投喂率对稻-黄颡鱼共作系统气态氮散失和饲料氮利用率的影响

吴俊男，鲍婷，王梦杰，李凤博，冯金飞，方福平

（中国水稻研究所，杭州 311401）

池塘养殖是我国淡水养殖业的重要组成部分，2010 年以来池塘养殖产量占我国淡水养殖总产量的70%以上（中国渔业统计年鉴，2010—2020）。为了提高产量和效益，我国池塘养殖普遍采用高密度、大投饲量的精养模式[1]。然而，精养模式下水产动物对饲料氮的利用率较低，一般为11%～36%[2]。冗余饲料会残留在养殖水体和底泥中，对周边水体和大气环境产生较多负面影响，如水体氮素富营养化、N2O 和NH3排放等问题[3-5]。据估计，2030年全球水产养殖业N2O排放量将达到3.83×105t（以N 计），占全球人为总排放量的5.72%[4]；也有研究估算，斑点叉尾鮰养殖塘中夏季氨挥发量高达24 kg·hm-2[5]。可见养殖池塘是我国不可忽视的气态氮素排放源之一，减少养殖池塘的气态氮排放具有重要意义。

在我国，稻鱼共作是历史悠久的生态农作系统，除了传统基于稻田系统的稻田养殖成鱼模式外，近年来发展出基于养殖池塘的浮床种稻[6]、池塘直接种植高秆水稻[7]等多种稻鱼共作模式。饲料投喂是影响稻鱼共作系统养分供给、水产品生长以及环境效应的关键因素。HU 等[8]研究了饲料和化肥氮配比对稻田养鱼模式氮素利用效率的影响，结果显示63.0%饲料氮+37.0%化肥氮有利于保障水稻产量、增加鱼产量，且不会增加氮污染。SUN等[9]对稻虾共作模式的研究结果显示，投喂饲料会显著增加稻虾共作模式的N2O排放量，投饲料养虾稻田的N2O 累积排放量比不投饲料养虾稻田增加24.4%～33.2%。投喂率是水产养殖中调控饲料投喂的关键参数，直接影响鱼类生长状况和养殖废物排放[10-11]。HU 等[12]对集约化养殖系统氮转化的研究结果表明，投喂率增加会导致养殖水体氮养分含量升高，促进N2O 的排放。但以往关于投喂率的研究主要集中在水产养殖单作系统[13]，而投喂率对稻鱼共作系统氮循环以及气态氮散失的影响尚不清楚。

为此，本研究以黄颡鱼养殖塘种稻模式为例，采用盆栽模拟实验，研究了不同投喂率（0%、2%、4%、6%和8%）对稻-黄颡鱼共作模式N2O 和NH3排放动态、水体和底泥不同形态氮含量的影响，以期为池溏种稻模式饲料投喂率的优化提供理论依据，避免过度投喂造成资源浪费和负面环境影响。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在浙江省杭州市富阳区中国水稻研究所实验农场（30°05′N，119°95′E）中进行。参照黄颡鱼养殖常用的投喂率水平（鱼苗体质量的4%左右），在稻-黄颡鱼共作模式中设置了0%、2%、4%、6%和8%共5 个投喂率（FR-0%、FR-2%、FR-4%、FR-6%和FR-8%），在黄颡鱼单养模式设4%投喂率（F-4%），每个处理3 次重复。养殖桶规格为长1.75 m、宽1.25 m、高1.00 m。试验土壤为多年养鱼池塘底泥，经过风干、粉碎混匀后装入塑料养殖桶。每个桶装入25 cm厚的底泥。底泥总氮含量为（1.27±0.02）g∙kg-1，铵态氮含量为（24.23±2.05）mg·kg-1，硝态氮含量为（5.59±1.26）mg·kg-1，有机质含量为（19.51±0.58）g·kg-1，pH为6.26±0.21。

