太湖地区两种典型水产养殖系统CH4排放研究

马煜春 ，孙丽英，刘翠英，杨波，汪方圆，周伟

1. 江苏省农业气象重点实验室/南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 210044；

2. 中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京210008；3. 农业部环境保护科研检测所，天津 300191

甲烷（CH4）是大气中主要的温室气体之一。根据IPCC第五次评估报告，在100年的时间尺度内，单位质量CH4的全球增温潜能（GWP）是二氧化碳（CO2）的28倍（IPCC，2013）。湿地系统是大气CH4的重要排放源（杜慧娜等，2016；胡敏杰等，2016）。目前，中国关于湿地系统温室气体排放的研究主要集中在天然湖泊、河流、沟渠、水库等天然湿地系统（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），对于人工水产养殖系统温室气体排放的研究较少（Liu et al.，2016；Yang et al.，2015）。

水产养殖过程中会投放大量的营养物质作为饲料，富余的部分不仅促进了水产养殖系统的初级生产，还会通过影响微生物过程直接或间接影响碳氮生物地球化学过程，进而影响温室气体CH4的排放（Serrano-Grijalva et al.，2011；Zhang et al.，2015；Xiao et al.，2017）。水产养殖系统作为CH4排放重要的人为源，近年来受到世界各国的广泛关注（杨平等，2013）。然而，目前中国对水产养殖系统中温室气体CH4排放的研究数据较少，尤其缺乏以周年为时间尺度的监测数据，使得各研究结果之间具有很大的变异性（宋红丽等，2017）。Liu et al.（2016）对比了水稻田和由其转变而来的蟹塘的CH4排放，发现水稻田转变成蟹塘能减排48%的CH4，这说明水产养殖湿地CH4排放规律可能不同于其他湿地系统。此外，水产养殖系统中的环境因素，如温度、溶解氧（DO）、溶解有机碳（DOC）等均会在一定程度上影响该类系统的CH4排放。

近年来，由于人类对水产品的需求逐渐增大，全球水产养殖面积已经达到257万公顷（占作物种植面积的10%）（Williams et al.，2010）。中国的水产养殖量占世界水产养殖量的70%，其中41%的产量来自淡水养殖。位于中国东南部的太湖地区是水产养殖最活跃的地区之一，由于饵料的过量投放，水产养殖已经对当地的水体环境造成了一定危害，但目前关于养殖湿地CH4排放的观测研究却很缺乏（Cao et al.，2007）。因此，本研究采用漂浮箱（淹水期）和静态箱（排水期）结合气相色谱法周年监测数据比较太湖地区混养鱼塘和蟹塘的温室气体排放规律，探明CH4排放变化影响因素，为准确评估水产养殖温室气体排放清单提供重要的数据支持和科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

本研究选取太湖地区两种典型的水产养殖湿地为研究对象，分别为混养鱼塘和蟹塘。混养鱼塘和蟹塘试验监测点位于中国科学院常熟农业生态实验站附近（31°32'93''N，120°41'88''E）。该地区属于北亚热带湿润气候区，平均气温和年降水量分别为15.5 ℃和1038 mm。混养鱼塘与蟹塘之间的距离约为200 m，均有连续5年以上的鱼类和蟹类养殖历史。混养鱼塘和蟹塘沉积物总氮质量分数分别为 1.56 g·kg-1和 1.49 g·kg-1，沉积物容重分别为 1.34 g·cm-3和 1.25 g·cm-3，沉积物有机碳质量分数分别为 31.44 g·kg-1和 20.03 g·kg-1，沉积物 pH 分别为 6.8和7.0（土水质量比为2.5∶1）。

