movement and feeding activities of breeding organisms in the ecosystem with an appropriate mitigation of GHG emission. In order to provide theoretical and technical bases for GHG emissions mitigation, rice benefits increment and a healthy development of the combination of planting and breeding in paddy, this paper summarizes the characteristics of CH4and N2O emissions and the effects of fertilizer and irrigation management and also explores available methods and research prospects used to reduce GHG emissions.

Paddy field; Combination of planting and breeding; Circular agriculture; CH4emission; N2O emission; Fertilizer and irrigation management

, WANG Qiangsheng, E-mail: qswang@njau.edu.cn

Nov. 20, 2017;

Dec. 4, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171068

X511; S318

A

1671-3990(2018)05-0633-10

2017-11-20

2017-12-04

* This study was supported by the Central Finance for Major Agricultural Innovative Technology Extension of China (TG2016006), the Special Fund for the S&T Plans According to Policies Guidance of Jiangsu Province, China (SZHA2017022), the Agrotechnical Innovation Projects of Jiangsu Province, China (SXGC2016309, SXGC2016243), and the Key R&D Projects of Jurong City, Jiangsu Province, China (NY2017608371).

* 中央财政重大农业技术推广项目(TG2016006)、江苏省政策引导类科技专项(SZHA2017022)、江苏省农业三新工程项目(SXGC2016309, SXGC2016243)和句容市科技支撑项目(NY2017608371)资助

王强盛, 主要研究方向为作物生理生态、生态循环农业研究。E-mail: qswang@njau.edu.cn

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