水稻选用高秆品种安粳优1号，2019年6月21日移栽水稻，水深为5 cm。每个桶栽种4丛水稻，每丛2株，株行距为50 cm×50 cm。移栽后，随水稻生长而补加去氯自来水，水深以不淹没水稻心叶为准，以免影响水稻正常生长。水稻收获时，水深为65 cm。黄颡鱼苗选用瓦氏黄颡鱼，7月29日放入鱼苗（每条4.05 g左右），每个试验桶80 条。7 月30 日开始投喂粗蛋白含量为42.8%的膨化颗粒饲料，将日粮按4∶6 两次投喂，投喂时间为7：00、18：00，10月23日收获。每个月随机捕捞各处理桶中10 条鱼称质量，据此调整投喂量。实验期间，放入鱼苗后夜间使用增氧泵供氧，水体溶解氧平均浓度维持在6.5 mg·L-1以上。未使用任何化肥、除草剂和杀虫剂。

1.2 样品采集与测定方法

（1）气体样品：N2O 样品采集使用静态箱法，静态箱是0.5 m×0.5 m×0.5 m的不锈钢暗箱，每个盆栽桶内装有可调节支撑架，随桶内水深增加调节取样支撑架位置。每次取样均在固定位置进行，静态箱内包括一株水稻。从水稻移栽第3 天开始，每隔一周进行N2O采样，每次采样在上午8：00—10：00 进行。通过自动采样器以10 min间隔（0、10、20、30 min）分别抽取静态箱内300 mL气体转移到真空铝箔袋中，带回实验室24 h 内完成测定。N2O 排放通量使用气相色谱仪（岛津GC 2010，日本）测定。N2O排放通量计算方法[14]：

式中：F（N2O）表示N2O 排放通量，μg·m-2·h-1；ρ表示标准状态下的N2O 密度（1.25 kg·m-3）；V表示取样箱体积，m3；A表示取样箱底面积，m2；P表示取样箱内的大气压；P0表示标准大气压；dC/dt表示取样箱内N2O含量随时间变化的斜率（10-6min-1）；T表示取样箱内平均温度，℃。

NH3挥发样品采集使用改进的动态气流吸收法[15]，收集装置由气泵、密闭箱、吸收瓶、安全瓶和气吹式流量计组成。密闭箱规格与N2O 取样静态箱相同。NH3采样持续时间45 min，在下午1：30—3：30进行，与N2O采样日期相同。NH3挥发通量计算方法[7]：

式中：F（NH3）表示NH3挥发通量，mg·m-2·h-1；C表示吸收液中的浓度，mg·L-1；V表示氨挥发吸收液体积，mL；t表示取样时间，h；A表示取样箱底面积，m2。

N2O和NH3累积排放量计算方法[16]：

式中：E表示N2O 或NH3累积排放量，kg·hm-2；Fi表示第i次取样测得N2O 或NH3排放通量，μg·m-2·h-1或mg·m-2·h-1；Fi+1表示第i+1 次取样测得N2O 或NH3排放通量，μg·m-2·h-1或mg·m-2·h-1；D表示相邻两次取样间隔时间，d。

本研究进一步采用了单位黄颡鱼产量N2O 排放量来综合评价投喂率对养殖产出N2O 排放的影响，计算方法[4]如下：

式中：G表示N2O排放量，g；Y表示黄颡鱼产量，kg。

（2）水样：水样采集与气体样品采集同步，使用取水器取试验桶内0～15 cm 的混合水样1 000 mL，装于聚乙烯塑料瓶中，保存于4 ℃冰箱，24 h 内测定相关参数。用便携式溶氧仪（Mettler Toledo，Seven2 Go Pro S9）原位测定水体溶解氧浓度（DO），pH 计测定水体pH。使用流动注射分析仪（SKALAR Sans Plus Sys⁃tems，荷兰）测定水体总氮（TN）、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮浓度。

（3）底泥样品：每个月使用取土器采集水稻根部附近0～15 cm 深的底泥，混匀后分为两份，一份作为鲜样在-20 ℃冰箱中保存，另一份作为风干样放于阴凉处风干后过筛。使用紫外分光光度计（LabTech UV9100D）测定底泥鲜样中铵态氮、硝态氮含量。采用半微量凯氏定氮法测定底泥风干样总氮（TN）含量。