两种湿地类型分别设置4个重复，混养鱼塘规格为50 m×140 m，蟹塘规格为50 m×100 m。其中，蟹塘包括有水生植物覆盖区域（占整个蟹塘面积的60%）和无水生植物覆盖区域（占整个蟹塘面积的40%）两部分。混养鱼塘和蟹塘的深度分别为2.0 m和1.4 m。根据当地水产养殖习惯，于2016年3月22日分别放养黑鲤鱼鱼苗（Mylopharyngodon piceus，250 kg·hm-2），草鱼鱼苗（Ctenopharyngodon idella，650 kg·hm-2）和鲢鱼鱼苗（Hypophthalmichthys molitrix，270 kg·hm-2），以青绿饲料（苏丹草，Sorghum sudanense）、蜗牛复合饲料和颗粒饲料作为鱼饲料；于 2016年 3月 28日，放养幼蟹苗（Eriocheir sinensis，100 kg·hm-2），以玉米、冰鲜带鱼和复合饲料作为螃蟹饲料。3月14日在池塘底部种植伊乐藻（Elodea nuttallii），其高度约为0.3 m，其面积约为蟹塘底部沉积物面积的60%。混养鱼塘和蟹塘每年以饲料形式投入的氮量分别为 550 kg·hm-2和 469 kg·hm-2。具体饵料投放时间、投放量及其他管理措施见表1。

1.2 采样方法

1.2.1 CH4排放通量测定

温室气体CH4采用静态箱（淹水期）和漂浮箱（排水期）-气相色谱法测定。采样箱用5 mm厚的PVC板制成，规格为50 cm×50 cm×50 cm，在淹水期，将底座固定于20 cm厚的中空泡沫板内，并保证底座完全处于水面约5 cm以下，确保整个采样过程中不出现漏气现象。用绳子将每个池塘内的采样底座连在池塘的中轴线上，并确保底座分别固定于水草覆盖区和无水草覆盖区内。为了减少采样过程中对采样点的人为干扰，在混养鱼塘和蟹塘湿地内均搭设了栈桥。在排水期，向提前固定于池塘底部的底座凹槽中注满水以密封土壤与采样箱之间的空隙。采集样品时，预先将500 mL气袋抽真空，将其连接于自动采样装置上，分别在箱体密闭后0、10、20和 30 min采集箱内气体，用安捷伦气相色谱7890A在48 h内完成浓度测定。根据箱体内CH4浓度线性变化规律计算温室气体CH4排放通量。2016年3月—2017年1月，采用漂浮箱采集温室气体，淹水期间采样频率为每月采集3次或者4次；2017年1月—2017年3月采用静态箱采集温室气体，采样频率为每周1～2次。每次采样在上午9:00—11:00时间段内完成。

表1 混养鱼塘和蟹塘的农业实践和氮含量Table 1 Agricultural practice and content of nitrogen in the mixed fish and crab aquaculture ponds

1.2.2 辅助指标测定

气象数据来自于常熟农业生态试验站的气象站，试验期间的日平均气温和降水如图1所示。该气象站距离鱼塘监测点的距离约为100 m，距离蟹塘监测点的距离约为200 m。采集气样的同时使用多参数水质分析仪（YSI Exo 1 multiparameter probe，美国）原位测定沉积物温度（t）和水体溶解氧（DO），测定精确度分别为 0.01 ℃和 0.1 mg·L-1。沉积物可溶性有机碳（DOC）含量使用TOC分析仪（Multi N/C 3100 multi-analyzer，Analytik JenaAG，德国）测定。沉积物NO3-N和NH4+-N含量由自动化学分析仪（SmartChem 140 discrete auto-analyzer，Eestco Scientific Instruments，美国）

图1 大气平均气温和降雨量Fig. 1 Mean air temperature and rainfall

测定（Zhou et al.，2017）。

1.3 统计分析

CH4排放通量计算公式为（Ma et al.，2013）：

式中，F 表示 CH4的排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ表示标准状况下CH4-C的密度，数值为0.54 g·L-1；V表示气体采样箱的体积（m3）；A表示底座内框的面积（m2）；∆C/∆t表示CH4的排放速率；T表示箱内温度（℃）。

以各处理 4次重复的平均值作为 CH4排放通量；采样周期内CH4的平均排放通量以相邻两次采样时间间隔为权重，将各次排放通量进行加权平均计算获得；其累积排放量用平均排放通量和采样时间的乘积表示。