（4）黄颡鱼样品：试验结束时统计每个试验桶黄颡鱼存活率和收获产量，并随机选取10 条鱼，测定粗蛋白（CPR）含量，计算特定生长率、饲料转化系数和饲料利用率。参考《实验动物配合饲料常规营养成分的测定》（GB/T 14924.9—2001）测定饲料、黄颡鱼粗蛋白含量和氮含量。黄颡鱼相关参数按照下列方法[13]计算：

式中：Wt和W0分别是黄颡鱼收获质量和放养质量，kg；t为试验时间，d；CPRt和CPR0分别是黄颡鱼收获和放养时粗蛋白含量，%；n是黄颡鱼的数量；Nt和N0分别是黄颡鱼收获和放养时氮含量（CPR/6.25）；Nf是饲料氮含量，%；Wf是投喂饲料质量，kg。

1.3 数据分析统计

采用Excel 2013和Origin Pro 9.0软件进行数据整理和制图，SPSS 19.0软件进行方差分析（Duncan′s）以检验处理间各指标的差异显著性（P<0.05）。数据为3个重复的均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 投喂率对N2O与NH3排放的影响

由图1a 可知，在稻-黄颡鱼共作处理中，未投喂处理（FR-0%）N2O 排放通量没有出现明显的排放峰，并且在10 月8 日（-10.51 μg·m-2·h-1）、10 月14 日（-14.34 μg·m-2·h-1）和10 月21 日（-4.53 μg·m-2·h-1）呈净吸收状态。FR-2%、FR-4%、FR-6%和FR-8%处理N2O 排放通量均在10 月14 日出现一次排放峰值，其中FR-8%处理峰值远高于其他处理。黄颡鱼单养处理F-4%分别在7 月15 日（30.45 μg·m-2·h-1）、10 月14 日（42.15 μg·m-2·h-1）出现N2O 排放通量峰值。从N2O累积排放量来看（图2），稻-黄颡鱼共作处理中，FR-0%处理呈净吸收状态（-0.01 kg·hm-2），而FR-2%（0.11 kg·hm-2）、FR-4%（0.19 kg·hm-2）、FR-6%（0.33 kg·hm-2）和FR-8%（0.72 kg·hm-2）处理呈净排放状态。投喂率增加会促进稻-黄颡鱼共作模式中N2O 排放，各处理N2O 累积排放量随投喂率增加而显著增加（图2a）。投喂率也会影响稻-黄颡鱼共作模式对N2O 排放的抑制效应。在相同投喂率下，稻-黄颡鱼共作处理（FR-4%）比黄颡鱼单养处理（F-4%）N2O 累积排放量显著降低32.1%。当投喂率增加至6%时，FR-6%处理与F-4%处理N2O 排放量无显著差异；但当投喂率增加至8%时，FR-8%处理N2O 排放量则比F-4%处理显著增加了157.1%。

不同处理中NH3挥发通量变化趋势基本一致（图1b），均在7 月1 日出现NH3挥发峰值，之后各处理NH3挥发通量迅速下降，放入鱼苗、投喂饲料等措施对各处理NH3挥发通量未产生显著影响。从NH3挥发总量来看（图2b），投喂率对稻-黄颡鱼共作处理NH3挥发量无显著影响，各处理间NH3挥发总量无显著差异。与黄颡鱼单养处理相比，稻-黄颡鱼共作显著降低了NH3挥发量，5个稻-黄颡鱼共作处理NH3挥发总量均显著低于黄颡鱼单养处理。

图1 试验期内不同处理的N2O（a）与NH3（b）排放通量变化Figure 1 Dynamics of N2O（a）and NH3（b）emissions under different treatments during the experimental periods

图2 各处理中N2O（a）和NH3（b）累积排放量Figure 2 Cumulative emissions of N2O（a）and NH3（b）in each treatment

2.2 投喂率对水体和底泥氮含量的影响

由图3 可见，受水稻的生长吸收作用影响，投喂饲料前稻-黄颡鱼处理水体总氮、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮含量均呈逐渐降低趋势。7 月29 日放鱼投喂饲料后，FR-0%处理水体总氮和无机氮含量无明显变化，其他各处理水体总氮和无机氮含量呈增加趋势；投喂一周后（8 月5 日），FR-2%、FR-4%、FR-6%和FR-8%处理中总氮、铵态氮含量出现一次较低的峰值，10 月8 日出现一次较高的峰值。其中，FR-8%处理峰值远高于其他处理。各处理水体硝态氮含量呈逐渐增加趋势。水体亚硝态氮含量呈波动变化趋势，在8月12日和10月8日各出现一次峰值。从平均含量来看（表1），饲料投喂显著增加了水体总氮和无机氮含量。FR-2%、FR-4%、FR-6%和FR-8%处理中水体总氮和无机氮含量均显著高于未投喂处理，且随投喂率的增加呈显著增加趋势。相同投喂率条件下，FR-4%处理水体总氮、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮平均含量比F-4%处理分别显著降低了48.63%、31.43%、69.13%和69.23%。稻-黄颡鱼共作处理中底泥总氮、铵态氮和硝态氮含量均显著低于黄颡鱼单养殖处理。投喂率对稻-黄颡鱼共作处理底泥铵态氮含量具有显著影响，FR-0%和FR-2%处理底泥铵态氮显著低于FR-4%、FR-6%和FR-8%处理。

表1 各处理水体、底泥中总氮和无机氮平均含量Table 1 Average contents of total nitrogen and inorganic nitrogen in the water and soil of each treatment

图3 各处理中水体总氮（TN）和无机氮含量变化Figure 3 Dynamics of the concentrations of total nitrogen（TN）and inorganic nitrogen in the water of each treatment

2.3 投喂率对黄颡鱼生长性能和饲料氮利用的影响

如表2所示，稻-黄颡鱼共作模式中，FR-0%处理黄颡鱼产量和各生长特性指标最低，黄颡鱼只能维持存活，无法正常生长。投喂率对黄颡鱼收获产量、生长性能（SR、SGR）、饲料转化（FCR、FU）和粗蛋白沉积（CPR、PG）均有显著影响。6%投喂率处理中黄颡鱼产量最高，投喂率超过6%时，黄颡鱼质量显著降低。从黄颡鱼生长性能来看，FR-2%、FR-4%和FR-6%处理存活率显著高于FR-0%、FR-8%处理，投喂率过高会降低黄颡鱼存活率。SGR 随投喂率增加呈先增加再降低趋势，FR-6%处理中SGR最高，投喂率超过6%时，SGR显著降低。从饲料转化情况来看，FCR随投喂率增加呈增加趋势，饲料氮利用率则随投喂率增加而下降。其中，FR-2%处理中饲料转化系数最低，饲料氮利用率最高。从黄颡鱼蛋白沉积情况来看，PG随投喂率增加呈先增加后下降趋势，FR-4%处理中蛋白增加量最高。F-4%中黄颡鱼收获质量、SR、SGR、FCR和FU与FR-4%处理无显著差异，但CPR、PG显著低于后者。这说明相同投喂率情况下，稻-黄颡鱼共作处理不影响黄颡鱼生长和存活情况，但稻-黄颡鱼共作环境有利于黄颡鱼粗蛋白沉积。综合上述指标来看，增加投喂率对稻-黄颡鱼共作处理中黄颡鱼生长性能、饲料转化和粗蛋白沉积有促进作用；但当投喂率增加到8%时，饲料投喂量明显过量，不仅对黄颡鱼生长性能提升作用有限，反而会导致水质恶化，影响黄颡鱼存活率和产量。

表2 投喂率对黄颡鱼生长、饲料转化和粗蛋白沉积的影响Table 2 Effects of feeding rate on growth，feed conversion and crude protein of yellow catfish（Pelteobagrus fulvidraco）

分别依据SGR、PG、单位产量N2O 排放量与投喂率的关系进行回归分析（图4），结果表明稻-黄颡鱼共作处理中最大特定生长速率对应投喂率是5.49%，最高蛋白增加量对应投喂率是5.16%。最小单位产量N2O-N 排放量对应的投喂率是1.00%。结合生产实际，在保障黄颡鱼生长性能的前提下，尽可能减少单位产量N2O 排放量，建议稻-黄颡鱼共作模式的投喂率不超过5.49%。