运用Microsoft Excel 2010进行图表制作；运用SPSS 19.0软件进行数据统计分析（表2），显著性差异水平为 P＜0.05（Student’s法）；采用 Spearman 法分析各指标与CH4排放通量之间的相关性（表2）。

2 结果

2.1 混养鱼塘和蟹塘CH4排放规律

由图2可知，混养鱼塘和蟹塘CH4排放季节变化趋势基本相同。两种水产养殖湿地CH4排放通量随着淹水时间的延长和温度的上升而逐渐升高，排水期间CH4排放几乎为零，直到收获（图1和图2）。混养鱼塘CH4排放通量峰值较蟹塘高，其峰值分别为 2.12 mg·m-2·h-1和 1.70 mg·m-2·h-1（图 2a）。水草覆盖区域和无水草覆盖区域的蟹塘中 CH4排放通量峰值分别为 1.70 mg·m-2·h-1和 1.47 mg·m-2·h-1（图2b）。混养鱼塘和蟹塘的 CH4累积排放量分别为64.3 kg·hm-2和 51.6 kg·hm-2（图 3），差异显著（P＜0.05）。蟹塘中有水草覆盖区域的CH4累积排放量较无水草覆盖区域高 14%（图 3），差异显著（P＜0.05）。两种典型的水产养殖湿地中，CH4排放均集中在淹水期间（2016年3月—2017年1月），表现为大气CH4的源，而混养鱼塘和蟹塘（水草覆盖区域和无水草覆盖区域）排水期的CH4平均排放通量分别为(0.0006±0.006)、(0.0003±0.0096)、(-0.0061±0.0032) mg·m-2·h-1，几乎可以忽略不计，甚至表现为大气CH4极微弱的汇（图2）。

2.2 CH4排放对环境因子的响应

混养鱼塘和蟹塘水体中溶解氧（DO）的质量浓度变化范围分别为 3.6～6.6 mg·L-1和 5.1～8.1 mg·L-1。沉积物 10 cm深度处温度变化范围分别为3.8～33.7 ℃和2.5～32.4 ℃。沉积物DOC质量分数分别介于 50～316 mg·kg-1和 61～325 mg·kg-1之间。沉积物NH4+-N质量分数均较高，变化范围分别为5.1～35.6 mg·kg-1和 1.0～6.3 mg·kg-1，混养鱼塘显著高于蟹塘（P＜0.05）。此外，混合鱼塘和蟹塘中NO3--N 质量分数范围分别为 0.2～1.7 mg·kg-1和0.1～0.5 mg·kg-1。Spearman 相关分析结果表明（表2），混养鱼塘和蟹塘中CH4排放与沉积物温度（t）和沉积物 DOC含量呈显著正相关关系，与水体溶解氧DO呈负相关关系，CH4排放量不受矿物氮含量的影响。

表2 淹水期和排水期CH4排放通量与水产养殖系统中参数之间的相关性（Spearman’s）Table 2 Spearman's correlations between CH4 flux and aquaculture parameters during the waterlogging and drainage periods, respectively

图2 混养鱼塘和蟹塘CH4排放通量的季节变化Fig. 2 Seasonal variation of CH4 emission flux from the mixed fish pond and crab pond, respectively

3 讨论

3.1 水产养殖湿地CH4排放量

本研究中，混养鱼塘 CH4年平均排放通量为0.73 mg·m-2·h-1，蟹塘有水草覆盖区域和无水草覆盖区域的CH4年平均排放通量分别为0.61 mg·m-2·h-1和 0.54 mg·m-2·h-1。笔者汇总了中国水产养殖系统中关于CH4排放的研究结果，其平均排放通量的变化范围为 0.0042～123 mg·m-2·h-1（表 3），表现出极大的变异性。笔者发现已发表的文献中仅有胡志强（2015）与Liu et al.（2016）的研究是以年为周期进行的监测研究，而其他文献结果均是在不同季节进行的监测研究，这可能是导致CH4排放结果差异较大的主要原因。与胡志强（2015）和Liu et al.（2016）在其他地区的周年监测的CH4排放通量相比，本研究中混养鱼塘和蟹塘CH4年平均排放通量分别较其高90%和49%（表3），说明鱼塘和蟹塘CH4具有地区差异性。因此，准确评估养殖湿地CH4排放需要更多的周年监测数据。

3.2 环境因子对CH4排放的影响

混养鱼塘和蟹塘中CH4排放通量与沉积物温度（t）、水体溶解氧DO和沉积物DOC浓度等环境因素有关（表2）。表2显示CH4排放通量与沉积物温度（t）呈显著正相关关系，这表明水产养殖中的水热条件显著影响CH4排放。温度升高一定程度上能促进CH4排放，与前人的研究结果一致（马煜春等，2011）。温度不仅会影响 CH4的产生、运输和扩散速率，还会对水体中溶解氧浓度产生影响（Therien et al.，2005；Kellner et al.，2006；Sun et al.，2013；Treat et al.，2014）。一般认为，高浓度溶解氧能够促进CH4氧化，从而减少CH4排放，反之，低浓度溶解氧抑制CH4氧化（Yang et al.，2015）。本研究结果也证实了CH4排放与水体DO浓度的显著负相关关系，水体DO浓度是影响CH4排放的关键因素（表2）。沉积物中可溶性有机碳（DOC）为产CH4菌提供基质，显著促进CH4产生（Singh et al.，2000；Shang et al.，2011）。本研究也证实了可溶性有机碳（DOC）能够在一定程度上影响CH4排放（P＜0.05）。混养鱼塘CH4排放量较蟹塘显著增加25%，主要是由于混养鱼塘中DO显著低于蟹塘（P＜0.05），而沉积物DOC浓度显著高于蟹塘引起的（P＜0.05）。

3.3 水生植物对CH4排放的影响

有水生植物覆盖区域的CH4排放较无水生植物覆盖区域增加了14%，差异显著（图3，P＜0.05），这与Liu et al.（2016）和Hu et al.（2016）的研究结果一致。主要原因有以下两点：一方面，在有水生植物覆盖的区域内，植物以及植物根系会分泌出有机物质，为产甲烷菌提供基质，同时消耗 DO，进一步降低该区域水体DO的浓度（Palma-Silva et al.，2013；Wang et al.，2013）；另一方面，植物根系周围的硝化细菌和异养生物等也会消耗 DO，加剧该了区域的厌氧环境，从而提高CH4的产生潜力（Bhullar et al.，2014）。另外，前人研究表明植物作为CH4传输的重要途径（Ma et al.，2013），在本研究中也得到了证实。

3.4 混养鱼塘和蟹塘单位收入的净温室效应

以混养鱼塘和蟹塘全年的CH4排放量所引起的净增温效应和年收入来计算单位收入的净温室效应（图4），这种同时考虑经济效益和环境效应的评价指标，适用于评价和比较两种典型水产养殖系统中的CH4排放量。在100年时间尺度上，混养鱼塘和蟹塘单位收入的温室效应分别为 21 kg·income-1和38 kg·income-1（图4）。蟹塘单位CH4排放收入的温室效应较混养鱼塘高80%，差异显著（P＜0.05）。

图4 混养鱼塘和蟹塘单位收入净温室效应Fig. 4 NEB-scaled GWP-CH4 from the mixed fish pond and crab pond

4 结论

本研究结果表明，中国太湖地区的混养鱼塘和蟹塘水产养殖系统均表现为较强的大气 CH4排放源。其 CH4排放主要集中在淹水期间，混养鱼塘CH4排放量显著高于蟹塘。蟹塘单位CH4排放收入的温室效应较混养鱼塘高80%，因此，在评价不同的水产养殖系统的温室气体排放时，既要考虑其经济效应，又要考虑其环境效应。