图4 投喂率与持定生长率（a）、蛋白增加量（b）和单位产量N2O排放量（c）的回归分析Figure 4 Regression analysis of feeding rate and SGR（a），PG（b）and N2O emission per kilogram of fish（c）

3 讨论

3.1 投喂率对稻-黄颡鱼共作处理N2O 和NH3排放的影响

本研究中黄颡鱼单养处理N2O 平均排放通量（9.74 μg·m-2·h-1）与黄颡鱼养殖池塘的观测 结果（12.14 μg·m-2·h-1）[7]接近，但远低于青鱼、鲤鱼混养池塘（30.4 μg·m-2·h-1）和螃蟹养殖池塘的观测结果（32.66 μg·m-2·h-1）[17]。这可能是养殖鱼类的消化特点、饲料投喂和水深等因素造成养殖环境不同，使N2O 排放结果具有较大差异[18-19]。在相同投喂率条件下，稻-黄颡鱼共作处理N2O 排放量比黄颡鱼单养处理降低了32.1%。这主要是因为：一方面，水稻植株生长吸收养分，直接降低水体和底泥中NH+4和NO-3含量[20]；另一方面，水稻茎和水生根会吸附水体中的悬浮物，抑制悬浮物中氮的释放[21]。因此，种植水稻可以减少养殖水体N2O排放。

稻-黄颡鱼共作处理中，2%（3.40 μg·m-2·h-1）、4%（6.36 μg·m-2·h-1）、6%（11.32 μg·m-2·h-1）和8%（24.18 μg·m-2·h-1）投喂率处理中N2O 平均排放通量与稻-混养鱼共作（20.44 μg·m-2·h-1）[22]接近，但是远低于稻-鲫鱼共作（80.46 μg·m-2·h-1）观测结果[23]。这主要是因为不同研究中水深、饲料组分、鱼类活动习性等因素的差异，导致了N2O 排放具有较大差异[22]。本研究的结果进一步显示稻-黄颡鱼共作处理的N2O排放量与饲料投喂率呈正相关关系，投喂率增加会促进稻-黄颡鱼共作系统N2O 排放（图2）。养殖系统中N2O 主要来自氮素的硝化和反硝化作用，系统中可利用性氮基质供应是影响N2O 排放的关键因素[4，24]。在稻-黄颡鱼共作处理中，水体和底泥中氮养分含量随饲料投喂率的增加而显著增加，为硝化和反硝化作用提供充足的氮基质供应，从而促进N2O排放。

本研究观测到黄颡鱼单养和稻-黄颡鱼共作处理中NH3挥发通量范围（0.003～0.126 mg·m-2·h-1）在稻-虾、稻-鱼共作池塘排放通量（0.010～0.450 mg·m-2·h-1）[7]范围内，但远低于斑点叉尾鮰养殖池塘（0.367～2.958 mg·m-2·h-1）观测结果[5]。在本研究中，虽然稻-黄颡鱼共作处理水体含量随投喂率的增加而增加（图3），但不同投喂率下各处理NH3挥发无显著差异（图2b）。NH3挥发通常随着水体pH、含量以及环境温度、风速的升高而增加[2，25]。在本试验期间各处理水体pH（7.6～7.8）相对稳定。7—8月的高水温（25～31 ℃）有利于NH3挥发时，水体浓度较低，NH3挥发源受限；而9月2日至10月21日水体浓度显著升高期间（图3），水温降低（19～25 ℃），NH3挥发进程受限，亦不利于NH3的挥发散失。此外，水稻植株的遮避作用降低水-气界面风速，抑制NH3挥发过程。

3.2 投喂率对稻-黄颡鱼共作处理中黄颡鱼生长性能和饲料氮利用率的影响

稻-黄颡鱼共作处理中黄颡鱼生长性能随投喂率增加呈先增加后降低趋势，与其他养殖鱼类（乌苏里拟鲿、印度囊鳃鲶、黄颡鱼）研究[26-28]规律一致。在低投喂率下，食物资源有限，活动代谢消耗增加，导致分配于蛋白累积的能量减少，从而降低了黄颡鱼的生长性能[29]；当投喂率增加至8%时，水质恶化不利于黄颡鱼生长。此外，投喂过量饲料会造成鱼类肠胃负担过重，降低消化和吸收能力，不利于鱼类生长[30]。相同投喂条件下，稻-黄颡鱼共作处理中黄颡鱼蛋白积累量比黄颡鱼单养处理高，主要是由于稻-黄颡鱼共作显著降低了水体NH+4浓度，改善了黄颡鱼生长的水体环境。养殖水体NH+4浓度过高可能会激发黄颡鱼的解氨毒代谢机制[31-32]，导致生理代谢消耗增加、氨基酸代谢紊乱，从而影响黄颡鱼对饲料蛋白的保留能力。因此，稻-黄颡鱼共作处理可以改善养殖环境，有利于黄颡鱼蛋白沉积，增加投喂率对黄颡鱼生长性能有一定的促进作用。

本研究中，黄颡鱼对饲料氮的利用率是6.62%～24.63%（表2），与HARGREAVES[2]研究的鱼类饲料氮利用率范围（11%～36%）相近。在稻鱼共作处理中，随着饲料投喂率的增加，黄颡鱼对饲料氮的利用率呈持续下降趋势（表2）。黄颡鱼的特定生长速率和粗蛋白累积量均随投喂率的增加呈先增后降的二次曲线关系（表2，图4）。这表明稻鱼共作模式中饲料投喂率的增加，并不能持续提升黄颡鱼的生长性能。过量饲料的投喂反而造成饲料氮利用率下降和水环境恶化（图3），进而导致黄颡鱼存活率和生长性能的下降（表2）。曲线拟合的结果显示，稻-黄颡鱼共作系统黄颡鱼最大特定生长率、最高蛋白增加量所对应投喂率是5.49%、5.16%（图4），高于ZHANG 等[28]对幼龄黄颡鱼（每条1.17 g）适宜投喂率（2.59%）的研究结果。这主要是由于鱼类体型、养殖密度和饲料组分不同，导致适宜投喂率有所差异[33]。幼龄鱼消化能力有限，因而饲料投喂率相对较低。在生产上，根据鱼苗的规格、气温以及养殖水体污染状况，黄颡鱼推荐的投喂率一般在2%～5%之间。在本研究的稻-黄颡鱼共作期（7—10 月），通常生产中推荐的投喂率在4%～5%[34]。本研究中确定的两种情景下的最佳投喂率略高于生产中推荐范围。这可能是因为水稻的种植削减了养殖系统的氮污染，改善了水体环境，从而促进了黄颡鱼的生长吸收以及饲料中氮素养分的利用率。

4 结论

（1）在本试验条件下，稻-黄颡鱼共作处理的N2O排放量随饲料投喂率的增加而显著增大。但投喂率对NH3挥发无显著影响。稻-黄颡鱼共作处理中水体不同形态氮（总氮、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮）含量随投喂率增加而增加，底泥氮含量对投喂率增加无相应变化。在相同投喂率下，稻-黄颡鱼共作有利于降低N2O和NH3排放量、水体和底泥氮含量。

（2）稻-黄颡鱼共作处理中，黄颡鱼的特定生长率、粗蛋白含量和蛋白增加量随投喂率增加呈先升高后降低趋势，黄颡鱼对饲料氮的利用率随投喂率增加呈下降趋势。相同投喂率下，稻-黄颡鱼共作有利于促进黄颡鱼粗蛋白累积。

（3）稻-黄颡鱼共作处理中，黄颡鱼最大特定生长速率、最高蛋白增加量和最小单位产量N2O 排放量对应的投喂率分别是5.49%、5.16%和1.00%。结合生产实际，在保障黄颡鱼生长性能的前提下，尽可能地减少单位产量N2O 排放量，建议稻-黄颡鱼共作模式的投喂率不超过5.49%。